煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展

藺華林 李克健 趙利軍

中國(guó)神華煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展

藺華林 李克健 趙利軍

中國(guó)神華煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

隨著人們對(duì)天然氣需求的快速增長(zhǎng)，煤制天然氣技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，而煤制天然氣的核心技術(shù)是甲烷化技術(shù)。對(duì)煤制合成天然氣的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)甲烷化技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展提出了自己的見(jiàn)解。

天然氣 煤 甲烷化

天然氣是一種清潔、便捷、安全的優(yōu)質(zhì)能源，其主要成分為甲烷（CH4）。目前，世界天然氣供需基本平衡，但需求增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)量增速。在中國(guó)，隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)天然氣的需求呈快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)于天然氣的需求都存在很大的缺口。

表1列出了2009～2020年國(guó)內(nèi)天然氣供需情況及對(duì)未來(lái)供需的預(yù)測(cè)[1]?？梢钥闯觯m然我國(guó)每年天然氣供應(yīng)量呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，天然氣供不應(yīng)求的局面在我國(guó)將長(zhǎng)期存在。

表1 2009～2020年中國(guó)天然氣供需預(yù)測(cè)（億m3）

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是富煤、少油及缺氣。煤炭資源豐富，且煤種齊全，分布較廣。煤制合成天然氣流程是將煤經(jīng)過(guò)氣化、氣體凈化、變換以及甲烷化四個(gè)單元來(lái)制備天然氣。通過(guò)煤制天然氣技術(shù)可以使煤直接燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)集中回收利用，也是高碳能源向低碳、富氫能源轉(zhuǎn)化的有效途徑。發(fā)展煤制天然氣不僅可以緩解我國(guó)天然氣供應(yīng)不足的局面，彌補(bǔ)天然氣供需缺口，對(duì)于實(shí)現(xiàn)油氣資源的多元化、能源安全、節(jié)能減排等方面具有戰(zhàn)略性意義。

1 國(guó)外煤制天然氣發(fā)展?fàn)顩r

煤制天然氣工藝路線的核心技術(shù)是甲烷化技術(shù)，最早由德國(guó)魯奇公司和南非沙索公司的工程師在半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)廠進(jìn)行考察時(shí)提出。國(guó)外的研發(fā)是以制取代用天然氣為目的，目前大型甲烷化技術(shù)在國(guó)外發(fā)展已經(jīng)成熟。能夠提供成套技術(shù)的主要有德國(guó)的魯奇公司、丹麥的托普索公司、英國(guó)的Davy公司以及美國(guó)的巨點(diǎn)能源公司等。

魯奇公司和南非沙索公司，在南非F-T煤制油工廠旁建了一套半工業(yè)化煤制合成天然氣試驗(yàn)裝置，同時(shí)，魯奇公司和奧地利艾爾帕索天然氣公司在奧地利維也納石油化工廠建設(shè)了另一套半工業(yè)化的天然氣試驗(yàn)裝置。兩套試驗(yàn)裝置都進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)期的運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

美國(guó)大平原煤氣化廠是世界上第一座由煤氣化經(jīng)甲烷化合成高熱值煤氣的大型商業(yè)化工廠，采用魯奇加壓移動(dòng)床氣化爐，用北達(dá)可達(dá)褐煤的塊煤為原料，生產(chǎn)代用天然氣[3]，商業(yè)運(yùn)作20年，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益良好。它在合成燃料工業(yè)中發(fā)揮著先驅(qū)和示范作用。

丹麥Topsoe公司使用自己開(kāi)發(fā)的專用催化劑，建設(shè)了12 m3/h的中試裝置。其代表性的甲烷化催化劑為MCR-2X，該催化劑是將22%鎳負(fù)載到一種穩(wěn)定的載體上制備而成的[4]，無(wú)論在低溫下（250℃）還是在高溫下（700℃）都能穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)通過(guò)工業(yè)驗(yàn)證是一種具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的催化劑[5]，累積運(yùn)行記錄超過(guò)了45 000 h。在高壓下，該催化劑可以避免羰基形成，保持高活性和長(zhǎng)壽命，能生產(chǎn)出高品質(zhì)的代用天然氣，甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)94%～96%，完全可滿足天然氣標(biāo)準(zhǔn)以及管道輸送的要求。

