變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝探討

邵振揚(yáng)

遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司

變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝探討

邵振揚(yáng)

遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司

我國(guó)是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的推進(jìn)，天然氣消費(fèi)量已迎來(lái)快速增長(zhǎng)期。適度發(fā)展煤制天然氣，可以有效增加國(guó)內(nèi)天然氣供給，降低對(duì)外依存度，提高國(guó)家能源安全保障。目前，已建成的大型煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)投資較高，裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較差；要提高煤制天然氣裝置的經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)工藝路線進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，以降低裝置投資和運(yùn)行消耗。

變換；一體化；煤制天然氣；工藝

煤制天然氣是通過(guò)煤氣化制得合成氣并進(jìn)一步通過(guò)甲烷化反應(yīng)合成的替代天然氣。盡管煤制天然氣中的主要組分為CH4(設(shè)計(jì)平均值φ(CH4)≈95%)，但是受生產(chǎn)工藝的制約，在組成上不同于常規(guī)的氣田天然氣和油田天然氣。本文分析總結(jié)了現(xiàn)有工藝技術(shù)水平下煤制天然氣氣質(zhì)產(chǎn)品的組成以及影響產(chǎn)品組分含量的關(guān)鍵性工藝單元，期望為優(yōu)化生產(chǎn)操作、制(修)訂煤制天然氣氣質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供借鑒。

1 煤制天然氣市場(chǎng)分析

煤制天然氣項(xiàng)目的發(fā)展前景可以從天然氣市場(chǎng)供需總平衡得到。根據(jù)前面的分析，天然氣消費(fèi)總量與供應(yīng)總量比例逐年攀升，需求大于供應(yīng)，煤制天然氣作為補(bǔ)充，其發(fā)展空間非常可觀。目前已投產(chǎn)運(yùn)行的煤制天然氣產(chǎn)能約40億m3/a，主要是大唐內(nèi)蒙古克什克騰旗、新疆慶華、匯能鄂爾多斯、新疆廣匯以及云南解化的煤制油聯(lián)產(chǎn)甲烷項(xiàng)目。截至2014年12月，在建和審批通過(guò)的項(xiàng)目高達(dá)1162(1215)億m3/a(源自中國(guó)化工報(bào))，預(yù)計(jì)在2018年后逐漸投入市場(chǎng)。伴隨著廣大社會(huì)對(duì)改善空氣環(huán)境的熱切渴望，國(guó)家將不斷推進(jìn)清潔能源的使用，越來(lái)越多的城市和居民將使用天然氣，未來(lái)天然氣將成為與用電和用水一樣普遍，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

2 現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線

煤造氣裝置的工藝目的是將原料煤在氣化劑的作用下進(jìn)行氣化處理生產(chǎn)富含CO、H2的粗合成氣，煤造氣裝置可以根據(jù)原料煤的特性等因素選擇多種氣化工藝；CO變換裝置的工藝目的是通過(guò)CO變換反應(yīng)調(diào)節(jié)粗合成氣中H2與CO的比例，使其滿(mǎn)足甲烷合成對(duì)H2與CO比例的要求，通常采用耐硫?qū)挏刈儞Q工藝；酸性氣體脫除裝置的工藝目的是脫除變換氣中的H2S、COS、多余的CO2等雜質(zhì)，對(duì)變換氣進(jìn)行凈化處理，滿(mǎn)足甲烷合成的要求，通常采用低溫甲醇洗工藝；甲烷合成裝置是將凈化合成氣中的CO以及少量的CO2與H2反應(yīng)生成CH4，是天然氣的反應(yīng)生成裝置，一般使用鎳基催化劑，采用部分氣體循環(huán)的多段絕熱反應(yīng)工藝；天然氣壓縮及天然氣干燥是將甲烷合成單元生成的甲烷氣體進(jìn)行壓縮及干燥處理，以滿(mǎn)足天然氣輸送的要求，一般采用多級(jí)離心壓縮，干燥采用三甘醇脫水工藝。

粗煤氣經(jīng)過(guò)CO變換處理高溫變換氣冷卻至低溫后進(jìn)行酸性氣體脫除處理，脫除酸性氣體的低溫凈化氣又加熱至高溫后進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)生成的高溫天然氣再冷卻進(jìn)行壓縮及干燥處理，整個(gè)工藝流程存在“冷熱病”問(wèn)題，導(dǎo)致全流程換熱設(shè)備增多，運(yùn)行能耗增加。粗煤氣的CO變換反應(yīng)需要消耗水蒸氣，且用于推動(dòng)反應(yīng)平衡的大量水蒸氣最終通過(guò)冷凝處理以工藝?yán)淠旱男问脚懦?，甲烷合成反?yīng)生成的大量氣態(tài)水也只能通過(guò)冷凝處理以工藝?yán)淠旱男问脚懦觯珡S工藝?yán)淠号欧帕看?，冷凝設(shè)備投資大。雖然工藝?yán)淠嚎梢越?jīng)過(guò)汽提處理后返回系統(tǒng)循環(huán)使用，但處理大量工藝?yán)淠簩⒃黾友b置建設(shè)投資及運(yùn)行成本。

