一種新的煤制天然氣工藝能源轉(zhuǎn)化效率計(jì)算方法及應(yīng)用

楊言江（遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新123000）

0 引言

煤制天然氣技術(shù)是利用原煤通過煤氣化、變換、低溫甲醇洗、甲烷化等工序制取天然氣的工藝，副產(chǎn)石腦油、粗酚、焦油、硫磺、硫銨，同時(shí)產(chǎn)生大量熱量。在整個(gè)合成工藝過程中，產(chǎn)生的部分中壓蒸汽，由工藝介質(zhì)帶走部分余熱，并產(chǎn)生大量工藝凝液，造成余熱被浪費(fèi)。碎煤加壓氣化技術(shù)制取天然氣的能源利用效率在56.81%左右[1]，而損失的能量未被有效利用，能源利用效率與歐美國(guó)家相比仍有較大差距[2]。

本文以建設(shè)規(guī)模為公稱能力400萬Nm3/d（天然氣）項(xiàng)目為依托，從規(guī)劃能源利用效率計(jì)算方法，分析能耗分布情況入手，為初始工藝設(shè)計(jì)提供參考，合理設(shè)計(jì)利用余熱回收方法，可切實(shí)為提高低溫余熱回收提供有效手段。

1 碎煤加壓煤制天然氣能源利用現(xiàn)狀及新能源轉(zhuǎn)化效率計(jì)算方法

圖1所示，煤制天然氣技術(shù)是現(xiàn)代煤化工工藝中的一種，本文分析的煤制天然氣項(xiàng)目的碎煤加壓氣化技術(shù)采用褐煤為原料，氧氣和中壓蒸汽為氣化劑在固定床氣化爐中氣化劑與煤炭逆向接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)1產(chǎn)生粗煤氣、輕烴、石腦油、粗酚、焦油及放出大量熱Q1，將煤氣加熱及爐渣加熱，粗煤氣出爐后進(jìn)入廢熱鍋爐產(chǎn)生0.5MPa 低壓蒸汽。粗煤氣經(jīng)過洗滌冷卻后進(jìn)入變化爐調(diào)整氫碳比，發(fā)生變化反應(yīng)2產(chǎn)生變換氣及放出大量熱Q2，并產(chǎn)生4.8MPa中壓蒸汽，變換氣進(jìn)入低溫甲醇洗裝置脫硫脫碳，脫除的H2S，輸送到硫回收裝置，CO2通過煙囪排放產(chǎn)生凈煤氣進(jìn)入甲烷化進(jìn)行甲烷化反應(yīng)3生成甲烷（合成天然氣）同時(shí)放出大量熱Q3，同時(shí)通過廢熱鍋爐產(chǎn)生4.8MPa 中壓蒸汽。自煤氣水來的氣化洗滌水閃蒸出來的酸性氣IV、酚回收脫出酸性氣III與低溫甲醇洗脫出酸性氣I、II一起進(jìn)入硫回收裝置，進(jìn)入制硫爐發(fā)生反應(yīng)4，同時(shí)由廢熱鍋爐產(chǎn)生4.8MPa 蒸汽，進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng)。

圖1 煤制天然氣能源轉(zhuǎn)化過程圖

由整個(gè)煤制天然氣能源轉(zhuǎn)化過程圖可以看出，煤的熱量一部分轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品（天然氣、石腦油、中油、焦油、粗酚、硫磺、硫銨）；一部分轉(zhuǎn)化成蒸汽的熱量；一部分轉(zhuǎn)化成低溫廢熱或余熱（介質(zhì)顯熱、爐渣、煙氣熱量）?，F(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)化計(jì)算方法直接計(jì)算煤轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品部分能量，而沒有考慮在整個(gè)能源轉(zhuǎn)化過程中副產(chǎn)的蒸汽，更忽略了所產(chǎn)生余熱。如果轉(zhuǎn)化的蒸汽及余熱得到有效利用，那么煤轉(zhuǎn)化的熱量就得到有效利用，其能源轉(zhuǎn)化效率就應(yīng)該考慮到此部分熱量。

2 煤制天然氣項(xiàng)目蒸汽與能耗統(tǒng)計(jì)分析

2.1 依托項(xiàng)目蒸汽統(tǒng)計(jì)

