煤制氣能量轉(zhuǎn)換率與美國大平原比較

1、與美國大平原煤制氣比比能量轉(zhuǎn)換率l=J我國天然氣資源長期存在嚴(yán)重缺口，發(fā)展煤制天然氣企業(yè)是緩解天然氣緊張的一 條有效途徑，同時這也為煤炭的高碳能源低碳化提供技術(shù)示范。但是，煤制天然 氣企業(yè)投資大、能耗高，對能源消費(fèi)和環(huán)境保護(hù)的影響不容忽視。針對大型用能企業(yè)采取節(jié)能措施之前，首先要對企業(yè)能源消耗和能效水平進(jìn) 行節(jié)能評估，為企業(yè)節(jié)能決策提供科學(xué)依據(jù)。本文將20世紀(jì)70年代提出的能 源網(wǎng)絡(luò)圖首次引入到國內(nèi)首家某大型煤制天然氣示范企業(yè)中進(jìn)行用能橫向分析。 由于美國大平原氣化項(xiàng)目和該企業(yè)無論在煤種，還是煤氣化技術(shù)等方面都有一定 的相似性，所以數(shù)據(jù)的對比具有重要的參考意義。1能源網(wǎng)絡(luò)圖能源網(wǎng)絡(luò)圖是對企業(yè)能

2、源利用系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析的一種有利工具，反映了生 產(chǎn)過程中各種能源使用或加工轉(zhuǎn)換的流向和過程，以物質(zhì)流和信息流反映能量平 衡結(jié)果，是對企業(yè)用能情況作全面系統(tǒng)的分析，重點(diǎn)研究各環(huán)節(jié)關(guān)鍵用能單元的 能量平衡，能夠直觀的看出企業(yè)能源系統(tǒng)的全貌及各用能環(huán)節(jié)的能源組成，根據(jù) 投入產(chǎn)出的關(guān)系，明確各部分能量轉(zhuǎn)換效率、能量損失及分布。能源網(wǎng)絡(luò)圖把企業(yè)的能源系統(tǒng)從左到右劃分為購入儲存、加工轉(zhuǎn)換、輸入分 配、最終使用4個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)包括一個或多個用能單元。其中，購入儲存環(huán) 節(jié)的各種能源用圓形圖表示，包括煤炭、電力、柴油、汽油等，供入能源均由實(shí) 物量折算為等價值和當(dāng)量值。等價值和當(dāng)量值之間用雙線隔開，左側(cè)數(shù)字為等

3、價 值，右側(cè)數(shù)字為當(dāng)量值；加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中用能單元用方形圖表示，該環(huán)節(jié)的用能 單元包括：發(fā)電廠、變電站、鍋爐房、熱水站等；最終使用的用能單元用矩形框 表示，該環(huán)節(jié)包括：主要生產(chǎn)、輔助生產(chǎn)、附屬生產(chǎn)、采暖（空調(diào)）、照明、運(yùn) 輸和其它等。能源網(wǎng)絡(luò)圖中的能源流向規(guī)定從左到右，每個用能單元從左側(cè)箭頭上方標(biāo)注 投入能源的數(shù)量，下方括號內(nèi)數(shù)字表示占供入能源總量的百分?jǐn)?shù)。從右側(cè)繪出的 箭頭上方數(shù)字表示該單元的有效能量，數(shù)字右側(cè)括號內(nèi)數(shù)字表示該有效能量占供 入總能量的百分?jǐn)?shù)。在各用能環(huán)節(jié)右方向向下的箭頭表示能源損失，并標(biāo)出了該 環(huán)節(jié)的能源損失總量，括號內(nèi)數(shù)字表示占供入總能量的百分?jǐn)?shù)。能源網(wǎng)絡(luò)圖右側(cè) 的箭頭匯總量

4、表示企業(yè)輸出的總有效能量，括號內(nèi)數(shù)據(jù)是總有效能量占供入總能 量的百分?jǐn)?shù)。繪制能源網(wǎng)絡(luò)圖的基本數(shù)據(jù)來自企業(yè)能量平衡表，在數(shù)值上要始終 遵循系統(tǒng)能量平衡原則，各類能源的流入流出應(yīng)當(dāng)平衡，各過程相互銜接的節(jié)點(diǎn) 處，能量流入總和與能量輸出總和相等，各用能單元流入能量與流出能量應(yīng)當(dāng)平 衡。2大型煤制天然氣企業(yè)用能分析國內(nèi)某大型煤制天然氣企業(yè)建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)40億標(biāo)準(zhǔn)立方米煤制天然氣， 副產(chǎn)焦油50.9萬噸、石腦油10.1萬噸、粗酚5.8萬噸、硫磺11.4萬噸、硫胺18.8 萬噸。所配備的主要設(shè)備有4.0MPa氣化爐16臺、甲醇洗裝置6套、甲烷化裝 置6套、高壓鍋爐8臺、發(fā)電機(jī)組5臺。該企業(yè)分三期完成，而一

