煤制合成天然氣工藝能耗分析與節能途徑探討

關鍵詞：煤制合成天然氣；能耗分析；節能途徑

隨著我國對能源需求的日益增加和對環境保護的愈發重視，煤制合成天然氣作為一種清潔高效的能源受到廣泛關注。近年來，我國煤制合成天然氣行業發展迅速，已經成為能源保供的重要組成部分。本文從煤制合成天然氣工藝的裝置能耗、存在問題、節能途徑3 個方面進行探討，基于對煤制合成天然氣工藝各裝置的能量平衡分析，并結合目前國內外技術水平，提出了在工藝方面優化流程，采用先進工藝技術和裝備，以及在生產管理方面進行合理的制度設計和技術改造等措施，從而達到降低煤制合成天然氣工藝能耗的目的。

1研究背景

近年來，隨著我國經濟的發展，對能源的需求量越來越大。雖然我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，但就總體能源現狀來看，多煤、少油、貧氣的矛盾尤為突出，而發展煤制合成天然氣則有利于緩解我國油氣短缺的問題。煤制合成天然氣是指煤經加工轉換生產出來的合成天然氣，通過對煤制合成天然氣工藝進行科學合理的節能設計，可以實現煤炭資源的高效利用，在滿足能源需求方面具有一定的現實意義。同時，隨著社會的發展，人們的環保意識逐漸增強，從環保角度來看，煤制合成天然氣裝置的能耗控制顯得更為關鍵，也成為符合社會發展需求的必然趨勢。

2煤制合成天然氣工藝概述

煤制合成天然氣工藝的主要技術路線包括，首先通過碎煤氣化、粗煤氣變換、低溫甲醇洗凈化、甲烷合成及脫水干燥等將煤氣化反應生成粗煤氣；其次通過耐硫耐油催化劑變換來調整氫碳比，并經低溫甲醇洗除去硫化物及二氧化碳；最后通過合成、干燥、壓縮等加工工序，生產出合成天然氣。在生產過程中，煤氣化、耐油變換及甲烷合成環節釋放出大量的化學能和熱能，這些能量可以直接利用。煤制合成天然氣工藝產品甲烷含量高，且生產過程中的反應熱也比較高，可說是一項能源轉換效率較高的工藝。

3煤制合成天然氣工藝能耗現狀分析

煤制合成天然氣工藝系統是高能耗的化工裝置，其中原料煤轉化和煤氣水處理2個環節的能耗占較大比重，隨著系統規模的擴大，各裝置能耗也會相應增加。我國煤制合成天然氣裝置能耗，與國外先進水平相比差距較大。有資料顯示，受原料煤品質和煤氣化工藝的影響，我國煤制天然氣裝置能耗較國外先進水平偏高10%～20%[1]。我國煤制合成天然氣裝置能耗較高的原因主要為工藝設計不合理、流程長、設備參數選擇不當、負荷分配不合理等造成系統運行效率低，以及生產過程中各環節不能嚴格執行工藝指標控制要求等[2]。

4煤制合成天然氣工藝節能的必要性

煤制合成天然氣是我國現代煤化工的重要組成部分，但在其生產過程中會消耗大量的熱能和電能，若不采取有效措施，將會造成嚴重的能源浪費。因此，出于實現煤制合成天然氣工藝節能設計的考慮，從裝置設計、工藝操作和參數管理3 方面入手采取相應的節能措施。

首先，煤制合成天然氣生產過程中會產生大量蒸汽，需通過對裝置的節能設計將其轉化為合成氣后再進入合成爐，減少電能、蒸汽等能源浪費。其次，轉化過程中會產生大量熱量，需采用有效節能操作進行回收利用，避免熱能、電能等能源浪費[3]。最后，加強對合成爐內溫度和壓力等參數的控制，盡量提升其性能，將煤制合成天然氣裝置的熱能和電能進行合理利用，實現節能的效果，以及有效提高煤制合成天然氣的生產效率。