經(jīng)對(duì)依托項(xiàng)目蒸汽分析，加壓氣化裝置通過廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽、變換裝置產(chǎn)生低壓蒸汽、煤氣水回收通過閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽，甲烷化裝置通過廢熱鍋爐回收反應(yīng)熱產(chǎn)生中壓蒸汽、硫回收裝置通過廢熱鍋爐回收反應(yīng)熱產(chǎn)生中壓蒸汽，參見表1。

表1 裝置產(chǎn)生蒸汽表

2.2 能耗分析

基于以上分析，提出考慮將裝置產(chǎn)生蒸汽及低溫余熱計(jì)算在內(nèi)的新的能源轉(zhuǎn)化率計(jì)算方法并與相關(guān)文獻(xiàn)[1]中的方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2：

表2 能耗統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)比考慮副產(chǎn)蒸汽的能源轉(zhuǎn)化效率為78.2%，在整個(gè)煤制天然氣過程中，所產(chǎn)生的蒸汽帶走反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量約占整個(gè)能源轉(zhuǎn)化率的21.14%，考慮余熱回收的能源轉(zhuǎn)換效率為86%。而蒸汽的熱量多通過換熱、作功的形式釋放并得到利用，最后通過低溫余熱外排，如果低溫余熱得到有效利用，那么同樣也可以提高能源轉(zhuǎn)化率7.6%，同時(shí)減少冷卻水的用量。因此可以看出，如果有效的利用低溫余熱，則能顯著的提高能源轉(zhuǎn)化效率。

圖2 余熱利用原則工藝流程圖

3 余熱利用方法探討

煤制天然氣工藝未利用的余熱，主要有低壓凝液（透平凝液、工藝凝液）、排放廢熱（爐渣、煙氣）、煤氣顯熱、冷凝介質(zhì)余熱、循環(huán)水回水余熱。

3.1 現(xiàn)有余熱的統(tǒng)計(jì)

煤制氣工廠現(xiàn)有余熱主要為透平凝液、工藝凝液、煤氣顯熱、洗渣水，其中，工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，同樣熱值（?值）工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，利用難度工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，主要是因?yàn)樵O(shè)備布置緊湊，新增換熱設(shè)備增設(shè)困難，與現(xiàn)有換熱系統(tǒng)匹配困難，參見表3。

表3 現(xiàn)有余熱統(tǒng)計(jì)表

二2.1 2.2三3.1 3.2 3.3 3.4工藝凝液變換甲烷化工藝顯熱氣化變換甲烷化硫回收尾氣220 220 200 200 200 200 200 5 850000NM3/ h 640000NM3/ h 170000NM3/ h 10000NM3/ h水水粗煤氣變換氣合成氣焚燒尾氣

3.2 余熱利用方式

根據(jù)其能夠利用的技術(shù)途徑，結(jié)合工藝實(shí)際，將余熱分為3個(gè)等級(jí)：200～120℃；120～80℃；80～40℃。在調(diào)研其他裝置應(yīng)用情況及分析現(xiàn)有余熱回收技術(shù)特點(diǎn)之上，余熱利用的基本特點(diǎn)如表4所示：

表4 現(xiàn)有余熱利用方式

[6]、[7][8]、[9][10]、[11][12]、[13]、[14]70～40余熱利用產(chǎn)生廢水、壓縮機(jī)冷卻水、循環(huán)水回水量大不易回收利用、設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi)用高除濕、熱泵洗浴、洗浴

通過分析對(duì)比可以看出，采用冬季供熱，夏季制冷的方式回收低位余熱適合北方煤制天然氣工廠實(shí)際。

4 余熱利用方案設(shè)計(jì)

使用任意一種方式都不可能完全、有效的全部利用裝置產(chǎn)生的余熱，只有將以上幾種方式結(jié)合起來，才能最大限度利用低溫余熱?；谝陨峡紤]，結(jié)合公司不同等級(jí)余熱分布情況，設(shè)計(jì)如圖2所示余熱利用流程。

自裝置來的工藝氣通過供暖換熱器為采暖用戶提供熱量，換熱后進(jìn)入溴化鋰制冷機(jī)組，為機(jī)組提供所需的熱量，同時(shí)工藝、透平凝液也為溴化鋰機(jī)組提供熱量，機(jī)組產(chǎn)生冷量外供用戶，完后進(jìn)入洗浴加熱器，為洗浴熱水提供熱量。在整個(gè)過程中，工藝氣、冷凝液的熱量得到最大限度的利用，為用戶提供連續(xù)穩(wěn)定熱源。

