我国的石油与天然气对外依存度高,使我国一次能源长久以来以煤为主。丰富的煤炭资源使煤化工产业得到了快速的发展,一批商业化运行的新型煤化工项目落地建成。然而,煤和化工产品之间的氢碳原子不匹配导致了煤炭资源利用率低和碳冗余,使煤化工面临着高碳排放和高能耗问题。本文以典型的煤制甲醇过程为研究对象,调研了某煤化工厂的煤气化和煤焦化装置,发现将气化和焦化两个过程进行耦合可以实现煤炭的分级分质利用。在此基础上,对现有的耦合工艺进行进一步集成,以提升煤炭资源的利用率,降低碳排放。在对工艺分析的过程中发现,煤化工中的低温甲醇洗单元和合成气深冷分离单元均为低温高压的操作单元,存在着溶剂循环量大、冷剂用量大、能量利用不合理的问题,使其在整个工艺过程中的能耗占比高。以此为出发点,为了实现节能降耗的目标,对低温甲醇洗单元和深冷分离单元的节能工艺进行了研究探索,旨在降低低温甲醇洗单元吸收剂和深冷分离单元制冷剂的用量,最终降低低温单元的冷量消耗和能耗。本文在Aspen Plus和Aspen HYSYS中对流程进行了建模和模拟,利用技术经济分析方法,对提出的新工艺和原工艺流程进行对比分析,找出新流程的优势与不足,为低温单元的节能工艺设计和改造提供参考。本文首先对煤气化耦合煤焦化制甲醇工艺进行了分析,论证了工艺的合理性及其在二氧化碳减排方面的优势。针对于现有的煤焦化厂,考虑到焦化过程的焦炭产品利用率低,可将一部分焦炭作为产品输出,另一部分焦炭气化产生合成气,与现有的煤气化产生的合成气混合。焦化过程产生的粗焦炉气经净化后通过变压吸附实现甲烷和氢气的分离,得到纯度为99.9%的氢气。其中,甲烷与酸性气体脱除单元产生的CO2通过甲烷干重整反应转化为合成气。最后将焦炉气中分离得到的纯氢气、甲烷干重整合成气和洁净的气化合成气混合得到氢碳比为2.0左右的甲醇合成气,最终合成甲醇。耦合工艺将煤气化和煤焦化两个过程结合,一方面实现了焦炭的高值化利用,另一方面充分利用焦化过程产生的焦炉气,实现二氧化碳的减排。通过技术经济分析可以发现,与煤气化制甲醇工艺对比,耦合工艺显著地提高了煤炭资源的利用率并降低了二氧化碳的排放。碳元素利用率从37.3%提升到为51.6%,生产每吨甲醇的二氧化碳排放从2.04吨降低至1.78吨,减排14.6%。在经济方面,耦合工艺的内部收益率从15.3%提升至为22.5%,具有更高的经济效益。同时耦合工艺具有较大的柔性,能够根据产品的价格变化调整生产方案。在高碳税时代,耦合工艺将更为彰显其清洁低碳技术的经济优势。在对煤制甲醇流程分析过程中发现低温甲醇洗单元存在着能耗高,能量利用不合理的问题。本文进一步从换热网络改造和工艺改造两个方面对低温甲醇洗工艺的节能方案进行研究。首先,利用夹点法在保证现有换热物流不变的前提下对换热网络进行改造,改造后冷热公用工程量均降低了237 k W,使总的公用工程量的费用降低了1.5%左右,总的成本费用降低了30万元/年。其次,针对于其甲醇循环量和冷量消耗大的问题,本文进一步设计出了耦合二氧化碳液化分离的低温甲醇洗工艺,通过能量分析和技术经济对比分析论证了其节能降耗以及工业应用的可行性。研究结果表明新工艺中的吸收剂甲醇循环降低了46.5%,并且分离单位质量二氧化碳的能耗从389.1 MJ降低到204.3 MJ。在经济效益方面,新工艺使总投资和总生产成本分别减少了12.4%和8.7%,说明新工艺具有更大的经济优势。本文提出的换热网络改造方案和低温甲醇洗新工艺可以为低温甲醇洗工艺节能提供参考。为了解决深冷分离单元能耗高,能量利用不合理的问题,本文还提出了一种集成压缩余热驱动氨吸收制冷的和合成气深冷分离工艺。在压缩过程中会产生140℃～190℃的余热,这部分余热在传统的深冷分离工艺中通过冷却水移走而被浪费。本文将这部分余热作为氨吸收制冷循环的热源,通过氨吸收制冷可以产生-29.5℃的冷量,并将这部分冷量用于合成气和混合制冷剂的预冷。新工艺的热集成结果表明,氨吸收预冷循环可以为混合制冷剂制冷循环提供了16.9%的冷量,从而降低混合制冷剂制冷的能耗。集成氨吸收预冷循环后,混合制冷剂的消耗量从4700 kmol/h降低为5550 kmol/h,降低了15.3%。混合制冷剂流量的降低使压缩总的能耗降低了25.8%,从原有的27 MW降低到20 MW。（火用）分析表明,新工艺使总的（火用）损从25.8 MW降低到了19.14 MW,（火用）效率从50.9%提高到了54.5%,说明新工艺能够更加合理地利用能量,减少不可逆损失。在经济性能方面,新工艺的投资和总生产成本分别降低了10.8%和11.7%,说明集成了氨吸收预冷循环的深冷分离过程具有更大的经济优势。