天然气是一种重要的清洁能源和化工原料,发展煤制天然气产业对缓解我国天然气供需矛盾具有重要作用。经过多年的发展和工程示范,煤制天然气项目已经成为我国天然气供应的一条重要来源。煤制天然气过程工艺流程长,全厂能量系统复杂,现有煤制天然气项目能量回收系统设计相对独立,从全局视角来看,尚未做到能量的“梯级利用”。煤制天然气过程能量系统配置仍存在不合理之处,全厂能量利用效率仍有提高空间。研究和解决能量系统瓶颈问题,将对我国煤制天然气项目进一步升级示范和行业的可持续发展起到积极的作用。本研究建立了煤制天然气过程各子系统基础模型,包括工艺系统与公用工程系统,并利用工业数据对模型参数进行校核。在模型准确可靠的基础上,对煤制天然气全流程进行模拟计算,得到全流程物料平衡和能量平衡数据。以此为基础,对典型煤制天然气过程技术经济性能进行了分析,弄清了现有工艺过程物质和能量利用的瓶颈问题。结果表明煤制天然气过程公用工程系统能源消耗和碳排放高:每生产一立方米合成天然气能源消耗为2.27kg标煤,其中公用工程系统燃料煤消耗占28.8%,平均单位产品碳排放为4.94kg,其中公用工程系统碳排放占42.4%。因此,通过能量系统集成优化,是实现煤制天然气项目的提质增效和过程的节能减排重要途径。全局夹点法是用于大型工业过程全局能量集成的一种图形化方法。该方法应用于石油化工等领域能量集成已取得了较好的效果。然而全局夹点法仅考虑了蒸汽的潜热,而忽视了锅炉给水预热和蒸汽过热的热量。这使得全局夹点法在应用于高温煤化工过程能量集成时,计算得到的全局回收的热量比理论上可以实现最大的热回收值存在明显高估,同时得到的公用工程结构无法满足工艺需求。我们提出了一种用于解决高温过程全局能量系统集成的考虑显热的全局夹点法,可应用于煤化工过程的能量集成。利用本文所提出的方法可以得到满足工艺过程需求的公用工程系统。因此,对于具有高温煤化工过程全局能量系统集成,本文所提出的考虑显热的全局夹点法在理论模型和工程实践两方面都具有价值。本研究旨在针对煤制天然气工业过程能量系统存在的瓶颈问题,提出相应的节能改造方案以实现全厂能量利用效率的提高。首先根据单元过程模拟数据,利用夹点技术对各单元过程的能量系统展开详细的用能分析,确定各单元能量系统特点。在此基础上利用本文所提出的考虑显热的全局夹点法,对现有煤制天然气全厂能量系统进行分析,确定全厂用能瓶颈以及实现能量系统改造的方向。提出从装置间热联合、低温热回收利用和蒸汽动力系统优化三个方面进行节能改造:通过将水煤气变换单元和甲烷化单元进行装置间热联合,可以实现过程?效率提高15.8%;构建了全厂低温有机朗肯循环发电系统,实现产电4.32MW;结合蒸汽产、用的变化对蒸汽动力系统进行相应改造,燃料煤节约14.3%。通过全厂能量系统集成,可以实现年收益1944万元,投资回收期为2.3年。