5煤制合成天然氣工藝節能的可行性

從環保的角度出發，結合煤制合成天然氣工藝能耗現狀，對煤制合成天然氣工藝進行節能分析，發現該工藝的能耗控制具有一定可行性。

5.1生產過程

煤制合成天然氣工藝裝置能耗較高，占整體生產能耗的30% 以上，如何降低其裝置能耗是一項亟需解決的問題。

煤制合成天然氣系統的主要耗能裝置有煤氣發生爐、變換爐、干燥器、合成氣壓縮機和低溫甲醇洗反應器。從能量平衡分析來看，原料氣和蒸汽消耗是裝置能耗的主要來源，占裝置總能耗的95% 以上。

在煤制合成天然氣工藝生產過程中，首先要認真做好原料氣和蒸汽的供應工作，及時發現生產過程中存在的相關問題，并采取措施進行調整[4]；其次要重視低溫甲醇洗反應器的操作和維護，確保催化劑活性，而且低溫甲醇洗反應器是煤制合成天然氣生產中耗能最大的裝置之一，其能源利用率不高，在生產操作中要還應加強對其的維護和管理；最后要應對煤制合成天然氣裝置在生產過程中存在的熱量損失、動力損失等問題，采取降低熱量損失、增加動力消耗、降低動力損耗、提高產品產量的措施來降低裝置能耗，其中動力損失方面主要為壓縮空氣消耗及電消耗，采取措施時應特別注意減少這2方面的能耗。

5.2合成過程

在煤制合成天然氣生產的合成過程中，有大量的熱量被損失，使得煤制合成天然氣生產的能源浪費非常嚴重。從能量平衡分析來看，其主要表現在2 個方面，一是合成氣凈化過程中，合成氣冷卻器、換熱設備、天然氣反應器等設備的熱損失；二是為了防止天然氣合成器超溫，在設計天然氣反應器時，均設置有循環氣壓縮機，通過循環氣壓縮機可將部分反應氣返回至反應器內，以防止反應器超溫，但這一設計使得天然氣合成的壓縮工序進一步增加，能耗也隨之增加。

基于當前國內外技術水平，可通過多種技術手段有效降低合成氣凈化過程中的能耗。如，通過采用等溫甲烷合成技術，在甲烷合成反應時及時將反應熱提取出來，不但能減少反應器熱損失，降低壓縮功耗，而且可使反應一直在低溫下進行，延長催化劑的使用壽命；通過采用高效冷卻裝置來降低冷卻器散熱損失；通過采用低能耗工藝設備來降低空氣預熱器熱損失等。

總體來說，煤制合成天然氣工藝合成過程的能源利用效率較低，生產裝置的熱損失較大，因此應從提高天然氣反應器熱能回收利用等方面對該工藝的能耗降低作進一步研究。

6煤制合成天然氣工藝節能途徑

煤制合成天然氣工藝是一種新型的能源轉化方法，但在實際應用中存在能耗高、效率低等問題，因此節能降耗成為該工藝的一個重點研究方向。本節主要對煤制合成天然氣工藝的節能途徑進行探討，并從實際應用的角度，對其可行性進行分析。在此基礎上，提出了優化生產系統、優化工藝操作、優化管理措施的節能對策，可有效降低煤制合成天然氣工藝能耗，提高綜合效率。

6.1優化生產系統

6.1.1優化設備材料

目前，煤制合成天然氣工藝主要采用的設備是空分設備、合成氣凈化設備和變換設備等。其中，空分設備又包括了空氣壓縮機、蒸汽發生器、高壓換熱器和低溫換熱器等，而合成氣凈化設備包括了高壓過濾器、中壓過濾器、氣體冷卻器等。各個設備的性能直接關系到煤制合成天然氣工藝系統的整體運行情況，因此在對煤制合成天然氣工藝的節能研究中，需對設備節能情況提起重視。一是在空氣壓縮機葉片的選材方面，應注意選擇耐腐蝕的材料；二是在中壓過濾器、氣體冷卻器等設備的選材方面，可選擇不銹鋼材料；三是在高壓換熱器和低溫換熱器的選材方面，可選擇不銹鋼材料。

