摘　要：介紹國(guó)內(nèi)煤制天然氣發(fā)展現(xiàn)狀，從氣化工藝與甲烷化工藝的分類與特點(diǎn)兩方面對(duì)煤制天然氣技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：煤制天然氣；  氣化；  甲烷化

Analysis on Technology for Production of Syntetic Natural Gas from Coal

Abstract：The current development status for production of synthetic natural gas from coal in China is introduced．The current status of technology for production of synthetic natural gas from coal is discussed in terms of classification and characteristics of gasification and methanation processes．

Keywords：production of synthetic natural gas from coal；gasification；methanation

1　國(guó)內(nèi)煤制天然氣發(fā)展現(xiàn)狀

煤制天然氣技術(shù)整體上是成熟的，國(guó)內(nèi)除了大型化的甲烷合成技術(shù)正在進(jìn)行示范和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)之外，其他單個(gè)單元化技術(shù)如氣化、空分、變換、酸性氣體脫除等，國(guó)內(nèi)均早已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營(yíng)。與此同時(shí)，考慮我國(guó)的能源國(guó)情“富煤、貧油、少氣”，利用國(guó)內(nèi)相對(duì)豐富的煤炭資源，特別是劣質(zhì)煤炭資源，在條件合適的地區(qū)適度發(fā)展實(shí)施煤制天然氣項(xiàng)目，作為對(duì)我國(guó)天然氣供應(yīng)缺口的有效補(bǔ)充，同時(shí)也將有利于提升我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)口天然氣時(shí)的議價(jià)能力，這對(duì)我國(guó)的能源穩(wěn)定供應(yīng)無(wú)疑具有凸顯的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)家發(fā)展改革委、能源局組織公布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，規(guī)劃預(yù)計(jì)2015年國(guó)內(nèi)天然氣消耗量約為2300×10⁸m³，而2015年國(guó)產(chǎn)天然氣供應(yīng)能力只能達(dá)到1760×10⁸m³左右，缺口達(dá)540×10⁸m³?！短烊粴獍l(fā)展“十二五”規(guī)劃》明確煤制天然氣是“十二五”天然氣發(fā)展的重要組成部分。規(guī)劃至2015年，煤制天然氣供氣能力達(dá)到約(150～180)×10⁸m³ 。

目前國(guó)家核準(zhǔn)的煤制天然氣項(xiàng)目共有4個(gè)，產(chǎn)能共151×10⁸m³。分別為：①大唐國(guó)際克旗40×10⁸m³／a天然氣項(xiàng)目，該項(xiàng)目投資257.1×10⁸元，國(guó)家發(fā)改委2009年8月20日核準(zhǔn)，當(dāng)年8月30日正式開(kāi)工建設(shè)；②大唐國(guó)際阜新40×10⁸m³／a天然氣項(xiàng)目，該項(xiàng)目投資245.7×10⁸元，國(guó)家發(fā)改委2010年3月5日核準(zhǔn)，當(dāng)年3月29日正式開(kāi)工建設(shè)；③內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司鄂爾多斯16×10⁸m³／a天然氣項(xiàng)目，該項(xiàng)目投資88.7×10⁸元，國(guó)家發(fā)改委2009年12月核準(zhǔn)；④內(nèi)蒙古慶華集團(tuán)有限公司新疆伊寧55×10⁸m³／a天然氣項(xiàng)目，該項(xiàng)目投資264.38×10⁸元。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，獲得國(guó)家發(fā)改委路條的煤制天然氣項(xiàng)目有：中國(guó)電力投資集團(tuán)公司新疆伊犁霍縣2×(60×10⁸)m³／a項(xiàng)目；山東新汶礦業(yè)集團(tuán)公司新疆伊犁100×10⁸m³／a項(xiàng)目；國(guó)電集團(tuán)內(nèi)蒙古興安盟烏蘭浩特市40×10⁸m³／a項(xiàng)目；內(nèi)蒙古新蒙能源公司鄂爾多斯40×10⁸m³／a項(xiàng)目；中國(guó)海洋石油總公司、山西同煤集團(tuán)山西大同40×10⁸m³／a項(xiàng)目；中國(guó)石油化工股份有限公司、華能新疆能源開(kāi)發(fā)有限公司、新疆龍宇能源準(zhǔn)東煤化工有限責(zé)任公司、浙江省能源集團(tuán)有限公司、新疆富蘊(yùn)廣匯新能源有限公司、蘇新能源和豐有限公司等企業(yè)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)共同建設(shè)規(guī)模300×10⁸m³／a項(xiàng)目(包含五彩灣120×10⁸m³／a工程、大井40×10⁸m³／a工程、西黑山60×10⁸m³／a工程、喀木斯特40×10⁸m³／a工程、和豐40×10⁸m³／a工程)等。

