一种新的煤制天然气工艺能源转化效率计算方法及应用

杨言江（辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁 阜新123000）

0 引言

煤制天然气技术是利用原煤通过煤气化、变换、低温甲醇洗、甲烷化等工序制取天然气的工艺，副产石脑油、粗酚、焦油、硫磺、硫铵，同时产生大量热量。在整个合成工艺过程中，产生的部分中压蒸汽，由工艺介质带走部分余热，并产生大量工艺凝液，造成余热被浪费。碎煤加压气化技术制取天然气的能源利用效率在56.81%左右[1]，而损失的能量未被有效利用，能源利用效率与欧美国家相比仍有较大差距[2]。

本文以建设规模为公称能力400万Nm3/d（天然气）项目为依托，从规划能源利用效率计算方法，分析能耗分布情况入手，为初始工艺设计提供参考，合理设计利用余热回收方法，可切实为提高低温余热回收提供有效手段。

1 碎煤加压煤制天然气能源利用现状及新能源转化效率计算方法

图1所示，煤制天然气技术是现代煤化工工艺中的一种，本文分析的煤制天然气项目的碎煤加压气化技术采用褐煤为原料，氧气和中压蒸汽为气化剂在固定床气化炉中气化剂与煤炭逆向接触，发生气化反应1产生粗煤气、轻烃、石脑油、粗酚、焦油及放出大量热Q1，将煤气加热及炉渣加热，粗煤气出炉后进入废热锅炉产生0.5MPa 低压蒸汽。粗煤气经过洗涤冷却后进入变化炉调整氢碳比，发生变化反应2产生变换气及放出大量热Q2，并产生4.8MPa中压蒸汽，变换气进入低温甲醇洗装置脱硫脱碳，脱除的H2S，输送到硫回收装置，CO2通过烟囱排放产生净煤气进入甲烷化进行甲烷化反应3生成甲烷（合成天然气）同时放出大量热Q3，同时通过废热锅炉产生4.8MPa 中压蒸汽。自煤气水来的气化洗涤水闪蒸出来的酸性气IV、酚回收脱出酸性气III与低温甲醇洗脱出酸性气I、II一起进入硫回收装置，进入制硫炉发生反应4，同时由废热锅炉产生4.8MPa 蒸汽，进入中压蒸汽管网。

图1 煤制天然气能源转化过程图

由整个煤制天然气能源转化过程图可以看出，煤的热量一部分转化成产品（天然气、石脑油、中油、焦油、粗酚、硫磺、硫铵）；一部分转化成蒸汽的热量；一部分转化成低温废热或余热（介质显热、炉渣、烟气热量）。现有的能源转化计算方法直接计算煤转化的产品部分能量，而没有考虑在整个能源转化过程中副产的蒸汽，更忽略了所产生余热。如果转化的蒸汽及余热得到有效利用，那么煤转化的热量就得到有效利用，其能源转化效率就应该考虑到此部分热量。

2 煤制天然气项目蒸汽与能耗统计分析

2.1 依托项目蒸汽统计

经对依托项目蒸汽分析，加压气化装置通过废热锅炉产生低压蒸汽、变换装置产生低压蒸汽、煤气水回收通过闪蒸产生低压蒸汽，甲烷化装置通过废热锅炉回收反应热产生中压蒸汽、硫回收装置通过废热锅炉回收反应热产生中压蒸汽，参见表1。

表1 装置产生蒸汽表

2.2 能耗分析

基于以上分析，提出考虑将装置产生蒸汽及低温余热计算在内的新的能源转化率计算方法并与相关文献[1]中的方法进行对比，对比结果见表2：

表2 能耗统计表

通过对比考虑副产蒸汽的能源转化效率为78.2%，在整个煤制天然气过程中，所产生的蒸汽带走反应产生的大量热量约占整个能源转化率的21.14%，考虑余热回收的能源转换效率为86%。而蒸汽的热量多通过换热、作功的形式释放并得到利用，最后通过低温余热外排，如果低温余热得到有效利用，那么同样也可以提高能源转化率7.6%，同时减少冷却水的用量。因此可以看出，如果有效的利用低温余热，则能显著的提高能源转化效率。

图2 余热利用原则工艺流程图

3 余热利用方法探讨

煤制天然气工艺未利用的余热，主要有低压凝液（透平凝液、工艺凝液）、排放废热（炉渣、烟气）、煤气显热、冷凝介质余热、循环水回水余热。

3.1 现有余热的统计

煤制气工厂现有余热主要为透平凝液、工艺凝液、煤气显热、洗渣水，其中，工艺显热＞工艺凝液＞透平凝液，同样热值（㶲值）工艺显热＞工艺凝液＞透平凝液，利用难度工艺显热＞工艺凝液＞透平凝液，主要是因为设备布置紧凑，新增换热设备增设困难，与现有换热系统匹配困难，参见表3。