5、期所需的能源 為原料煤516萬噸/年，折標(biāo)準(zhǔn)煤量為246.14萬噸/年，燃料煤為364.7萬噸/年， 折標(biāo)準(zhǔn)煤量為173.96萬噸/年。年輸出產(chǎn)品氣13億標(biāo)方，并副產(chǎn)焦油5.4萬噸、 石腦油1.9萬噸、粗酚2.0萬噸、硫磺4.5萬噸、硫胺2.3萬噸。而在煤制天然氣方面較為突出的商業(yè)典范企業(yè)當(dāng)屬美國大平原氣化廠，它是 世界上第一座高熱值煤氣的大型商業(yè)化企業(yè)。該一期工程配備14臺魯奇氣化爐 （2臺備用），涉及的設(shè)備共計(jì)2800臺，年產(chǎn)10億標(biāo)方的合成天然氣，緊鄰的 Basin發(fā)電廠為全廠提供電力。大平原企業(yè)的褐煤進(jìn)料量為465萬噸，外購電量 5000萬千瓦時（煤發(fā)電效率為34%），產(chǎn)品設(shè)計(jì)值為合成

6、天然氣10億標(biāo)方，氨 3.4萬噸，硫3.1萬噸，焦油和油20.3萬噸，酚類3.1萬噸，石腦油1.7萬噸等。 大平原項(xiàng)目采用了全廠熱集成和熱聯(lián)合，蒸汽系統(tǒng)的梯級利用，低溫余熱的回收 等節(jié)能措施，使該項(xiàng)目的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到53.16%。按照企業(yè)能量網(wǎng)絡(luò)圖編制方法GB/T 16616以及石油化工設(shè)計(jì)能量消耗計(jì) 算方法，繪制該企業(yè)和美國大平原的能源網(wǎng)絡(luò)圖。犬贈：時7S蜘 S .(I14,173.6.17.9*112 27JJI EJft 輸送號隹峻律使職湖_!_%脈蟲2加12.74 外送熱水時4A12zl庖 1.5 rf =r：w _I !SjKft8.nifcl.56li- rt它割統(tǒng)&7 013案

7、例分析.必弋己冒會用匚程劇統(tǒng)-能撕土卜靠境.財(cái)& H3.1供入能源上述兩個案例中，某煤制天然氣企業(yè)能源供應(yīng)均為原料煤、燃料煤及甲醇， 而大平原能源供應(yīng)為原料煤、電、汽油、柴油、石腦油、酚。其中除了原料煤、 燃料煤為一次能源，而其余均為二次能源，由于能源種類較多，需要規(guī)定一個標(biāo) 準(zhǔn)值（如標(biāo)準(zhǔn)煤或標(biāo)準(zhǔn)油），便于各能源的加和與計(jì)算。經(jīng)過折標(biāo)計(jì)算，該企業(yè) 供入的能源等價值總量為421.07萬噸標(biāo)煤/年，當(dāng)量值為421.07萬噸標(biāo)煤/年， 而大平原供入的能源等價值總量為271.87萬噸標(biāo)煤/年，當(dāng)量值為270.67萬噸標(biāo) 煤/年。3.2購入儲存對于購入儲存環(huán)節(jié)，僅僅涉及原料的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)等損失，由于科學(xué)技

8、術(shù)的更 新?lián)Q代，我國科研人員研制出的煤揚(yáng)塵新型覆蓋劑及噴灑技術(shù)，可大幅度減少煤 在運(yùn)輸中的損耗和污染問題，所以此環(huán)節(jié)的能源損失率很低，對于該企業(yè)，該環(huán) 節(jié)的損失率幾乎為0.08%；而對于大平原，也僅僅占到總能量的0.17%。3.3加工轉(zhuǎn)換煤制天然氣企業(yè)通常有加工轉(zhuǎn)換裝置，比如熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、變壓站、空壓站 等。該企業(yè)因煤、電、化一體化，故有一座汽電聯(lián)產(chǎn)裝置，而對于大平原，雖然 外購電力，但也配有汽電聯(lián)產(chǎn)裝置供內(nèi)部設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)施使用。褐煤先在工廠周 圍的采煤區(qū)進(jìn)行預(yù)破碎處理，然后在儲存區(qū)再次破碎，通過煤炭高效篩分技術(shù)， 把粒徑較大的碳粒用于生產(chǎn)煤氣，而粒徑較小的則送至鍋爐作為燃料煤燃燒產(chǎn)生 超高壓

