收稿日期:2002212204
作者简介：王　英(1963-)，男，陕西榆林人，陕西榆林天然气化工有限公司副总工程师，工程师，从事化工控制及工艺。
电话:(0912)3385634转2101,E 2mail :Jpdu @263
天然气制甲醇的能耗分析
王　英，任世宣，王淑梅
(陕西榆林天然气化工有限公司，陕西榆林719000)
摘　要：从每吨甲醇的燃烧热、生成1t 甲醇所需原料气的燃烧热以及依碳平衡关系所确定的天然气燃烧热三个层次探讨了天然气制甲醇的理论能耗极限；分析了实际生产过程难以避免的碳损失所造成的能耗增加因素，从而发现：天然气制甲醇的能耗很难再有大幅度的下降，甲醇市场的竞争将进入资源竞争(天然气价格)的格局。
关键词：天然气；甲醇；能耗
中图分类号6231411  文献标识码:B  　文章编号:1671-3206(2003)03-0057-03
  以天然气为原料生产甲醇，无论在投资、能耗还是成本上是目前公认的最佳生产路线，其产量已占到全球甲醇产量的90%左右。现代大型天然气制甲醇装置的能耗几乎100%地取决于天然气的消耗，这是因为大型装置的压缩机、泵是由蒸气透平驱动的，蒸气则来自系统的余热。因此，天然气制甲醇装置的能耗主要反映在天然气的消耗。
1　天然气制甲醇的理论能耗分析
1.1　从1t 甲醇的燃烧热来分析能耗
已知甲醇的摩尔燃烧热为726.55kJ ,1t 甲醇相当1000×1000/32.04mol 甲醇，则:
1t 甲醇的高位热值=726.55kJ /mol ×1000×1000/32.04mol =22.676G J ;
1t 甲醇的低位热值=22.676×109J -1000×1000/32.04mol ×2×44.014kJ /mol =19.93G J ;
从计算结果看生产1t 甲醇其能耗不可能低于产品所具有的能量，即19.93G J 。
1.2　从生产1t 甲醇所需原料气的燃烧热来分析
能耗
1.2.1　粗甲醇中的水含量确定　假若粗甲醇中的
水完全是由CO 2还原成CO 形成的，粗甲醇中的杂醇量忽略不计，根据推导粗甲醇中的水含量w 可由
下式确定:
w =
1
1+汽车烧甲醇
32104α
181016
Z CO 2Z CO +Z CO 2
-
Y CO 2Y CO +Y CO 2
・
(1-α)式中　
α为碳的转化率，定义为单位时间内产出的甲醇的摩尔数与原料气中CO +CO 2的摩尔数之比;
Z CO 、Z CO 2为原料气中CO 、CO 2的含量;Y CO 、Y CO 2为弛放气中CO 、CO 2的含量。
从上式可知，原料气中不含CO 2时粗甲醇中的
水含量为零；原料气中不含CO 时(完全由CO 2合成甲醇)粗甲醇中的水含量为36%。不管采用何种合成气，粗甲醇中的水含量必然在0～36%之间。1.2.2　生产1t 甲醇所需的原料气量　根据水含
量w 可以推导出，每生产1t 精甲醇同时生成水1000w /(1-w )kg ，也即:
1000w
181016(1-w )
kmol ;
根据CO 2+H 2=CO +H 2O 可知反应的CO 2量与生成水的量相同，即:
生产1t 精甲醇需CO 2=
1000w
181016(1-w )
kmol ;
根据CO +2H 2=CH 3OH 可知生产1t 精甲醇需C =1000/32.04kmol ，则:
第32卷第3期
2003年6月
应　用　化　工
Applied Chemical Industry
Vol.32No.2J une 2003
生产1t精甲醇需:
CO=1000
32.04
-
1000w
181016(1-w)
kmol;
根据CO2+3H2=CH3OH+H2O及CO+2H2 =CH3OH反应关系可知:
生产1t精甲醇需:
H2=2000
32104
+
1000w
181016(1-w)
kmol;
1.2.3　生产1t甲醇所需原料气的燃烧热值　已知氢气的燃烧热为285.84kJ/mol,CO为282.99 kJ/mol，水的汽化潜热为44.014kJ/mol，则
生产1t精甲醇所需气体的高位热值为:
2000 32104+
1000w
181016(1-w)
×285184×103
+1000
32104
-
1000w
181016(1-w)
×282199×103kJ
=26.675×10
6+0.1582×106w(1-w)kJ
生产1t精甲醇所需气体的低位热值(用Q表示):
Q=26.675×106+0.1582×106w(1-w)
-2000
32104
+
1000w
181016(1-w)
×44.014×103kJ
=23.928×106-21285×106w/(1-w)kJ
当　w=0时,Q=23.928G J;
w=36%时,Q=22.643G J。
从以上计算结果可以得出：每生产1t甲醇其能耗不会低于22.643G J;
1.3　现代甲醇工艺的理论能耗分析
天然气制甲醇的能耗主要反映在天然气的消耗，降低原料天然气的消耗已很有限(因为现代工艺都能把甲烷的转化率控制的很高)，因此低的燃料消耗是衡量工艺先进性的重要标志。本文以自热式催化部分氧化制气工艺(见图1)为例来分析其理论能耗极限。
脱硫后的天然气与蒸气混合后经过热器进入预转化炉(并非通常的管式转化炉)而后进入自热式转化炉，同时氧气也进入自热式转化炉中。在转化炉中其化学反应可用下列反应式表达:
CH4+O2→CO+H2+H2O+321.52kJ(1)
CH4+2H2O→CO2+4H2-253.01kJ(2)
CH4
+H2O→CO+3H2-250.16kJ(3)设(1)、(2)、(3)式参与反应的甲烷量分别为X、Y、Z摩尔，要使制得的原料气中(H2-CO2)/ (CO+CO2)=2，则必然满足X=Y+Z关系，由反应热不难看出上述综合反应是一个放热反应过程。
1.脱硫槽
2.加热炉
3.预转化炉
4.自热转化炉
