煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目的節(jié)能降耗分析

彭 娜，李佐鵬，侯小鵬

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500）

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。而節(jié)能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐，是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化的重要舉措，是緩解能源供需矛盾的必然選擇，是培育高質(zhì)量發(fā)展新動(dòng)能的重要源泉。

能源消耗特別是化石能源消耗是我國二氧化碳排放最主要的來源。如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，必須堅(jiān)定不移地把節(jié)約能源資源放在首位，充分發(fā)揮節(jié)能的源頭把控作用，以較低峰值水平實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，推動(dòng)我國能效水平提升至世界一流乃至全球領(lǐng)先水平，形成有效的碳排放控制閥門。

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司（以下簡稱榆能化）是一家大型煤、氣、油綜合利用化工企業(yè)，建有2套年產(chǎn)180萬t的煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置，該裝置利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉(zhuǎn)化“氫多碳少”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“碳?xì)浠パa(bǔ)”和能源的綜合利用，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，挖掘了較多具有節(jié)能潛質(zhì)的項(xiàng)目，大幅降低了噸甲醇產(chǎn)品綜合能耗。本文探討了榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目在“雙碳”政策下的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和節(jié)能措施。

1 主要工藝及耗能設(shè)備分析

榆能化甲醇聯(lián)合裝置主要由煤氣化、凈化、天然氣轉(zhuǎn)化及甲醇合成等4部分組成[1]，以煤、天然氣和渣油催化熱裂解（DCC）富氫氣為原料，通過煤氣化和天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制備合成氣生產(chǎn)MTO級(jí)甲醇。其中煤氣化采用多元料漿加壓氣化技術(shù)，所生產(chǎn)的粗煤氣經(jīng)部分變換后，進(jìn)入凈化單元，經(jīng)過脫硫、脫碳，得到凈化煤基合成氣。凈化采用了低溫甲醇洗技術(shù)。天然氣經(jīng)過一段蒸汽轉(zhuǎn)化，生成含氫、一氧化碳和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣，與凈化煤基合成氣和DCC富氫氣混合得到甲醇合成氣，并經(jīng)甲醇合成、多效蒸發(fā)，生成MTO級(jí)甲醇產(chǎn)品。甲醇合成采用戴維低壓甲醇合成技術(shù)。甲醇裝置部分膜分離富氫氣通過變壓吸附（PSA）制取高純度氫氣作為副產(chǎn)品，并通過氫氣壓縮機(jī)加壓后送出界區(qū)。硫回收主要處理來自凈化單元和DCC裝置的酸性氣，回收硫磺作為副產(chǎn)品。

甲醇聯(lián)合裝置主要的耗能設(shè)備有高壓煤漿泵、氣化爐、洗滌塔、脫鹽水加熱器、磨煤機(jī)、低壓及真空閃蒸器、廢熱鍋爐、變換爐、除氧器、甲醇洗滌塔、熱再生塔、甲醇水分離塔、二氧化碳洗滌塔、尾氣洗滌塔、為低溫甲醇洗提供冷量的丙烯壓縮機(jī)、預(yù)轉(zhuǎn)化爐、轉(zhuǎn)化爐、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、高壓鍋爐給水泵、甲醇合成塔、煤基合成氣壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、循環(huán)壓縮機(jī)以及所有機(jī)泵[2]。

因?yàn)檎麄€(gè)工藝過程溫度、壓力的變化環(huán)節(jié)較多，導(dǎo)致能源的消耗與損失較大，所消耗的能源產(chǎn)品包括原煤、氧氣、天然氣、中低壓鍋爐水、脫鹽水、生產(chǎn)水、S1蒸汽（9.8 MPa、535℃）、S2蒸汽（4.0 MPa、435℃）、電等。

2 榆能化甲醇項(xiàng)目能耗情況

依據(jù)2021年國家發(fā)改委等部門發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平》煙煤制甲醇標(biāo)桿值1 400 kgce/t及GB 29436.2—2015《甲醇單位產(chǎn)品能源消耗限額》天然氣制甲醇標(biāo)桿值1 150 kgce/t，按照榆能化甲醇項(xiàng)目裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷比例（煤制甲醇40%，天然氣制甲醇60%）折算，裝置綜合能耗標(biāo)桿值應(yīng)為1 250 kgce/t。