9、蒸汽，由于鍋爐熱效率普遍較高，傳統(tǒng)鍋爐的熱效率一般在87%91%， 而該企業(yè)在燃煤汽電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中采用先進(jìn)的鍋爐技術(shù)，充分回收煙氣的顯熱使鍋 爐煙氣溫度盡可能的降低，并且將其它過程產(chǎn)生的高溫凝結(jié)水回收至鍋爐，使鍋 爐熱效率高達(dá)94%以上。然后利用鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽推動背壓式汽輪機(jī)做功發(fā) 電，同時產(chǎn)生低等級壓力蒸汽，根據(jù)裝置和用戶的需求采用不同梯度的蒸汽，提 高了能量轉(zhuǎn)換效率。所以針對加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了能源的高效轉(zhuǎn)化，其能量轉(zhuǎn)換 效率為86.57%，而大平原的轉(zhuǎn)換效率只有68.72%。3.4 輸送分配該環(huán)節(jié)主要包括電力、蒸汽、燃料氣等的輸送分配，由于煤制天然氣企業(yè)占 地面積較大，生產(chǎn)工藝流程較長，

10、各裝置之間距離相隔較遠(yuǎn)，能量輸送勢必造成 能量損失。電力損失主要表現(xiàn)在變壓器轉(zhuǎn)高壓送電的損失、線路過程中的損失以 及降壓進(jìn)用戶的損失。而蒸汽損失則主要表現(xiàn)在保溫材料性能弱、厚度薄、防潮 能力差，采氣點(diǎn)、排凝點(diǎn)多，疏水器易出故障，凝液回收困難等。另外輸送環(huán)節(jié) 還包括低溫?zé)崴哪芰繐p失，主要體現(xiàn)在保溫材料性價比差，熱水系統(tǒng)不集中等 方面。針對該企業(yè)，輸送過程中，電力損失為2.77%，蒸汽損失為3.97%，熱水 損失為9.60%，能源利用效率為96.11%；而對于大平原，電力損失為4.43%，蒸 汽損失為6.18%，熱水損失為2.98%，能源利用效率為97.80%。通過計(jì)算可以看出，該企業(yè)的該環(huán)節(jié)的

11、能量損失并不是整個系統(tǒng)損失的主要 部分，但損失能量中，蒸汽和熱水損失占83.04%，而大平原的熱水蒸氣損失占 67.04%，由此蒸汽管網(wǎng)和熱水管網(wǎng)的保溫顯得尤為重要，需采取添加保溫套、回 收高溫凝結(jié)水、減少跑冒滴漏、定期對供熱系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡測試等措施，以便及 時發(fā)現(xiàn)和解決問題，降低能量損失。3.5最終使用最終使用環(huán)節(jié)牽涉到的終端用戶較為復(fù)雜，用能也較為繁瑣，是能源高效利 用最為關(guān)鍵的部分。為了化繁為簡，把該環(huán)節(jié)分為公用工程系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)4個單元，其中對于該企業(yè)，生產(chǎn)工藝單元占該環(huán)節(jié) 用能的86.83%，占整個系統(tǒng)總能量的80.47%，對于大平原，生產(chǎn)工藝單元占該

12、 環(huán)節(jié)用能的91.22%，占整個系統(tǒng)總能量的80.52%。能量消耗較大，牽涉的主要工藝有空分、煤氣化、耐硫轉(zhuǎn)換、低溫甲醇洗、 甲烷化、煤氣水分離、硫回收等，其中煤氣化裝置所采用的是第三代魯奇碎煤加 壓氣化技術(shù)，可使氣化過程中甲烷組分由原來的8%提高到12%，大大減小后續(xù) 單元的能耗，能量轉(zhuǎn)換效率高，能量損失主要表現(xiàn)在變換和甲烷化單元工藝物流 冷卻以及各設(shè)備管道的散熱等。對于該企業(yè)，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)能量損失合計(jì)為 100.77萬噸標(biāo)煤/年，為能量輸入總量的23.93%，該終端環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率為 52.03%；對于大平原項(xiàng)目，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)能量損失合計(jì)為67.01萬噸標(biāo)煤/年， 為能量輸入總量的24.