5.高压锅炉
6.工艺水锅炉
7.蒸馏系统
图1　催化自热转化工艺流程图
假若反应放出的热能不仅能满足装置的动力需求(由蒸气带动透平压缩机)，还能满足原料脱硫以及物料
进入自热式转化炉的温度要求，理论上讲该工艺不需要外供热量(不需要燃料气)，那么这种工艺的理论能耗就取决于原料天然气的消耗。每吨甲醇折合1000×1000/32.04mol甲醇，也即含有1000×1000/32.04mol的碳，折合体积为700Nm3。如果原料天然气是完全由甲烷组成(或原料天然气的总碳为100)，那么含碳700Nm3的原料气从理论上讲就可制得1t甲醇。因此，含碳700Nm3的原料气的低位热值就是该种工艺的理论能耗极限。700 Nm3天然气其低位热值为:
700×1000/22.414×890.36kJ-700×1000/ 22.414×2×44.014kJ=25.057G J
这一数值基本反映了天然气制甲醇工艺的理论能耗极限。
补碳似乎能降低天然气的消耗，其实不然，实际上该工艺制得的合成气其(H2-CO2)/(CO+CO2) <2，不可能在此系统中补碳。如果原料天然气中高级烃类形成总碳大于100，虽然生产1t甲醇用不了700Nm3天然气，但其热值却与700Nm3天然气的热值非常接近。
2　实际生产过程的碳损失分析
通过以上分析，天然气制甲醇工艺的能耗不可
85应用化工第32卷
能低于25.057G J ，这是在假定系统不消耗燃料气并依据甲醇与原料天然气中碳平衡关系得出的结论。事实上，生产过程中不可避免地存在碳的损失，这就会使实际的能耗高于25.057G J 。以下是对实际生产过程中不可避免的碳损失分析。211　原料天然气难以做到100%的转化
虽然现代天然气制甲醇工艺能把甲烷的转化率控制的很高，但还不能做到完全转化，这是因为操作过程要留有一定的安全余量保证转化气不过氧、转化炉安全运行。
212　驰放气不可能做到零排放
由于原料天然气难以做到完全转化，必然会有驰放气产生。原料天然气如有惰性气，也必然产生驰放气。氢碳比的失衡也会产生驰放气。213　粗甲醇中的甲醇不可能完全馏出
精馏过程必然要有甲醇损失，有甲醇损失就意味着有碳损失。
214　粗甲醇中必然会有CO 、CO 2的溶解损失
  粗甲醇溶解的CO 、CO 2会以闪蒸气的形式损失掉。
另外，粗甲醇中难免有少量杂醇生成，转化气中的CO 、CO 2也会以极少量的形式随蒸汽冷凝液损失。这些因素都会造成碳的损失。
3　结束语
传统的大型天然气制甲醇装置(ICI 公司一段
转化、低压合成)能耗为31.4G J ，鲁奇低压法为31.1G J ；海尔德・托普索(Haldor Topsoe )二段转化、
低压合成技术，其能耗为29.3G J ，鲁奇(Lurgi )联合转化、低压合成技术，其能耗为29G J 。不管是自热式催化部分氧化工艺还是纯氧换热转化工艺，实际装置都还是程度不等地需要燃料气，综合上述分析,29G J 的能耗近乎是天然气制甲醇的实际生产极限值，能耗在此基础上很难再有大幅度的下降；就能耗而言，天然气制甲醇已进入成熟期，甲醇市场的竞争将形成资源竞争(天然气价格)的格局。参考文献:
[1]　王琼玖1合成氨与碳一化学[M ]1成都：四川科学技术
出版社,20001
[2]　房鼎业1甲醇生产技术及进展[M ]1上海：华东化工学
院出版社,19901
[3]　化学工业出版社1化工生产流程图集[M ]1北京：化学
工业出版社,19971
[4]　马兵1甲醇装置的现代化概念[J ]1甲醛与甲醇,
1999,98(3):262291
Analysis of energy consumption for m anufacturing
methanol from natural gas
W A N G Yi ng ,R EN S hi 2x uan ,W A N G S hu 2mei
(Shaanxi Yulin Natural G as Chemical Co.,Ltd.,Yulin 719000,China )
Abstract :The limit of theoretic energy consumption for manufacturing MeOH from natural gas (N G )is discussed base on the combustion heat of every ton MeOH ,the combustion heat of raw materials gas necessitated to form 1t MeOH ,and the combustion heat of N G calculated from carbon balance.The factors are analysised that the en 2ergy consumption will be increased result from carbon loss which is can not avoided in the practical production.It is found that greatly decreasing the energy consumption for manufacturing MeOH from N G would be very diffi 2cult.The competition of MeOH market will come
to the resource competition (i.epetition of N G price ).K ey w ords :natural gas ;methanol ;energy consumption
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5第3期王　英等：天然气制甲醇的能耗分析