榆能化甲醇聯(lián)合裝置能耗值見表1。該項(xiàng)目采用煤和油田氣為原料生產(chǎn)甲醇，甲醇聯(lián)合裝置1線單位甲醇能耗值連續(xù)3年（2019年、2020年、2021年）分別為1 226 kgce/t、1 221 kgce/t、1 205 kgce/t，持續(xù)降低，已達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平；2020年底甲醇聯(lián)合裝置2線開車成功，2021年全年單位甲醇能耗值為1 184 kgce/t，兩期裝置能耗值均介于天然氣制甲醇企業(yè)單位能耗標(biāo)桿值（1 150 kgce/t）和煤制甲醇企業(yè)單位能耗先進(jìn)值（1 700 kgce/t）之間，且低于按比例折算的單位能耗標(biāo)桿值（1 250 kgce/t）。

表1 榆能化甲醇聯(lián)合裝置能耗值

3 榆能化甲醇項(xiàng)目降低能耗的相關(guān)措施

3.1 榆能化甲醇項(xiàng)目節(jié)能優(yōu)勢(shì)

榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉(zhuǎn)化“氫多碳少”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“碳?xì)浠パa(bǔ)”和能源的綜合利用，有效提高了碳元素的回收利用率，大幅降低了CO2排放量，同時(shí)也降低了單位產(chǎn)品能耗。

3.2 榆能化甲醇項(xiàng)目節(jié)能措施

3.2.1 完善企業(yè)能源管理機(jī)制

為了提高企業(yè)的能源管理效果，必須重視企業(yè)管理模式，要健全生產(chǎn)過程中的節(jié)能環(huán)保管理機(jī)制。榆能化主要采取以下措施：第一，建立全面的企業(yè)能源管理系統(tǒng)以及管理網(wǎng)絡(luò)，將管理網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到各個(gè)生產(chǎn)中心的分管領(lǐng)導(dǎo)以及車間的能源管理專職員身上，確保能夠充分發(fā)揮生產(chǎn)過程中的基層監(jiān)管人員的作用，從而形成全員齊抓共管節(jié)能降耗工作的格局。第二，為了提高企業(yè)的節(jié)能降耗效果，建立節(jié)能工作小組，對(duì)各生產(chǎn)車間的節(jié)能降耗工作進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督和管理；定期召開節(jié)能降耗交流會(huì)議，對(duì)生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗工作進(jìn)行分析和總結(jié)，吸取其中存在的失敗經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)制定科學(xué)有效的措施，解決節(jié)能降耗過程中的問題。第三，建立健全能源消耗臺(tái)賬及能源計(jì)量器具臺(tái)賬，定期對(duì)能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，尋找突破口，調(diào)整生產(chǎn)運(yùn)行，確保工藝操作最優(yōu)化，并定期對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第四，建立考核管理機(jī)制，針對(duì)不同車間制定能源消耗定額指標(biāo)，明確管理職責(zé)，劃分區(qū)域，對(duì)水、電、氣、風(fēng)浪費(fèi)現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管，并嚴(yán)格控制“三廢”排放，確保節(jié)能目標(biāo)落到實(shí)處。