表3 现有余热统计表

二2.1 2.2三3.1 3.2 3.3 3.4工艺凝液变换甲烷化工艺显热气化变换甲烷化硫回收尾气220 220 200 200 200 200 200 5 850000NM3/ h 640000NM3/ h 170000NM3/ h 10000NM3/ h水水粗煤气变换气合成气焚烧尾气

3.2 余热利用方式

根据其能够利用的技术途径，结合工艺实际，将余热分为3个等级：200～120℃；120～80℃；80～40℃。在调研其他装置应用情况及分析现有余热回收技术特点之上，余热利用的基本特点如表4所示：

表4 现有余热利用方式

[6]、[7][8]、[9][10]、[11][12]、[13]、[14]70～40余热利用产生废水、压缩机冷却水、循环水回水量大不易回收利用、设备投资大、运行费用高除湿、热泵洗浴、洗浴

通过分析对比可以看出，采用冬季供热，夏季制冷的方式回收低位余热适合北方煤制天然气工厂实际。

4 余热利用方案设计

使用任意一种方式都不可能完全、有效的全部利用装置产生的余热，只有将以上几种方式结合起来，才能最大限度利用低温余热。基于以上考虑，结合公司不同等级余热分布情况，设计如图2所示余热利用流程。

自装置来的工艺气通过供暖换热器为采暖用户提供热量，换热后进入溴化锂制冷机组，为机组提供所需的热量，同时工艺、透平凝液也为溴化锂机组提供热量，机组产生冷量外供用户，完后进入洗浴加热器，为洗浴热水提供热量。在整个过程中，工艺气、冷凝液的热量得到最大限度的利用，为用户提供连续稳定热源。

4.1 集中供暖

供热供回水温度直接决定换热温差和换热负荷，按最大负荷供水温度117℃、回水55℃，平均负荷供水温度100℃、回水55℃，最小负荷供水温度90℃、回水55℃设计，三种情况考虑设计余热回收系统，将最大负荷作为设置余热回收供暖系统的供水设计指标。205t/h的热水能够为43万m2，为1.7万人供热，此部分供暖方案基本能够满足依托项目的供暖需要。

4.2 制冷

低温余热利用的通病，夏季热量过剩的问题过剩40%以上，为解决这个问题，溴化锂吸收制冷就是一个很好的途径。低温水溴化锂制冷机，它以90～80℃热水为热源，31～37℃循环水为冷却水，采用溴化锂工质进行吸收制冷，制取冷水5～7℃。则可为10 万m2提供空调用冷量，可以为依托项目厂前区办公楼、宿舍、食堂、化验室提供冷量。

4.3 洗浴

经过供暖、制冷后的工艺显热及工艺凝液和蒸汽凝液经过换热后温度较低，基本低于70℃，而提供洗浴用水热源可以最大限度的利用此部分余热，供给用户热热水按50℃计算，洗浴供水冬季按5℃选取，春、秋、夏季按照20℃选取。则设计供热供热温度70℃，供热回水40℃为准，可为9 万用户提供洗浴热水，不仅可满足依托项目厂区、生活区、办公区洗浴用水需求，还可为附近居民区提供洗浴用热水

4.4 方案经济性比较

在文献调研的基础上估算各余热回收方式的单位投资及运行费用，综合考虑回收方式经济性优先级别：供暖＞洗浴＞制冷，参见表5。

表5 经济比较表

5 结语

（1）将煤制天然气工艺过程中产生的蒸汽及低温余热计算到煤炭的能源转化效率之内，如果蒸汽及低温余热得到有效利用，则可以显著提高能源转化效率，可以由57%提高到86%，将近提高近20个百分点。

（2）工艺介质为厂区供暖技术可行，但原有设备布置紧凑，安装换热、增压设备空间略显不足。因此，在装置基础设计阶段即考虑增设或预留出供暖设备空间十分重要。

（3）采用工艺凝液、透平凝液为溴化锂机组提供热量产生空调冷量技术可行，比用电空调费用略低，但设备投资较高，经济性略差。

（4）余热提供洗浴用水工艺能够利用品位最低余热，且投资及运行费用都不高，找到大量、稳定的用户、输送距离短的用户十分重要，则是优先考虑的余热利用技术。

（5）采用工艺介质显热供暖可以冬季为厂区全部构建筑物提供供暖，溴化锂机组制冷可以为厂前区职工进行制冷，剩余余热可提供9万人洗浴需求，远远超出厂区内职工需求，因此采用冬季供暖，夏季供热与洗浴供水相结合的工艺回收装置预热的方案为厂区内生活用是可行的。

（6）比较三种工艺技术经济性，综合考虑运行费用与设备投资的条件下，选用回收技术优先性为：供热＞洗浴＞制冷。