13、64%，該終端環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率為63.31%。二者能量轉(zhuǎn) 換效率的差異在于：大平原原料煤元素分析的含碳率為72.9% （干燥無灰基）， 出氣化爐的粗煤氣（干）中CO和H2的總含量占54.7%；而該企業(yè)原料煤元素分 析的含碳率為70.2%（干燥無灰基），出氣化爐的粗煤氣（干）中CO和H2的總 含量占50.4%。因此，最終導(dǎo)致大平原生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的氣化爐性能的關(guān)鍵指標(biāo)一 冷煤氣效率為81.27%，高于該企業(yè)的79.13%。另外，該企業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的中低壓蒸汽均被終端環(huán)節(jié)內(nèi)部消化，而大 平原中除內(nèi)部消化外，還有部分蒸汽作為終端環(huán)節(jié)的輸出產(chǎn)品進(jìn)入汽電聯(lián)產(chǎn)裝置 以減少燃料煤的消耗，提高了該環(huán)節(jié)的能量

14、轉(zhuǎn)換效率。同時對于低溫?zé)嵩吹睦茫?該企業(yè)以氨為冷介質(zhì)，采用壓縮制冷的方式，通過中高壓蒸汽驅(qū)動壓縮機(jī)為低溫 甲醇洗提供冷源，耗費(fèi)了不必要的中高壓蒸汽。而大平原項(xiàng)目采用混合制冷方式， 利用系統(tǒng)中富余的低壓蒸汽和低位熱源為所需裝置提供冷量，節(jié)省了電耗和中高 壓蒸汽。綜上，大平原項(xiàng)目最終環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于該企業(yè)。根據(jù)圖2可見，該企業(yè)最終使用環(huán)節(jié)的輸出能量為202.97萬噸標(biāo)煤/年，其 中天然氣的產(chǎn)量為183.78萬噸標(biāo)煤/年，供入的能源總量等價值為421.08萬噸標(biāo) 煤/年，當(dāng)量值為421.08萬噸標(biāo)煤/年，所以該企業(yè)的能源利用效率為48.20%， 能量轉(zhuǎn)換效率也為48.20%；而根據(jù)圖3可見，

15、大平原最終使用環(huán)節(jié)的輸出能量 為143.89萬噸標(biāo)煤/年，其中天然氣的產(chǎn)量為143.25萬噸標(biāo)煤/年，供入的能源 總量等價值為271.87萬噸標(biāo)煤/年，當(dāng)量值為270.67萬噸標(biāo)煤/年，所以大平原 的能源利用率為52.93%，能量轉(zhuǎn)換效率為53.16%。結(jié)果表明，該企業(yè)整體能量轉(zhuǎn)換效率較大平原低。這表現(xiàn)在，一方面由于終 端環(huán)節(jié)中生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的用能效率為70.26%低于大平原的73.09%，而生產(chǎn)工藝 系統(tǒng)能耗比例最大導(dǎo)致其用能效率直接決定著全廠能量轉(zhuǎn)換效率的高低。另一方 面是能量利用過程中的熱損失和其它能量的排出與消耗。具體來說，對于生產(chǎn)工 藝系統(tǒng)主要體現(xiàn)在煙氣排放的熱損失、過程反應(yīng)所需的反應(yīng)

16、能和分離能、機(jī)械設(shè) 備的電力損失、管道設(shè)備的散熱損失以及物流換熱的損與空冷損失等；對于輔助 生產(chǎn)、公用工程及其它系統(tǒng)，由于其用能比例較小、結(jié)構(gòu)較簡單，其損失主要體 現(xiàn)在電力及蒸汽凝液的損失。因此，該企業(yè)仍需進(jìn)一步改善用能水平，優(yōu)化能源 結(jié)構(gòu)，降低能耗損失。4結(jié)語通過對煤制天然氣企業(yè)和大平原的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析，該企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換效率為 48.20%，而大平原示范項(xiàng)目對應(yīng)數(shù)據(jù)為53.16%。另外，從節(jié)能降耗方面分析， 該企業(yè)的輸送分配環(huán)節(jié)蒸汽和熱水能量損失占該環(huán)節(jié)總損失的83.04%，應(yīng)強(qiáng)化 保溫材料，采取保溫措施。而且最終環(huán)節(jié)中進(jìn)入輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)及 其它系統(tǒng)的能源損失較大，需要進(jìn)一步回收，應(yīng)采取相應(yīng)措施達(dá)到“熱盡其用”， 如對系統(tǒng)產(chǎn)生的凝結(jié)水實(shí)行閉路回收，將高溫凝結(jié)水和乏汽分離，前者直接進(jìn)入 鍋爐，后者進(jìn)行再處理用于再生產(chǎn)，避免了能源浪費(fèi)，同時也保障了系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn) 行。從蒸汽梯級利用的角度考慮，該企業(yè)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中煤氣化、變換和甲烷化單 元產(chǎn)生的高低壓蒸汽應(yīng)按照