3.2.2 優(yōu)化操作，節(jié)能減排，增產(chǎn)增效

為了提高企業(yè)的節(jié)能降耗效果，榆能化甲醇項(xiàng)目根據(jù)生產(chǎn)過程中所使用的生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)工藝情況，在不違背操作規(guī)程的前提下，對(duì)耗蒸汽、耗電、耗水、耗燃料的工藝、設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。因榆能化目前建成并投產(chǎn)運(yùn)行的有兩期甲醇項(xiàng)目，對(duì)部分介質(zhì)進(jìn)行了互聯(lián)互通改造。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中充分發(fā)揮一、二期裝置大系統(tǒng)互聯(lián)互通優(yōu)勢(shì)，對(duì)原料天然氣、DCC干氣、DCC富氫氣等進(jìn)行內(nèi)部平衡，優(yōu)化運(yùn)行工況，提高裝置運(yùn)行效率和甲醇產(chǎn)量，特別是在氣化裝置低負(fù)荷運(yùn)行、倒?fàn)t或者故障停車時(shí)，系統(tǒng)氫氣富裕，經(jīng)過合理分配可有效減少DCC富氫氣放空，提高氫氣利用率，增加甲醇產(chǎn)量；也可在部分設(shè)備檢修過程中發(fā)揮互聯(lián)互通優(yōu)勢(shì)，在不停車的工況下完成檢修工作，大幅降低有效氣或者有效資源的排放，避免造成能源浪費(fèi)，影響產(chǎn)量。

3.2.3 技術(shù)改造，解決運(yùn)行難題，提高運(yùn)行效率

榆能化甲醇項(xiàng)目自2015年8月由試生產(chǎn)轉(zhuǎn)入正式運(yùn)行以來，面對(duì)多種運(yùn)行困難：一是氣化爐燒嘴霧化效果差，導(dǎo)致煤漿燃燒效果變差，有效氣產(chǎn)量變低，粗、細(xì)渣中殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高（粗渣35%，細(xì)渣60%），同時(shí)煤漿量高于設(shè)計(jì)值，致使燒嘴磨損加劇，使用壽命縮短；二是長期以來轉(zhuǎn)化裝置一直存在煙氣溫度較高、引風(fēng)機(jī)振動(dòng)偏高（水平振動(dòng)7 mm/s）等問題，制約轉(zhuǎn)化裝置負(fù)荷；三是合成裝置精餾頂部不凝氣分離罐氣相出口設(shè)計(jì)流量為2 819 m3/h，排放至火炬，實(shí)際運(yùn)行氣相流量約3 500 m3/h，甲醇體積分?jǐn)?shù)約13%，導(dǎo)致甲醇損失較多；四是進(jìn)入夏季以后，循環(huán)水溫度升高，最高達(dá)到31℃，合成粗甲醇分離器入口溫度達(dá)到45℃、穩(wěn)定塔塔頂冷凝液溫度達(dá)到55℃，造成合成系統(tǒng)反應(yīng)效率下降，甲醇聯(lián)合裝置運(yùn)行效率持續(xù)下降，甲醇產(chǎn)量降低。

榆能化甲醇項(xiàng)目通過以下技術(shù)改造及工藝優(yōu)化，來解決運(yùn)行困難，探索節(jié)能降耗路徑：一是針對(duì)氣化爐燒嘴霧化效果差的問題，依據(jù)氣化裝置燒嘴使用情況對(duì)燒嘴尺寸進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，穩(wěn)定煤漿濃度，提高煤基合成氣產(chǎn)量；二是針對(duì)轉(zhuǎn)化裝置負(fù)荷受限問題，通過對(duì)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段改造，在原料天然氣預(yù)熱器之后增加換熱模塊（第三預(yù)轉(zhuǎn)化進(jìn)料加熱器和燃料氣預(yù)熱器），同時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)化裝置引風(fēng)機(jī)振動(dòng)高的問題，通過技改增加煙氣噴淋降低煙氣溫度和加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控等措施，進(jìn)一步降低引風(fēng)機(jī)振動(dòng)，提升轉(zhuǎn)化裝置負(fù)荷；三是針對(duì)夏季循環(huán)水溫度升高的問題，采取在氣化倒?fàn)t時(shí)對(duì)合成部分水冷器（合成氣壓縮機(jī)透平冷凝器、穩(wěn)定塔回流冷卻器等換熱器）進(jìn)行反沖洗、增加合成系統(tǒng)除蠟頻率、投用降溫噴淋等措施，確保裝置夏季高負(fù)荷運(yùn)行；四是針對(duì)精餾不凝氣排放至火炬，造成甲醇浪費(fèi)問題，在精餾頂部不凝氣分離罐后設(shè)計(jì)洗滌裝置，將排放至火炬的精餾不凝氣中的甲醇回收，此舉同時(shí)還可降低富氫火炬凝液量，減少環(huán)境污染，增加甲醇產(chǎn)量；五是充分發(fā)揮氫碳互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，降低二氧化碳排放，經(jīng)過測(cè)算，榆能化甲醇項(xiàng)目生產(chǎn)1 t甲醇約排放CO20.92 t，而單純采用煤炭生產(chǎn)甲醇的同規(guī)模裝置，其噸甲醇CO2排放量為2.61 t，此項(xiàng)目（兩期產(chǎn)能共計(jì)372萬t/a）較同規(guī)模煤制甲醇裝置減排CO2約628萬t/a，減排幅度達(dá)65%。3.2.4 余熱回收，綜合利用能源