2　煤制天然氣技術(shù)

2.1　氣化工藝分類與特點(diǎn)

①按固氣接觸方式分類

氣化是煤制天然氣技術(shù)的龍頭^[1]。按固體顆粒和氣化介質(zhì)的不同接觸方式，氣化工藝基本上可以分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化。

a．固定床氣化

煤料從爐頂投入，在重力作用下下降，氣化介質(zhì)從爐底導(dǎo)入，兩者形成逆流。煤料被氣化介質(zhì)預(yù)熱，然后氣化，氣化介質(zhì)也被灰渣預(yù)熱，因此熱效率較高，操作控制簡(jiǎn)單。發(fā)生爐、水煤氣爐和加壓氣化魯奇爐(碎煤加壓技術(shù))等屬于這一類。采用機(jī)械化回轉(zhuǎn)爐柵后，床層不斷向下移動(dòng)，因此又稱為移動(dòng)床。使用粒徑一般為6～50mm的塊煤，細(xì)屑過(guò)多時(shí)，必須限制氣流速度，避免增加大量帶出物和使床層穿孔，惡化煤氣質(zhì)量。粒徑過(guò)大，則與氣流接觸的比表面積減小，就會(huì)增加灰渣的含碳量。這種床適用粘結(jié)性較弱的褐煤和次煙煤，如用粘結(jié)性煙煤，爐內(nèi)須加攪拌裝置。

b．流化床氣化

煤料在床層內(nèi)被上升的氣化介質(zhì)吹動(dòng)翻滾，使煤粒之間空隙增加，煤層疏松膨脹，猶如沸騰，也稱沸騰床氣化。煤料粒徑一般取5mm以下。由于氣化介質(zhì)在煤粒表面流動(dòng)的速度大，使介質(zhì)在固體表面的擴(kuò)散速度增大，從而增大了氣化強(qiáng)度。但煤料被磨成細(xì)粉，氣流帶出物增多，必須設(shè)法使之返回爐內(nèi)。床層溫度受灰渣熔點(diǎn)的限制，較適用于采用活性高的年輕煤。如采用液態(tài)排渣，床層溫度可不受此限制。粘結(jié)性強(qiáng)的煙煤，也必須預(yù)先破粘。溫克勒氣化爐屬于這一類。

c．氣流床氣化

氣流床也稱懸浮床。粒徑小于0.1mm的煤粉與氣化介質(zhì)混合，同向噴入氣化爐。煤粉比表面積大，與氣流激烈湍動(dòng)，煤粒表面氣體擴(kuò)散速度大。一般都采用液態(tài)排渣，因此床層溫度可提高到1500℃以上，氣化反應(yīng)速度快。煤粉在懸浮床內(nèi)僅l～2s即迅速氣化。這種氣化方式的單爐能力高，適用任何煤種，強(qiáng)粘結(jié)煤也可使用。KT爐、德士古爐(濕法即采用水煤漿)、謝爾爐(殼牌)等都屬于這一類。不過(guò)耗氧量大，帶出物多，在高溫氣流中處理困難，而且氣化爐耐火襯里容易侵蝕，成為不易解決的問(wèn)題。氣流床生成氣含甲烷少，宜作為合成原料，如用作城市煤氣，則發(fā)熱量偏低。