6.1.2優化裝置性能

在對煤制合成天然氣工藝進行節能研究的同時，也應重視對環境保護工作的投入力度，并采取相應措施有效減少煤制合成天然氣工藝裝置在運行過程中的能源浪費。一是要對煤制合成天然氣工藝裝置周邊的環境進行有效管理，降低其空氣中有害物質濃度；二是要對煤制合成天然氣工藝裝置周圍的污染源進行有效控制；三是要大力推廣新能源技術在煤制合成天然氣工藝裝置中的應用。

6.2優化工藝操作

6.2.1 控制合成氣中CO比例

煤制合成天然氣工藝生產合成氣所用的原料為焦爐煤氣，其主要成分為甲烷和CO₂，CO含量為15%～17%，通過對汽氧比的調整，可將合成氣中CO含量提高至17%～19%，實現降低能耗的效果。

煤制合成天然氣生產過程中，如果煤氣化不完全，則會使合成氣中CO含量過高，造成大量的煤炭損耗。這種情況下，需要優化合成技術，通過減少合成氣中CO含量來達到降低工藝能耗的目的。

6.2.2控制變換工藝參數

在進行煤制合成天然氣工藝操作時，如有變換反應溫度過高、壓力過高、溫度過低等情況，均會導致煤炭資源的浪費。因此，應注意控制變換反應溫度及壓力等，如當變換反應溫度降低時，可提高煤氣化的反應速率；當變換壓力升高時，可減少煤氣中CO含量。

6.2.3調控合成氣系統

在煤制合成天然氣生產過程中，如有反應不完全、溫度高、壓力大等問題，則可能出現合成氣中CO 含量不足的情況[5]。因此，應注意對合成氣系統進行調控，如當合成氣溫度較低時，可采取降低煤漿濃度或降低變換反應溫度等措施；當合成氣溫度較高時，可采取提高煤粉濃度或降低變換反應溫度等措施。

6.3優化管理措施

6.3.1構建完善的能源管理系統

構建的能源管理系統，應涵蓋煤制合成天然氣工藝流程的所有能耗點，重點關注熱能和電能；應有完善的數據庫，詳細記錄煤炭、電力等資源的使用情況及各生產設備的運行狀況，以便能源管理人員針對相關數據進行分析和總結[6]。

6.3.2建立健全節能考核體系

制定相應的獎懲制度，可對不能達到考核標準的工作人員給予一定處罰，提高其對于節能要求的重視程度；同時，可對工作達標的人員給予一定獎勵，鼓勵其工作積極性。另外，還應通過對能耗情況進行定期檢查、統計、分析等方式，不斷完善煤制合成天然氣工藝節能考核體系，實現對能源的有效管理。

7結論

綜上所述，煤制合成天然氣工藝能耗與節能途徑研究是一項系統的工作，未來還應在以下3 個方面加大力度，以更好地實現節能降耗效果。

①升級合成工藝，減少能源損失。如，采用水煤氣變換工藝和CO變換工藝，以提高水煤氣的轉化效率；采用等溫甲烷合成技術—CO變換與合成氣合成相結合的工藝路線，通過有效利用合成過程中產生的反應熱，來降低循環氣壓縮機功耗，提高合成氣的產率；采用合理的空分操作和壓力控制技術，以降低合成氣中CO₂含量等。

②采用先進技術和設備，提高裝置自動化水平。如，采用多爐多床、多塔多循環、低壓大流量等先進技術設備，以減少能源損失；同時在裝置自動化方面進行合理的設計和改造等。

③對裝置進行節能降耗改造。如，對合成氣壓縮機組和空分設備進行技術改造，調整其水平衡，提高其運行效率。

作者簡介

翟勇（1988—），男，漢族，甘肅通渭人，工程師，理學學士，研究方向為現代煤化工。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-22