煤制气能量转换率与美国大平原比较

与美国大平原煤制气比比能量转换率

我国天然气资源长期存在严重缺口，发展煤制天然气企业是缓解天然气紧张的一条有效途径，同时这也为煤炭的高碳能源低碳化提供技术示范。但是，煤制天然气企业投资大、能耗高，对能源消费和环境保护的影响不容忽视。

针对大型用能企业采取节能措施之前，首先要对企业能源消耗和能效水平进行节能评估，为企业节能决策提供科学依据。本文将20 世纪70 年代提出的能源网络图首次引入到国内首家某大型煤制天然气示范企业中进行用能横向分析。由于美国大平原气化项目和该企业无论在煤种，还是煤气化技术等方面都有一定的相似性，所以数据的对比具有重要的参考意义。

1 能源网络图

能源网络图是对企业能源利用系统进行综合分析的一种有利工具，反映了生产过程中各种能源使用或加工转换的流向和过程，以物质流和信息流反映能量平衡结果，是对企业用能情况作全面系统的分析，重点研究各环节关键用能单元的能量平衡，能够直观的看出企业能源系统的全貌及各用能环节的能源组成，根据投入产出的关系，明确各部分能量转换效率、能量损失及分布。

能源网络图把企业的能源系统从左到右划分为购入储存、加工转换、输入分配、最终使用4个环节。每个环节包括一个或多个用能单元。其中，购入储存环节的各种能源用圆形图表示，包括煤炭、电力、柴油、汽油等，供入能源均由实物量折算为等价值和当量值。等价值和当量值之间用双线隔开，左侧数字为等价值，右侧数字为当量值；加工转换环节中用能单元用方形图表示，该环节的用能单元包括：发电厂、变电站、锅炉房、热水站等；最终使用的用能单元用矩形框表示，该环节包括：主要生产、辅助生产、附属生产、采暖（空调）、照明、运输和其它等。

能源网络图中的能源流向规定从左到右，每个用能单元从左侧箭头上方标注投入能源的数量，下方括号内数字表示占供入能源总量的百分数。从右侧绘出的箭头上方数字表示该单元的有效能量，数字右侧括号内数字表示该有效能量占供入总能量的百分数。在各用能环节右方向向下的箭头表示能源损失，并标出了该环节的能源损失总量，括号内数字表示占供入总能量的百分数。能源网络图右侧的箭头汇总量表示企业输出的总有效能量，括号内数据是总有效能量占供入总能

量的百分数。绘制能源网络图的基本数据来自企业能量平衡表，在数值上要始终遵循系统能量平衡原则，各类能源的流入流出应当平衡，各过程相互衔接的节点处，能量流入总和与能量输出总和相等，各用能单元流入能量与流出能量应当平衡。

2 大型煤制天然气企业用能分析

国内某大型煤制天然气企业建设规模为年产40亿标准立方米煤制天然气，副产焦油50.9万吨、石脑油10.1万吨、粗酚5.8万吨、硫磺11.4万吨、硫胺18.8万吨。所配备的主要设备有4.0MPa气化炉16台、甲醇洗装置6套、甲烷化装置6套、高压锅炉8台、发电机组5台。该企业分三期完成，而一期所需的能源为原料煤516万吨/年，折标准煤量为246.14万吨/年，燃料煤为364.7万吨/年，折标准煤量为173.96万吨/年。年输出产品气13亿标方，并副产焦油5.4万吨、石脑油1.9万吨、粗酚2.0万吨、硫磺4.5万吨、硫胺2.3万吨。

而在煤制天然气方面较为突出的商业典范企业当属美国大平原气化厂，它是世界上第一座高热值煤气的大型商业化企业。该一期工程配备14台鲁奇气化炉（2台备用），涉及的设备共计2800台，年产10 亿标方的合成天然气，紧邻的Basin发电厂为全厂提供电力。大平原企业的褐煤进料量为465万吨，外购电量5000万千瓦时（煤发电效率为34%），产品设计值为合成天然气10亿标方，氨3.4万吨，硫3.1万吨，焦油和油20.3万吨，酚类3.1万吨，石脑油1.7万吨等。大平原项目采用了全厂热集成和热联合，蒸汽系统的梯级利用，低温余热的回收等节能措施，使该项目的能量转化效率达到53.16%。