d．熔融床氣化

氣化爐以熔融狀的灰渣、無(wú)機(jī)鹽或金屬作為基料，操作條件與氣流床相仿，但可用粒徑較大(約3mm)的煤料。

②典型氣化工藝優(yōu)缺點(diǎn)與配煤要求

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多煤氣化企業(yè)紛紛引進(jìn)各種氣化爐，主要分為三種：魯奇氣化爐、德士古氣化爐和殼牌氣化爐。

a．工藝優(yōu)缺點(diǎn)

魯奇氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)能力大，以塊煤為原料，尤其適應(yīng)褐煤，碳轉(zhuǎn)化率高，調(diào)節(jié)負(fù)荷方便；缺點(diǎn)是生產(chǎn)的合成氣中甲烷含量高，焦油和苯酚等液狀物較多，生產(chǎn)流程長(zhǎng)，投資大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。

德士古氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是：水煤漿進(jìn)料，對(duì)煤種的適應(yīng)較寬，單爐生產(chǎn)能力大，碳轉(zhuǎn)化率高，煤氣質(zhì)量好，甲烷含量低，廢物排放少；缺點(diǎn)是：耗氧量大，投資大，技術(shù)費(fèi)用高。

殼牌氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是：干粉煤進(jìn)料，煤種適應(yīng)廣，碳轉(zhuǎn)化率高，甲烷含量低，耗氧量小，單爐生產(chǎn)能力大，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，氣化效率高，氣化過(guò)程無(wú)廢氣排放；缺點(diǎn)是：投資高，設(shè)備造價(jià)過(guò)高，建設(shè)周期較長(zhǎng)；配套的干燥、磨煤、高壓氮?dú)獾燃訅核璧墓妮^大^[2]。

b．配煤要求

魯奇氣化爐：加壓魯奇氣化爐最好采用褐煤，水分最好不超過(guò)25％，灰分低于l9％較為經(jīng)濟(jì)，灰熔點(diǎn)最好高于1250℃。一般要求最大與最小粒徑之比不超過(guò)5～8，最小粒徑最好大于5mm。一般褐煤粒徑為6～10mm，煙煤粒徑為5～25mm，焦炭和無(wú)煙煤粒徑為5～20mm。粘結(jié)性煤在300～400℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)和膨脹，使氣流分布不均勻。對(duì)于自由膨脹指數(shù)高于1的弱粘結(jié)性煤需要機(jī)械破粘，破粘裝置僅能處理自由膨脹指數(shù)小于7的煤。魯奇氣化爐不適用煤粉，不適合處理強(qiáng)粘結(jié)性煤。

德士古氣化爐：德士古氣化爐能氣化所有煤種，水煤漿含量必須保證60％以上，煤粉粒徑小于0.1mm。

殼牌氣化爐：配煤沒(méi)有特殊要求，但煤粉粒徑小于0.1mm?；胰埸c(diǎn)小于1500℃，灰分為8％～20％。

2.2　甲烷化工藝分類與特點(diǎn)

①甲烷化反應(yīng)器分類

甲烷化是煤制天然氣技術(shù)的核心。由于合成氣甲烷化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此甲烷化反應(yīng)器應(yīng)具有良好的移熱性能。因?yàn)橐茻嵝阅懿患巡粌H會(huì)導(dǎo)致催化劑局部過(guò)熱，造成催化劑燒結(jié)、積炭等，還直接影響到反應(yīng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，催化劑的易裝卸也是甲烷化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在合成氣甲烷化反應(yīng)中較典型的反應(yīng)器為固定床、流化床和三相床。

固定床甲烷化反應(yīng)器最早被用于合成氨中富氫氣體中少量CO的凈化，以消除對(duì)氨合成催化劑的毒害作用。此類反應(yīng)器一般將氣體循環(huán)，溫升用氣體循環(huán)比來(lái)控制。