煤化工工廠的余熱較多，在滿足工藝和裝置要求的前提下，減少能源浪費(fèi)的同時(shí)，可將余熱進(jìn)行回收利用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。榆能化甲醇項(xiàng)目通過實(shí)施甲烷轉(zhuǎn)化裝置S4蒸汽（1.0 MPa、250℃）回收項(xiàng)目、合成裝置富產(chǎn)S3蒸汽（1.9 MPa、245℃）余熱發(fā)電項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目來提高余熱利用效率，降低能耗。S4蒸汽回收項(xiàng)目于2021年4月實(shí)施，平均每小時(shí)可回收蒸汽8.457 t，年節(jié)約標(biāo)煤約5 400.8 t；S3蒸汽余熱發(fā)電項(xiàng)目于2020年11月建成，目前已累計(jì)發(fā)電11 425.96萬kWh。榆能化將進(jìn)一步挖掘低溫余熱綜合利用項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，比如通過轉(zhuǎn)化氣余熱加熱變換裝置脫鹽水來實(shí)現(xiàn)節(jié)約蒸汽，降低除氧槽蒸汽用量，初步估算，此項(xiàng)目可節(jié)約0.5 MPa蒸汽22 t/h，折合標(biāo)煤約

16 594 t/a。

3.2.5 科技創(chuàng)新，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步

為不斷提升企業(yè)競爭力，克服目前煤漿濃度低、碳轉(zhuǎn)化率低、能源浪費(fèi)等問題，榆能化通過設(shè)立氣化水煤漿提濃、氣化爐渣綜合利用等示范項(xiàng)目來提高轉(zhuǎn)化效率、促進(jìn)節(jié)能減排、降低環(huán)境影響，探索煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化的發(fā)展途徑。氣化水煤漿提濃項(xiàng)目采用西北化工研究院高濃度料漿制備技術(shù)，新增水煤漿提濃系統(tǒng)部分與原棒磨機(jī)制漿系統(tǒng)配合制漿，可使煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在原濃度基礎(chǔ)上提高3個(gè)百分點(diǎn)以上。經(jīng)預(yù)測(cè)，氣化裝置干煤消耗降低2.52 t/h，預(yù)計(jì)年節(jié)約標(biāo)煤1.77萬t，此項(xiàng)目計(jì)劃2022年9月建成投入運(yùn)行；氣化爐渣綜合利用項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年可回收粗、細(xì)渣中含水分35%、熱值0.571 4 t ce/t的動(dòng)力煤21萬t（渣產(chǎn)量70萬t/a，回收率按照30%計(jì)算），折標(biāo)煤12萬t。

4 結(jié) 語

榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目單位產(chǎn)品能耗值已達(dá)國內(nèi)先進(jìn)水平，但在“雙碳”政策的驅(qū)動(dòng)下，仍需不斷探索新的節(jié)能降碳路徑，降低能耗值，提高生產(chǎn)過程中能源的綜合利用率。下一步，榆能化將根據(jù)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南（2022年版）》相關(guān)要求，持續(xù)優(yōu)化操作、技術(shù)改造、挖掘利用余熱余壓、淘汰高能耗落后設(shè)備，保證企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。