Davy的CRG工藝與Topsoe的TREMP工藝基本類似[6]，其代表性的甲烷化催化劑為CEG-LH，該催化劑使用溫度范圍很寬，在230～700℃范圍內(nèi)都具有很高且穩(wěn)定的活性，使用該催化劑具有變換功能，合成氣不需要調(diào)節(jié)H/C比，轉(zhuǎn)化率高，該催化劑已經(jīng)過(guò)工業(yè)化驗(yàn)證，擁有美國(guó)大平原等很多業(yè)績(jī)，甲烷化壓力高達(dá)3.0～6.0 MPa，可以減少設(shè)備尺寸，使用該催化劑能生產(chǎn)出高品質(zhì)的代用天然氣，甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)94%～96%。

美國(guó)巨點(diǎn)能源公司開(kāi)發(fā)的一步法煤制天然氣技術(shù)[7]，又稱“藍(lán)氣技術(shù)”。巨點(diǎn)能源技術(shù)采用一步法合成煤基天然氣，降低氣化裝置的操作溫度，在溫和的“催化”條件下，直接催化反應(yīng)并生產(chǎn)出清潔可燃的天然氣。其具有煤種適應(yīng)性廣泛、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)出的天然氣符合管道運(yùn)輸條件標(biāo)準(zhǔn)。目前正積極推進(jìn)該公司開(kāi)發(fā)的一步法煤制天然氣技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，計(jì)劃到2022年采用“藍(lán)氣技術(shù)”裝置的總規(guī)模能力達(dá)到日產(chǎn)2 832萬(wàn)m3煤制天然氣。

2 國(guó)內(nèi)煤制天然氣甲烷化技術(shù)發(fā)展概況

目前我國(guó)甲烷化技術(shù)的主要作用一方面是將人工煤氣中的部分CO轉(zhuǎn)換為CH4，提高煤氣熱值，同時(shí)也降低煤氣中CO含量，以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人工城市煤氣的要求[8-9]；另一方面是合成氣精制，即通過(guò)甲烷化技術(shù)脫除少量CO和CO2，一般是用于合成氨廠[10-11]。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代至90年代煤氣甲烷化增加熱值的研究開(kāi)發(fā)工作的進(jìn)展較為迅速。當(dāng)時(shí)開(kāi)展的“水煤氣甲烷化技術(shù)生產(chǎn)城鎮(zhèn)燃?xì)獾难芯俊保饕脕?lái)解決城市煤氣熱值問(wèn)題，參與這項(xiàng)研究的單位有：中國(guó)科學(xué)院大連化物所、煤科總院北京煤化所、中國(guó)科技大學(xué)、西北化工研究所、華東理工大學(xué)及上海煤氣公司等。其中中科院大連化學(xué)物理研究所、華東理工大學(xué)及西北化工研究院在低熱值煤氣甲烷化制取中熱值城市煤氣方面做了大量工作。中科院大連化學(xué)物理研究所進(jìn)行了常壓水煤氣甲烷化、加壓耐硫甲烷化及低壓耐硫甲烷化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。西北化工研究院于1997年完成兩段煤氣甲烷化催化劑及多段固定床甲烷化工藝中間試驗(yàn)[2]。

上述甲烷化技術(shù)基本采用常壓狀態(tài)操作，與現(xiàn)在流行的大型加壓氣化技術(shù)不能匹配，因此，甲烷化技術(shù)在我國(guó)雖有一定的研究基礎(chǔ)，但要形成適應(yīng)新型氣化技術(shù)的甲烷化技術(shù)，還需要進(jìn)行大量開(kāi)發(fā)工作。

3 國(guó)內(nèi)煤制天然氣項(xiàng)目進(jìn)展情況

隨著對(duì)天然氣需求的劇增，國(guó)內(nèi)煤制天然氣項(xiàng)目出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。目前國(guó)內(nèi)規(guī)劃和在建的煤制天然氣項(xiàng)目近10個(gè)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)近200億m3，成為繼煤制油之后的煤化工領(lǐng)域投資熱點(diǎn)。

（1）神華集團(tuán)煤制天然氣項(xiàng)目[12]

神華集團(tuán)鄂爾多斯煤制天然氣項(xiàng)目于2009年4月在內(nèi)蒙古進(jìn)行奠基儀式。該項(xiàng)目年產(chǎn)天然氣20億m3，將主要供應(yīng)京津塘地區(qū)；副產(chǎn)品為硫磺、粗酚、石腦油、焦油和液氨等，預(yù)計(jì)2012年建成投產(chǎn)。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，可以將“西煤”就地轉(zhuǎn)化為“西氣”，然后通過(guò)全封閉管道“東輸”，進(jìn)一步提高了煤炭清潔利用水平，豐富了“西氣東輸”戰(zhàn)略的內(nèi)涵。這是神華繼煤制油和煤制烯烴等重大項(xiàng)目后，在煤化工領(lǐng)域的又一突破。