流化床甲烷化反應(yīng)器在質(zhì)量和熱量傳遞方面比絕熱固定床反應(yīng)器好，適合具有強(qiáng)放熱特性的合成氣甲烷化反應(yīng)過(guò)程。流化床反應(yīng)器主要分為兩種形式，一種為催化劑循環(huán)的反應(yīng)器，新鮮氣和循環(huán)氣混合后進(jìn)入第一反應(yīng)器，從第一反應(yīng)器出來(lái)的氣體經(jīng)部分冷卻后與另一部分原料氣混合，其混合溫度大于起始反應(yīng)溫度，然后進(jìn)入第二反應(yīng)器，反應(yīng)器越多，循環(huán)氣量就越少，但整個(gè)回路的壓力降就越大。甲烷化催化劑一般比較昂貴，要盡量減少催化劑的夾帶損失。另一種流化床反應(yīng)器，催化劑保持在反應(yīng)器中不吹出，無(wú)氣體循環(huán)，合成氣甲烷化反應(yīng)放出的熱量通過(guò)流化床內(nèi)部換熱管移走。流化床反應(yīng)具有溫度易于控制的優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)較高。

三相床甲烷化反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)在于可以輕松控制反應(yīng)溫度(可將導(dǎo)熱油循環(huán))，缺點(diǎn)在于催化劑的壽命較短，而且催化劑與產(chǎn)物(液固)分離較為困難。

②甲烷化工藝

依據(jù)上述三種基本的甲烷化反應(yīng)器形式，開(kāi)發(fā)出各種甲烷化工藝技術(shù)。目前，文獻(xiàn)報(bào)道^[3]和實(shí)際使用的甲烷化工藝主要有DAVY工藝、Lurgi工藝、TREMP工藝等。

a．DAVY工藝

英國(guó)倫敦的戴維工藝技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的DAVY(戴維)甲烷化工藝為兩段轉(zhuǎn)化，其中一段大量轉(zhuǎn)化，一段補(bǔ)充轉(zhuǎn)化，每段各有兩個(gè)反應(yīng)器，共4個(gè)反應(yīng)器。第二甲烷化反應(yīng)器出口的部分反應(yīng)氣作為循環(huán)氣，經(jīng)一系列換熱器換熱，在150℃下被循環(huán)壓縮機(jī)加壓，然后與新鮮氣混合進(jìn)入第一反應(yīng)器，以控制一段反應(yīng)溫升，同時(shí)利于帶走甲烷化反應(yīng)熱。采用相同的CRG催化劑，甲烷化反應(yīng)后富產(chǎn)過(guò)熱蒸汽，第一、第二反應(yīng)器出口溫度在600℃左右。

DAVY工藝是建立在CRG-LH高溫催化劑的基礎(chǔ)之上，其特點(diǎn)是：已經(jīng)經(jīng)過(guò)工業(yè)化驗(yàn)證，擁有美國(guó)大平原合成燃料廠的生產(chǎn)業(yè)績(jī)；催化劑本身具有變換功能，因而反應(yīng)器入口合成氣不需要調(diào)節(jié)氫碳比；催化劑使用溫度范圍寬，在230～650℃都具有高且穩(wěn)定的活性，這就使甲烷化反應(yīng)器的操作彈性變大；甲烷化壓力高達(dá)3.0～6.0MPa，可以減小設(shè)備尺寸，極大地提高設(shè)備的利用率；每生產(chǎn)1000m³合成天然氣副產(chǎn)約3t高壓過(guò)熱蒸汽，因此能量效率高；可以得到高品質(zhì)的合成天然氣，甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)94％～96％，可以直接進(jìn)入天然氣輸送管道。