3 單元操作技術(shù)水平對(duì)產(chǎn)品組成的影響

3.1 空分單元

煤制天然氣的空分裝置主要是為了制備高壓氧氣和氮?dú)猱a(chǎn)品。高壓氧氣作為氣化爐的氣化劑，在氣化單元被完全消耗而進(jìn)入產(chǎn)品鏈中，氮?dú)庾鳛樵厦狠斔蜌?。高壓氧氣中的雜質(zhì)組分，主要包括氮?dú)?、氬，與輸送用氮?dú)庠谶M(jìn)入煤制天然氣生產(chǎn)工藝流程后，成為最終產(chǎn)品氣體中惰性組分的重要來(lái)源之一。

3.2 粗煤氣凈化單元

粗煤氣凈化，是將離開(kāi)氣化爐的高溫粗煤氣依次通過(guò)水急冷洗滌飽和、廢鍋間接冷卻步驟，將其攜帶的煤焦油、氨、氯、固體顆粒物去除而得到含水呈飽和狀態(tài)的煤氣的過(guò)程，屬于原料氣的預(yù)處理單元，目的是保障后續(xù)工藝單元的順利進(jìn)行。因此，在正常操作條件下，可以認(rèn)為該過(guò)程單元對(duì)煤制天然氣產(chǎn)品組成不產(chǎn)生明顯影響。

3.3 水氣變換單元

水氣變換單元是將氣化單元送來(lái)的粗煤氣中的CO經(jīng)變換反應(yīng)部分變換成H2，使變換氣H2/CO比滿(mǎn)足甲烷化的要求。該過(guò)程主要目的是調(diào)整氣化產(chǎn)品氣中H2和CO的比例，以滿(mǎn)足后續(xù)甲烷化單元工藝的要求。在其他條件相同時(shí)，變換單元出口氣的氫碳比對(duì)最終天然氣產(chǎn)品中的H2含量有重要影響。當(dāng)氫碳比高于3.0時(shí)，表明在后續(xù)發(fā)生甲烷化反應(yīng)時(shí)H2過(guò)剩，過(guò)剩的H2會(huì)進(jìn)入最終的產(chǎn)品氣中。但是考慮到在低氫碳比時(shí)，后續(xù)甲烷化催化劑容易發(fā)生積炭失活，因此通常要求變換單元出口氣的氫碳比略高于3.0?，F(xiàn)在也有具有水氣變換功能的甲烷化催化劑，對(duì)于這種催化劑可以適當(dāng)調(diào)整變換單元的設(shè)計(jì)負(fù)荷。

3.4 中國(guó)甲烷化催化劑

至今為止，中國(guó)所研制的國(guó)產(chǎn)甲烷化催化劑主要用于合成氨廠微量CO的去除以及制備高熱值城市煤氣。國(guó)產(chǎn)甲烷化催化劑均為中低溫催化劑，不適合煤制天然氣項(xiàng)目的工業(yè)化生產(chǎn)，因此高溫國(guó)產(chǎn)甲烷化催化劑尚在研制之中。雖然目前中國(guó)有多個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目正在建設(shè)中，但是中國(guó)尚未掌握大型的合成氣甲烷化工藝技術(shù)，其主要工藝技術(shù)以及甲烷化催化劑均購(gòu)自國(guó)外公司。不僅引進(jìn)費(fèi)用相當(dāng)高昂，并且無(wú)法得到完整的成套甲烷化工藝技術(shù)，大大限制了中國(guó)煤制天然氣技術(shù)的發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)中國(guó)具有自主產(chǎn)權(quán)的甲烷化工藝技術(shù)和甲烷化催化劑是解決中國(guó)能源危機(jī)的迫切任務(wù)之一。

總之，相關(guān)企業(yè)要充分把握煤制天然氣全局形勢(shì)，結(jié)合并執(zhí)行國(guó)家規(guī)劃與政策。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，采取節(jié)能、降耗、減排、節(jié)水等多方面措施改善環(huán)境，降低成本，提高企業(yè)內(nèi)部收益率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏，促進(jìn)煤炭高效轉(zhuǎn)化及利用。

[1] 趙澤秀，張忠平.石油天然氣與煤制天然氣生產(chǎn)區(qū)別和優(yōu)勢(shì)[J].煤炭加工與綜合利用，2014，(6)：9-14.

[2] 賀永德.煤化工技術(shù)手冊(cè)[M].第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：374-586.