（2）大唐國(guó)際遼寧阜新煤制天然氣項(xiàng)目

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司（皆稱大唐國(guó)際）遼寧阜新煤制天然氣項(xiàng)目利用內(nèi)蒙古錫林浩特的煤炭資源在遼寧阜新建設(shè)一套生產(chǎn)能力為1 200萬(wàn)m3/d合成天然氣裝置及配套的熱電站和其他公用工程、輔助工程。生產(chǎn)的天然氣經(jīng)管道送往遼寧省各大中型城市。

該煤制天然氣項(xiàng)目地點(diǎn)位于遼寧省阜新市新邱區(qū)長(zhǎng)營(yíng)子鎮(zhèn)煤化工產(chǎn)業(yè)區(qū)。輸氣管道工程全長(zhǎng)達(dá)1 107 km，輸送氣以煤制天然氣為主。該項(xiàng)目目前正在進(jìn)行項(xiàng)目的前期可行性研究工作。

（3）大唐國(guó)際內(nèi)蒙古克什克騰旗煤制天然氣項(xiàng)目[13]

2008年4月11日，內(nèi)蒙古大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司籌備、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)內(nèi)蒙古克什克騰旗生產(chǎn)天然氣40億m3/a工程。投產(chǎn)后主產(chǎn)品天然氣采用長(zhǎng)輸管道輸送，管線從內(nèi)蒙古克什克騰旗站到北京密云，全長(zhǎng)448 km。該項(xiàng)目2012年可望全部建成，工程建成后主要供應(yīng)目標(biāo)是北京市以及輸氣管線沿線城市。

（4）華銀電力內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗煤制天然氣項(xiàng)目

2008年8月18日，華銀電力公司與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人民政府以及伊金霍洛旗人民政府簽署投資合作框架協(xié)議，擬通過(guò)引進(jìn)美國(guó)巨點(diǎn)能源公司的一步法煤制合成天然氣技術(shù)，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗投資建設(shè)基于該技術(shù)的煤制合成天然氣示范項(xiàng)目。

（5）新礦集團(tuán)新疆伊犁100億m3制備天然氣項(xiàng)目[14]

2009年國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目——100億m3/a煤制天然氣工程在新疆伊犁開(kāi)工建設(shè)。項(xiàng)目建成后，可通過(guò)國(guó)家“西氣東輸”二線，每年向新疆和我國(guó)東部地區(qū)供應(yīng)煤制天然氣100億m3以上。最近，該項(xiàng)目再次贏得美國(guó)資源專業(yè)公司的青睞，并進(jìn)行實(shí)地考察，就煤制天然氣項(xiàng)目以及資本合作等進(jìn)行了交流。

（6）華能新疆公司煤制天然氣項(xiàng)目

華能新疆能源開(kāi)發(fā)有限公司計(jì)劃總投資350億元在準(zhǔn)東規(guī)劃建設(shè)60億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目。該項(xiàng)目分兩期，項(xiàng)目一期工程40億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目于2010年6月8日在昌吉州完成了奠基儀式，2013年建成投產(chǎn)；項(xiàng)目二期工程20億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目2012年開(kāi)工建設(shè)，2016年建成投產(chǎn)。

該項(xiàng)目將以華能準(zhǔn)東大井礦區(qū)6號(hào)井煤為原料生產(chǎn)天然氣，采用煤加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)粗合成氣，通過(guò)一氧化碳變換調(diào)整合成氣中H/C比、脫除酸性氣體中硫化氫以及二氧化碳等、合成氣通過(guò)甲烷化及脫水生產(chǎn)天然氣產(chǎn)品。主要工藝裝置包括：煤氣化、空分裝置、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化、干燥裝置等。

（7）其他煤制天然氣項(xiàng)目

中國(guó)海洋石油總公司與同煤集團(tuán)合作在內(nèi)蒙古包頭和山西朔州等地籌建年轉(zhuǎn)化1 800萬(wàn)t原煤煤層氣項(xiàng)目；慶華集團(tuán)伊犁煤制天然氣項(xiàng)目等。