按照《企业能量网络图编制方法》GB/T 16616 以及《石油化工设计能量消耗计算方法》，绘制该企业和美国大平原的能源网络图。

3 案例分析

3.1 供入能源

上述两个案例中，某煤制天然气企业能源供应均为原料煤、燃料煤及甲醇，而大平原能源供应为原料煤、电、汽油、柴油、石脑油、酚。其中除了原料煤、燃料煤为一次能源，而其余均为二次能源，由于能源种类较多，需要规定一个标准值（如标准煤或标准油），便于各能源的加和与计算。经过折标计算，该企业供入的能源等价值总量为421.07万吨标煤/年，当量值为421.07万吨标煤/年，而大平原供入的能源等价值总量为271.87万吨标煤/年，当量值为270.67万吨标

煤/年。

3.2 购入储存

对于购入储存环节，仅仅涉及原料的运输、转运等损失，由于科学技术的更新换代，我国科研人员研制出的煤扬尘新型覆盖剂及喷洒技术，可大幅度减少煤在运输中的损耗和污染问题，所以此环节的能源损失率很低，对于该企业，该环节的损失率几乎为0.08%；而对于大平原，也仅仅占到总能量的0.17%。

3.3 加工转换

煤制天然气企业通常有加工转换装置，比如热电联产装置、变压站、空压站等。该企业因煤、电、化一体化，故有一座汽电联产装置，而对于大平原，虽然外购电力，但也配有汽电联产装置供内部设备和生产设施使用。褐煤先在工厂周围的采煤区进行预破碎处理，然后在储存区再次破碎，通过煤炭高效筛分技术，把粒径较大的碳粒用于生产煤气，而粒径较小的则送至锅炉作为燃料煤燃烧产生超高压蒸汽，由于锅炉热效率普遍较高，传统锅炉的热效率一般在87%~91%，而该企业在燃煤汽电联产系统中采用先进的锅炉技术，充分回收烟气的显热使锅炉烟气温度尽可能的降低，并且将其它过程产生的高温凝结水回收至锅炉，使锅炉热效率高达94%以上。然后利用锅炉产生的高压蒸汽推动背压式汽轮机做功发电，同时产生低等级压力蒸汽，根据装置和用户的需求采用不同梯度的蒸汽，提高了能量转换效率。所以针对加工转换环节实现了能源的高效转化，其能量转换效率为86.57%，而大平原的转换效率只有68.72%。

3.4 输送分配

该环节主要包括电力、蒸汽、燃料气等的输送分配，由于煤制天然气企业占地面积较大，生产工艺流程较长，各装置之间距离相隔较远，能量输送势必造成能量损失。电力损失主要表现在变压器转高压送电的损失、线路过程中的损失以及降压进用户的损失。而蒸汽损失则主要表现在保温材料性能弱、厚度薄、防潮能力差，采气点、排凝点多，疏水器易出故障，凝液回收困难等。另外输送环节还包括低温热水的能量损失，主要体现在保温材料性价比差，热水系统不集中等方面。针对该企业，输送过程中，电力损失为2.77%，蒸汽损失为3.97%，热水损失为9.60%，能源利用效率为96.11%；而对于大平原，电力损失为4.43%，蒸汽损失为6.18%，热水损失为2.98%，能源利用效率为97.80%。

通过计算可以看出，该企业的该环节的能量损失并不是整个系统损失的主要部分，但损失能量中，蒸汽和热水损失占83.04%，而大平原的热水蒸气损失占67.04%，由此蒸汽管网和热水管网的保温显得尤为重要，需采取添加保温套、回收高温凝结水、减少跑冒滴漏、定期对供热系统进行热平衡测试等措施，以便及时发现和解决问题，降低能量损失。

3.5 最终使用

最终使用环节牵涉到的终端用户较为复杂，用能也较为繁琐，是能源高效利用最为关键的部分。为了化繁为简，把该环节分为公用工程系统、辅助生产系统、生产工艺系统以及其它系统4个单元，其中对于该企业，生产工艺单元占该环节用能的86.83%，占整个系统总能量的80.47%，对于大平原，生产工艺单元占该环节用能的91.22%，占整个系统总能量的80.52%。

