煤制天然氣凈化工藝研究

劉泉洲 張楌 史亞麗

長慶油田分公司第一采氣廠第四凈化廠，陜西延安 717500

從能源結(jié)構(gòu)上看，我國具有“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中天然氣的消費(fèi)比例遠(yuǎn)低于世界平均水平。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化步伐的加快，對天然氣的需求日益增加。我國自身的天然氣產(chǎn)量以無法滿足天然氣的需求量，供需矛盾日益突出，進(jìn)口依賴度逐年增大，對我國能源安全造成威脅。我國在“十三五”規(guī)劃中提出，鼓勵發(fā)展先進(jìn)煤氣化、催化氣化、加氫氣化制取天然氣等技術(shù)及示范工程、支持進(jìn)行煤的化學(xué)鏈氣化技術(shù)開發(fā)，在科技創(chuàng)新2030 年重大項(xiàng)目之煤炭清潔轉(zhuǎn)化中也提出煤炭利用亟待解決的重大科技問題。

1 煤制天然氣項(xiàng)目凈化工藝概述

低溫甲醇洗工藝。低溫甲醇洗工藝是一種物理吸收方法，在這一過程當(dāng)中，首先需要冷卻甲醇，冷卻度為零下六十?dāng)z氏度左右，將其作為溶劑，用來吸收粗煤氣當(dāng)中所產(chǎn)生的大量的二氧化碳以及輕油等等。通過深入的研究分析我們發(fā)現(xiàn)，在低溫條件之下，甲醇具備良好的吸附性，尤其是對于雜質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的吸收，但是對于其中的一氧化碳和甲烷等化學(xué)氣體，吸收率卻并不高。當(dāng)甲醇將粗煤氣當(dāng)中的雜志吸收之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)對煤氣的凈化作用，將干凈的煤氣融合在一起，也就形成了潔凈天然氣。舉個例子來說，可以生產(chǎn)硫化氫，并且其濃度是非常高的，這樣一來，我們借助硫回收生產(chǎn)工藝，就能夠生產(chǎn)制造出硫磺。

NHD 凈化工藝。NHD 凈化工藝也被稱之為聚乙二甲醇醚法，這一工藝是我國自主研發(fā)出來的。我們應(yīng)用NHD 凈化工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)對粗煤氣當(dāng)中的雜質(zhì)的有效凈化。從根本上上來說，NHD 凈化工藝和低溫甲醇洗工藝兩者之間存在著一定的聯(lián)系，那就是都屬于物理吸附工藝。不同的是，借助NHD 凈化工藝，在常溫環(huán)境下就能夠?qū)崿F(xiàn)凈化，并且整個操作流程非常的簡單、便捷。不僅如此，NHD 凈化工藝的溶劑是沒有毒性的，并且飽和蒸汽壓并不高，因此溶劑的損失率是非常低的，再生消耗量也是非常低的。

2 煤制天然氣凈化工藝現(xiàn)狀

截至目前，在我國已建成的煤制天然氣示范項(xiàng)目中，大多采用的煤制天然氣技術(shù)是先將煤在高溫高壓條件下氣化得到富含粗合成氣的原料氣，再經(jīng)變換、甲烷化過程制得天然氣產(chǎn)品，俗稱“兩步法煤制天然氣技術(shù)”或間接法煤制天然氣技術(shù)。典型煤氣化技術(shù)代表，如魯奇固定床氣化爐，出口氣中甲烷含量約10%；典型甲烷化技術(shù)，如戴維甲烷化技術(shù)、托普索甲烷化技術(shù)等。由于整套天然氣制取工藝需經(jīng)煤氣化、除塵脫油、耐硫變換、脫硫脫碳后進(jìn)行甲烷合成工段，要經(jīng)歷高溫、低溫、再高溫的過程，能量利用效率差，導(dǎo)致工藝復(fù)雜、投資較大、能耗高，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性差。

煤催化氣化制甲烷技術(shù)是一種直接甲烷化技術(shù)。其核心是在堿金屬/堿土金屬催化劑作用下，煤在加壓流化床氣化爐中，在相對溫和的條件下進(jìn)行氣化、變換和甲烷化反應(yīng)生產(chǎn)甲烷產(chǎn)品。其中，氣化爐出口合成氣中甲烷含量在16%-20%，比現(xiàn)有固定床煤氣化制甲烷技術(shù)的甲烷含量高出近一倍。若利用此技術(shù)制取合成天然氣，可降低后續(xù)甲烷合成工段的反應(yīng)負(fù)荷。后續(xù)工段繼續(xù)采用傳統(tǒng)的甲烷化技術(shù)，由于傳統(tǒng)甲烷化技術(shù)所用催化劑通常為鎳基催化劑，該催化劑對原料氫碳比和硫含量要求嚴(yán)格，需經(jīng)過耐硫變換以及脫硫脫碳、精脫硫等工藝，以調(diào)節(jié)合成原料氣的氫碳比在3 .0 以上，同時將合成原料氣中的硫含量將至0 .1ppm以下，導(dǎo)致設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用大大增加。因此，開發(fā)在低氫碳比且含硫氣氛中仍具有較好甲烷化活性的催化劑，是甲烷合成技術(shù)的發(fā)展方向。

3 低溫甲醇洗凈化工藝與NHD 凈化工藝的參數(shù)比較分析

低溫甲醇洗工藝和NHD 凈化工藝的吸收能力比較。低溫甲醇洗工藝和NHD 凈化工藝在實(shí)際的凈化過程當(dāng)中所應(yīng)用的溶劑是不同的，因此其操作溫度也就不盡相同。低溫甲醇洗工藝，從字面上來說，對于溫度有著較高的要求，需要在零下六十?dāng)z氏度左右才能夠進(jìn)行，而NHD 凈化工藝對于這一方面要求要低的多，在零下五攝氏度左右就能夠達(dá)到非常好的凈化效果。由于煤制天然氣當(dāng)中含有大量的硫化氫、羰基硫以及二氧化碳等一系列的酸性氣體，這些氣體的溶解度在甲醇當(dāng)中，要比NHD 凈化工藝所用的聚乙二甲醇醚中的溶解度高的多，在這種情況下，也就表明了低溫甲醇洗工藝的吸收能力是要比NHD 凈化工藝的吸收能力強(qiáng)的。

低溫甲醇洗工藝與NHD 凈化工藝在有效氣體損失和凈化能力方面的比較。我們都知道，低溫甲醇洗凈化工藝和NHD 凈化工藝兩者之間的操作條件是存在著一定的差異的，在這種情況下，兩者之間對于有效氣體的損失以及凈化程度必然是不同的。通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，借助低溫甲醇洗凈化工藝來凈化煤制天然氣，在整個過程當(dāng)中所損失的氫氣約占總量的百分之零點(diǎn)一二，而NHD 凈化工藝所損失的氫氣約占總量的百分之零點(diǎn)三九，由此我們不難看出，兩者相比較而言，低溫甲醇洗工藝的損失比NHD 凈化工藝要低的多。

結(jié)語

當(dāng)前我國在粗煤氣凈化的過程當(dāng)中，對于上述兩種凈化工藝均有著一定程度的應(yīng)用。低溫甲醇洗工藝和NHD 凈化工藝兩者之間有著不同的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)。但是，站在大型煤化工企業(yè)的角度上來說，在實(shí)際的應(yīng)用過程當(dāng)中，可以選擇應(yīng)用低溫甲醇洗工藝，以此來充分的確保接下來甲烷化工藝的穩(wěn)定性，同時也能夠降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，進(jìn)行科學(xué)合理的應(yīng)用。