4.1 集中供暖

供熱供回水溫度直接決定換熱溫差和換熱負(fù)荷，按最大負(fù)荷供水溫度117℃、回水55℃，平均負(fù)荷供水溫度100℃、回水55℃，最小負(fù)荷供水溫度90℃、回水55℃設(shè)計(jì)，三種情況考慮設(shè)計(jì)余熱回收系統(tǒng)，將最大負(fù)荷作為設(shè)置余熱回收供暖系統(tǒng)的供水設(shè)計(jì)指標(biāo)。205t/h的熱水能夠?yàn)?3萬m2，為1.7萬人供熱，此部分供暖方案基本能夠滿足依托項(xiàng)目的供暖需要。

4.2 制冷

低溫余熱利用的通病，夏季熱量過剩的問題過剩40%以上，為解決這個(gè)問題，溴化鋰吸收制冷就是一個(gè)很好的途徑。低溫水溴化鋰制冷機(jī)，它以90～80℃熱水為熱源，31～37℃循環(huán)水為冷卻水，采用溴化鋰工質(zhì)進(jìn)行吸收制冷，制取冷水5～7℃。則可為10 萬m2提供空調(diào)用冷量，可以為依托項(xiàng)目廠前區(qū)辦公樓、宿舍、食堂、化驗(yàn)室提供冷量。

4.3 洗浴

經(jīng)過供暖、制冷后的工藝顯熱及工藝凝液和蒸汽凝液經(jīng)過換熱后溫度較低，基本低于70℃，而提供洗浴用水熱源可以最大限度的利用此部分余熱，供給用戶熱熱水按50℃計(jì)算，洗浴供水冬季按5℃選取，春、秋、夏季按照20℃選取。則設(shè)計(jì)供熱供熱溫度70℃，供熱回水40℃為準(zhǔn)，可為9 萬用戶提供洗浴熱水，不僅可滿足依托項(xiàng)目廠區(qū)、生活區(qū)、辦公區(qū)洗浴用水需求，還可為附近居民區(qū)提供洗浴用熱水

4.4 方案經(jīng)濟(jì)性比較

在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上估算各余熱回收方式的單位投資及運(yùn)行費(fèi)用，綜合考慮回收方式經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先級(jí)別：供暖＞洗?。局评?，參見表5。

表5 經(jīng)濟(jì)比較表

5 結(jié)語

（1）將煤制天然氣工藝過程中產(chǎn)生的蒸汽及低溫余熱計(jì)算到煤炭的能源轉(zhuǎn)化效率之內(nèi)，如果蒸汽及低溫余熱得到有效利用，則可以顯著提高能源轉(zhuǎn)化效率，可以由57%提高到86%，將近提高近20個(gè)百分點(diǎn)。

（2）工藝介質(zhì)為廠區(qū)供暖技術(shù)可行，但原有設(shè)備布置緊湊，安裝換熱、增壓設(shè)備空間略顯不足。因此，在裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段即考慮增設(shè)或預(yù)留出供暖設(shè)備空間十分重要。

（3）采用工藝凝液、透平凝液為溴化鋰機(jī)組提供熱量產(chǎn)生空調(diào)冷量技術(shù)可行，比用電空調(diào)費(fèi)用略低，但設(shè)備投資較高，經(jīng)濟(jì)性略差。

（4）余熱提供洗浴用水工藝能夠利用品位最低余熱，且投資及運(yùn)行費(fèi)用都不高，找到大量、穩(wěn)定的用戶、輸送距離短的用戶十分重要，則是優(yōu)先考慮的余熱利用技術(shù)。

（5）采用工藝介質(zhì)顯熱供暖可以冬季為廠區(qū)全部構(gòu)建筑物提供供暖，溴化鋰機(jī)組制冷可以為廠前區(qū)職工進(jìn)行制冷，剩余余熱可提供9萬人洗浴需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出廠區(qū)內(nèi)職工需求，因此采用冬季供暖，夏季供熱與洗浴供水相結(jié)合的工藝回收裝置預(yù)熱的方案為廠區(qū)內(nèi)生活用是可行的。

（6）比較三種工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮運(yùn)行費(fèi)用與設(shè)備投資的條件下，選用回收技術(shù)優(yōu)先性為：供熱＞洗浴＞制冷。