以煤为主的能源结构造成了严重的环境污染,为了改善能源结构,缓解环境压力,国内加快了开发国内天然气资源和引进海外LNG的步伐,促进了城市煤气由油制煤气向天然气转换。由于天然气转换尚需要一段较长的周期,因此,目前国内大多数城市都考虑采用天然气重整工艺生产城市煤气。本论文以天然气水蒸汽重整过程为背景,应用热力学和动力学理论,以及最新的能量综合优化技术,对传统天然气重整工艺进行了用能分析,指出其高能耗和高物耗的原因,提出用能优化改进的措施和方法,通过减少转换过程耗能能够有效降低煤气的制气的生产成本,对拓展国内天然气产业的发展空间有一定指导意义。 论文以天然气重整工艺的节能降耗为目的展开研究,从反应热力学角度出发,对重整主、副反应机理进行分析,从源头上揭示了工艺高能耗的内在原因。指出反应吸热量大、积碳反应的发生是导致重整工艺高能耗的主要原因。提出减少加热天然气用量、降低水碳比(H2O/CH4,摩尔比)是降低重整工艺总用能的重要措施；适当提高H2O/CH4、选择合适的催化剂,是消除积碳的有效方法。 通过对天然气重整工艺存在高能耗、高物耗问题的分析,提出了两个方面的工艺优化策略。针对天然气重整工艺高温的特点,指出选择多孔圆柱、多孔球形、车轮形等异形催化剂、采用碱性或弱酸性载体的催化剂,以及添加稀土氧化物的催化剂可以较好地抑制积碳反应,降低工艺过程物耗。从系统全局角度研究天然气重整工艺的能量优化问题,并运用过程系统“三环节”模型对重整工艺过程进行了能量分析,揭示天然气重整工艺三个环节用能协同与制约关系。 最后,本文以某煤气企业的常压天然气间歇式水蒸汽重整工艺(CCR工艺)为例,对工艺流程进行了能量分析和火用分析,指出了用能过程中火用损耗过大和火用效率过低的工艺单元或过程,并提出了多种改进方法和策略,对提高CCR工艺制气效率、降低生产过程能耗、物耗都有着非常重要的理论和现实意义。