b．Lurgi工藝

德國(guó)魯奇公司(Lurgi)也擁有甲烷化工藝技術(shù)(Lurgi工藝)，該工藝最初采用的是BASF集團(tuán)的甲烷化催化劑，后改用DAVY公司的甲烷化催化劑。Lurgi工藝是典型的以固定床反應(yīng)器為核心的工藝。該套甲烷化裝置采用3個(gè)固定床反應(yīng)器，前2個(gè)反應(yīng)器為高溫反應(yīng)器，CO轉(zhuǎn)化為CH4的反應(yīng)主要在這兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，稱為大量甲烷化反應(yīng)器。第三個(gè)反應(yīng)器為低溫反應(yīng)器，用來(lái)將前兩個(gè)反應(yīng)器未反應(yīng)的CO轉(zhuǎn)化為CH4，使合成天然氣的甲烷含量達(dá)到需要的水平，稱為補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器。甲烷化反應(yīng)溫度較低，高溫反應(yīng)器出口溫度大于400℃。

Lurgi工藝投資低，單線生產(chǎn)能力大，轉(zhuǎn)化率高，可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)的合成天然氣品質(zhì)高，副產(chǎn)品種類多，技術(shù)成熟度高，經(jīng)過(guò)商業(yè)化規(guī)模的驗(yàn)證運(yùn)行穩(wěn)定。但是由于此工藝采用的是Lurgi氣化和絕熱循環(huán)稀釋甲烷化技術(shù)，而Lurgi氣化效率不高，絕熱循環(huán)稀釋要消耗大量的能量，相當(dāng)于甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的50％的能量，不能做到自身的能量平衡，因此此工藝的能效較低。該工藝采用循環(huán)氣限制反應(yīng)器的進(jìn)口溫度，防止積碳。

c．TREMP(托普索)工藝

TREMP工藝是一個(gè)多段串聯(lián)甲烷化反應(yīng)工藝。與TREMP工藝配套的MCR一2X催化劑能在較寬溫度范圍內(nèi)(250～700℃)操作。TREMP實(shí)際是一個(gè)熱回收的概念，即能夠產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽。在TREMP工藝中，反應(yīng)均在絕熱條件下進(jìn)行，通過(guò)部分氣體循環(huán)可以控制第一個(gè)甲烷化反應(yīng)器的溫度(絕大部分甲烷化反應(yīng)發(fā)生在第一個(gè)甲烷化反應(yīng)器)。MCR-2X催化劑無(wú)論在低溫(250℃)下還是在高溫(700℃)下都具有高的催化活性和穩(wěn)定性。反應(yīng)器在高絕熱溫升下運(yùn)行的可能性使循環(huán)氣體量減少，循環(huán)機(jī)功耗降低。典型的TREMP工藝一般由3個(gè)反應(yīng)器組成。

TREMP工藝的優(yōu)點(diǎn)是單線生產(chǎn)能力大，生產(chǎn)能力為(10～20)×10⁴m³／h；合成氣轉(zhuǎn)化率高；回收過(guò)程能耗低，充分利用甲烷化反應(yīng)放出的熱量，生產(chǎn)高壓過(guò)熱蒸汽產(chǎn)品；MCR-2X催化劑壽命長(zhǎng)，活性高，副反應(yīng)少，使用溫度范圍寬，循環(huán)氣量?jī)H為其他工藝的0.1倍；合成天然氣品質(zhì)高，甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)94％～96％，高熱值達(dá)(37260～38100)kJ／m³，滿足了國(guó)家天然氣標(biāo)準(zhǔn)以及管道輸送的要求。同時(shí)豐富的操作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)質(zhì)性工藝驗(yàn)證保證了這一技術(shù)能夠用于商業(yè)化。該工藝處于工業(yè)化推廣階段，還沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)化規(guī)模的運(yùn)營(yíng)。TREMP工藝投資大，技術(shù)復(fù)雜度高，需要具有一定的生產(chǎn)規(guī)模才能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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本文作者：楊陽(yáng)

作者單位：天津市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計(jì)院