能量消耗较大，牵涉的主要工艺有空分、煤气化、耐硫转换、低温甲醇洗、甲烷化、煤气水分离、硫回收等，其中煤气化装置所采用的是第三代鲁奇碎煤加压气化技术，可使气化过程中甲烷组分由原来的8%提高到12%，大大减小后续单元的能耗，能量转换效率高，能量损失主要表现在变换和甲烷化单元工艺物流冷却以及各设备管道的散热等。对于该企业，生产工艺系统能量损失合计为100.77万吨标煤/年，为能量输入总量的23.93%，该终端环节的能量转换效率为52.03%；对于大平原项目，生产工艺系统能量损失合计为67.01万吨标煤/年，为能量输入总量的24.64%，该终端环节的能量转换效率为63.31%。二者能量转换效率的差异在于：大平原原料煤元素分析的含碳率为72.9%（干燥无灰基），出气化炉的粗煤气（干）中CO和H2的总含量占54.7%；而该企业原料煤元素分析的含碳率为70.2%（干燥无灰基），出气化炉的粗煤气（干）中CO和H2的总含量占50.4%。因此，最终导致大平原生产工艺系统的气化炉性能的关键指标——冷煤气效率为81.27%，高于该企业的79.13%。

另外，该企业生产工艺系统产生的中低压蒸汽均被终端环节内部消化，而大平原中除内部消化外，还有部分蒸汽作为终端环节的输出产品进入汽电联产装置以减少燃料煤的消耗，提高了该环节的能量转换效率。同时对于低温热源的利用，该企业以氨为冷介质，采用压缩制冷的方式，通过中高压蒸汽驱动压缩机为低温甲醇洗提供冷源，耗费了不必要的中高压蒸汽。而大平原项目采用混合制冷方式，

利用系统中富余的低压蒸汽和低位热源为所需装置提供冷量，节省了电耗和中高压蒸汽。综上，大平原项目最终环节的能量转换效率优于该企业。

根据图2 可见，该企业最终使用环节的输出能量为202.97万吨标煤/年，其中天然气的产量为183.78万吨标煤/年，供入的能源总量等价值为421.08万吨标煤/年，当量值为421.08万吨标煤/年，所以该企业的能源利用效率为48.20%，能量转换效率也为48.20%；而根据图3可见，大平原最终使用环节的输出能量为143.89万吨标煤/年，其中天然气的产量为143.25万吨标煤/年，供入的能源总量等价值为271.87万吨标煤/年，当量值为270.67万吨标煤/年，所以大平原的能源利用率为52.93%，能量转换效率为53.16%。

结果表明，该企业整体能量转换效率较大平原低。这表现在，一方面由于终端环节中生产工艺系统的用能效率为70.26%低于大平原的73.09%，而生产工艺系统能耗比例最大导致其用能效率直接决定着全厂能量转换效率的高低。另一方面是能量利用过程中的热损失和其它能量的排出与消耗。具体来说，对于生产工艺系统主要体现在烟气排放的热损失、过程反应所需的反应能和分离能、机械设备的电力损失、管道设备的散热损失以及物流换热的损与空冷损失等；对于辅助生产、公用工程及其它系统，由于其用能比例较小、结构较简单，其损失主要体现在电力及蒸汽凝液的损失。因此，该企业仍需进一步改善用能水平，优化能源结构，降低能耗损失。

4 结语

通过对煤制天然气企业和大平原的各项数据分析，该企业的能量转换效率为48.20%，而大平原示范项目对应数据为53.16%。另外，从节能降耗方面分析，该企业的输送分配环节蒸汽和热水能量损失占该环节总损失的83.04%，应强化保温材料，采取保温措施。而且最终环节中进入辅助生产系统、公用工程系统及其它系统的能源损失较大，需要进一步回收，应采取相应措施达到“热尽其用”，如对系统产生的凝结水实行闭路回收，将高温凝结水和乏汽分离，前者直接进入锅炉，后者进行再处理用于再生产，避免了能源浪费，同时也保障了系统平稳运行。

从蒸汽梯级利用的角度考虑，该企业的生产工艺系统中煤气化、变换和甲烷化单元产生的高低压蒸汽应按照不同品味蒸汽性能上的特点和规律加以匹配联合，在

一定的输入条件和输出要求条件下，根据“高质高用，低质低用，分级匹配”的能量梯级利用原则，达到能量合理匹配和最优运行。为进一步提高转换效率、降低能耗，使该企业用能效率达到国外先进水平，需要对该企业进行全厂能量热集成，通过过程能量集成技术优化用能结构，细化节能方案，使全厂能量合理最优地利用。

（来源：《化工进展》2013年第32卷第9期作者：刘永健1、2，王志伟1，何畅1，冯霄1，李安学2；1 中国石油大学化学工程学院；2 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司）