4 甲烷化技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

甲烷化反應(yīng)是CO和H2在一定溫度、壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行的反應(yīng)，該反應(yīng)為高放熱反應(yīng)[5]。據(jù)估計(jì)，每1%CO轉(zhuǎn)變成CH4，反應(yīng)器絕熱升溫60～70℃。如此高的熱量不及時(shí)移走，將會(huì)導(dǎo)致催化劑燒結(jié)，使反應(yīng)不能順利進(jìn)行。因此，對(duì)反應(yīng)器和催化劑提出了很高的要求，也是甲烷化技術(shù)所需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

目前工業(yè)上常用的兩種甲烷化反應(yīng)器是冷卻反應(yīng)器和絕熱反應(yīng)器[15-16]。冷卻反應(yīng)器多數(shù)是在受壓殼層內(nèi)裝有許多平行管，催化劑即可以裝在周邊是冷卻介質(zhì)的平行管內(nèi)。還有一種是細(xì)分催化劑床層為許多部分并通過(guò)在各部分之間引入冷卻氣或者從某一部分抽出產(chǎn)物以達(dá)到冷卻的目的，該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是需要裝填的催化劑較少，反應(yīng)器溫度變化不大，由此在反應(yīng)器出口氣體中獲得濃度較高的理想反應(yīng)產(chǎn)物（CH4）是可能的，但該反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作上比較復(fù)雜。

與之相比，絕熱反應(yīng)器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝填催化劑比較方便，同樣其控制也比較容易。而其缺點(diǎn)是由于反應(yīng)器是封閉的，在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致催化劑被破壞，甚至有可能反應(yīng)器也被破壞。

因此，反應(yīng)器決定了反應(yīng)過(guò)程中的取熱問(wèn)題，重點(diǎn)應(yīng)該解決反應(yīng)器構(gòu)建及取熱方式等關(guān)鍵技術(shù)。

開(kāi)發(fā)高溫甲烷化催化劑以減少在反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的燒結(jié)、析炭等問(wèn)題也是高溫甲烷化需要解決的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

5 發(fā)展煤制合成天然氣需要考慮的問(wèn)題

我國(guó)的煤制合成天然氣技術(shù)開(kāi)發(fā)還未達(dá)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段，面對(duì)我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)，發(fā)展煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也需要考慮以下一些問(wèn)題：

（1）煤制天然氣項(xiàng)目要與煤氣化技術(shù)相匹配發(fā)展，同時(shí)要考慮到生產(chǎn)出的天然氣產(chǎn)品的輸送問(wèn)題。

（2）由于天然氣價(jià)格受國(guó)家宏觀調(diào)控，煤制天然氣項(xiàng)目要盡可能在規(guī)劃時(shí)就要與下游產(chǎn)品統(tǒng)籌規(guī)劃，以提高項(xiàng)目的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

（3）煤制天然氣項(xiàng)目的發(fā)展過(guò)程要同時(shí)考慮環(huán)境問(wèn)題，其發(fā)展面臨著碳排放和污染物處理的環(huán)保壓力。

（4）發(fā)展煤制合成天然氣是長(zhǎng)期的能源發(fā)展戰(zhàn)略問(wèn)題。目前，我國(guó)煤制合成天然氣關(guān)鍵技術(shù)還需要從國(guó)外引進(jìn)，發(fā)展我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)甲烷化技術(shù)是一項(xiàng)迫切的任務(wù)。

（5）發(fā)展煤制天然氣要考慮到資源問(wèn)題。建議在煤炭資源儲(chǔ)量豐富地區(qū)，如新疆地區(qū)大力發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)。

總之，煤制天然氣作為液化石油氣和天然氣的替代和補(bǔ)充，既實(shí)現(xiàn)了清潔能源生產(chǎn)的新途徑，優(yōu)化了煤炭深加工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，又具有能源利用率高的特點(diǎn)，符合國(guó)內(nèi)外煤炭加工利用的發(fā)展方向，對(duì)于緩解國(guó)內(nèi)石油和天然氣短缺，保障我國(guó)能源安全具有重要意義。我們應(yīng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外煤制合成天然氣技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)及先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行如新型高溫甲烷化催化劑的開(kāi)發(fā)和新工藝開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)等課題的研究，爭(zhēng)取開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲烷化技術(shù)，為我國(guó)煤制天然氣的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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TQ546.4

藺華林 女 1978年生 博士 華東理工大學(xué)2008年畢業(yè) 已發(fā)表論文數(shù)篇

2010年7月