王亚龙，李永亭，翟勇
（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁835000）
［摘 要］伊犁新天煤化工有限责任公司20×108 m3/a煤制天然气装置主生产工艺为碎煤加压气化、宽温耐硫部分变换、林德低温甲醇洗、戴维甲烷化工艺等，装置中部分低位余热（介质）直接采用循环水冷却或排放处理而未得到有效利用。为此，对空分装置、气化系统及变换系统、煤气水分离系统、酚回收系统、低温甲醇洗系统、甲烷化系统、公用工程系统低位余热利用情况进行系统性梳理，得出满负荷生产时未回收利用的低位余热高达1 409.5 GJ/h，宜实施ORC低位余热发电技改（优选五氟丙烷作为有机工质），其发电功率可达39 153.4 kW，经济效益与环保效益俱佳。目前，ORC低位余热发电技改已列为新天煤化节能改造项目，其可行性研究报告已编制完成，计划择机分步实施。
［关键词］煤制天然气装置；循环水冷却器；低位余热品类；ORC低位余热发电；可行性分析；有机工质选择；经济效益
［中图分类号］TQ083+.4 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）06-0009-04
0 引 言
伊犁新天煤化工有限责任公司（简称新天煤化）20×108 m3/a煤制天然气装置于2017年3月投产，运行状况较好，2019年2月天然气产量已达设计值；主生产工艺为赛鼎工程碎煤加压气化（气化系统设计22台Φ4 000 mm鲁奇碎煤加压气化炉，日常生产中18台运行、2台备用、2台检修，气化炉设计操作压力3.3～4.0 MPa）、宽温耐硫部分变换、林德低温甲醇洗、戴维甲烷化工艺等，甲烷化系统产出的天然气（SNG）经三甘醇干燥、天然气压缩机提压至9.0 MPa左右后送入西气东输管网；并配套空分装置、粉煤锅炉、汽轮发电机组、水处理装置等公用系统及辅助生产系统。煤制天然气装置运行过程中，所涉及的气化、变换、甲烷化反应均为大量放热反应（设置有废锅副产蒸汽），大型压缩机做功过程中工艺介质温度会升高（设置有水冷器等），且部分汽提、精馏过程均会产生温度较高的工艺介质（设置有水冷器等），上述温度较高的工艺介质热量回收一般采用副产蒸汽、加热系统其他工艺介质等方式予以利用，但受工艺流程与能量回收方式的限制，部分低位余热（介质）直接采用循环水冷却或排放处理而未得到有效利用，导致整个生产系统能源利用效率较低，不仅增加了煤制天然气装置的生产成本，而且会间接导致碳排放量增加，不符合“双碳”战略背景下日益严格的碳减排要求[1]。基于新天煤化煤制天然气装置生产现状，系统梳理低位余热品类，并结合生产系统需求对低位余热利用方式及其可行性进行分析与探讨，初步明确了切实可行的低位余热利用方案。以下对有关情况作一介绍。
1 煤制天然气装置低位余热品类梳理
1.1 空分装置
新天煤化煤制天然气装置配置3套杭氧51 000 m3/h（标态，下同）空分装置（液氧内压缩流程，两开一备），负责向气化系统提供5.1 MPa高压氧气，并供应全厂中/低压氮气、仪表空气、装置空气等，设计负荷范围75%～105%，并配置有供气能力为9 000 m3/h的仪表空压站1套。空分装置空压机（四级压缩三级水冷却，由于入口空气温度及压缩比均较低，有三级出口空气温度均在100 ℃以下，余热回收利用难度较大）、增压机（三级压缩）用蒸汽透平驱动，由于增压机压缩比较大，气体在压缩过程中升温明显，而高温下压缩所需压缩功耗将会增大，为减少压缩功耗，增压机上一级出口气不直接进入下一级压缩，而是通过蜗室和出气管引至外置中间水冷却器降温后再进入下一级压缩。煤制天然气装置满负荷生产时，增压机一级、二级、三级实际出口气温度分别为127 ℃、127 ℃、166 ℃，流量分别为528 t/h、489 t/h、315 t/h，均采用循环冷却水进行冷却，低位热能未得到利用。
1.2 气化系统及变换系统
气化系统运行过程中，气柜的煤锁气先经煤锁气压缩机一级气缸压缩后进入一级出口水冷却器，后依次进入二级、三级、四级、五级气缸压缩并进入二级、三级、四级、五级出口水冷却器冷却，每级气缸出口气温度均在100 ℃以上，直接采用循环水冷却，导致低位热能未得到回收利用。煤制天然气装置满负荷生产时，气化系统及变换系统反应热增加，变换系统中间冷却器Ⅰ脱盐水（冷却介质）用量增加，造成其壳程出口热脱盐水（159 ℃）无法全部进入热电装置，约有500 t/h的热脱盐水需经循环水冷却器冷却后返回脱盐水管网，低位热能未得到利用；另外，变换系统中间冷却器Ⅱ壳程出口脱盐水温度为115 ℃，高于气化系统除氧站要求的进水温度95 ℃，在送至气化系统除氧站之前需再加入冷脱盐水进行冷却，其低位热能也未得到利用。
煤制天然气装置满负荷生产时，气化系统及变换系统低位热源包括煤锁气压缩机一级出口气（128 ℃、27 t/h）、煤锁气压缩机二级出口气（102 ℃、27 t/h）、煤锁气压缩机三级出口气（111 ℃、27 t/h）、煤锁气压缩机四级出口气（107 ℃、27 t/h）、煤锁气压缩机五级出口气（103 ℃、27 t/h）、变换系统中间冷却器Ⅰ出口热脱盐水（159 ℃、500 t/h）、变换系统中间冷却器Ⅱ出口热脱盐水（115 ℃、784 t/h）。
1.3 煤气水分离系统
煤气水分离系统原料煤气水有两路来源，第一路为气化炉出口送入的含尘煤气水与变换冷却系统送入的含焦油煤气水，第二路为变换冷却系统送入的含油煤气水与低温甲醇洗系统来的工艺冷凝液。其中，第一路气化炉出口含尘煤气水温度189～209 ℃、压力2.0～3.2 MPa，进入余热回收器管程，被壳程的低压锅炉（副产0.5 MPa饱和蒸汽送低压蒸汽管网）给水降温至160 ℃，余热回收器出口含尘煤气水与变换冷却系统来的含焦油煤气水（160 ℃）混合后进入煤气水换热器、含尘煤气水冷却器，依次用高压喷射煤气水、循环水冷却至150 ℃、70 ℃，然后进入含尘煤气水膨胀器。煤制天然气装置满负荷生产时，第一路含尘煤气水（1 200 t/h）由150 ℃降温至70 ℃的过程中采用循环水进行冷却，其低位热能未得到回收利用。
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