煤制天然氣技術(shù)現(xiàn)狀及項目進展

張洋洋，段艷慧，劉 欣，袁鳳慧

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453731)

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煤制天然氣技術(shù)現(xiàn)狀及項目進展

張洋洋，段艷慧，劉 欣，袁鳳慧

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453731)

根據(jù)煤制天然氣工藝路線的兩大核心技術(shù)——煤氣化工藝技術(shù)和甲烷化工藝技術(shù)，著重介紹了國內(nèi)外主流甲烷化工藝技術(shù)的特點和工業(yè)化應用情況。概述了國內(nèi)煤制天然氣示范項目的現(xiàn)狀和主要項目的進展情況，并對有效緩解我國天然氣供需矛盾提出建議。

煤制天然氣 煤氣化 甲烷化

1 技術(shù)現(xiàn)狀

煤制天然氣的工藝路線主要分為直接法和間接法兩大類。直接法是碎煤經(jīng)循環(huán)載體加入氣化反應器中，在催化劑的作用下，將氣化反應制取的CO，CO2或H2直接反應得到甲烷混合氣。間接法是煤經(jīng)氣化后，再經(jīng)甲烷化得到合格產(chǎn)品氣。目前，直接法尚無工業(yè)化應用案例，國內(nèi)外工業(yè)化煤制天然氣裝置全部采用間接法。

煤制天然氣間接法工藝路線主要包括煤氣化、變換、凈化、甲烷化以及空氣分離和廢水處理，其工藝過程中的兩大核心技術(shù)是煤氣化工藝技術(shù)和甲烷化工藝技術(shù)，工業(yè)化難點主要在于甲烷化。目前，甲烷化技術(shù)來源主要有魯奇甲烷化技術(shù)、戴維甲烷化技術(shù)和托普索甲烷化技術(shù)[1]。在國內(nèi)方面，西北化工研究院開發(fā)的碳氫工業(yè)尾氣制天然氣技術(shù)已于2013年通過鑒定，西南化工研究設(shè)計院與中海油合作研發(fā)的煤制天然氣中試技術(shù)已于2014年12月通過了中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定。

1.1 氣化

目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用的氣化技術(shù)有粉煤氣化、水煤漿加壓氣化和魯奇碎煤加壓氣化，煤制天然氣項目主要采用水煤漿加壓氣化技術(shù)和魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)。目前，國內(nèi)外僅匯能煤制天然氣項目采用水煤漿氣化，原因是匯能集團出產(chǎn)的煤大多是低黏結(jié)性或弱黏結(jié)性的優(yōu)質(zhì)動力煤，此類煤的成漿性好，適用于水煤漿氣化，且采用水煤漿氣化技術(shù)可大幅降低環(huán)保投入；其余煤制天然氣項目均采用魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)的煤氣中φ(CH4)達10%以上，特別適用于生產(chǎn)城市煤氣和煤制天然氣。

除生產(chǎn)的煤氣中甲烷含量高以外，魯奇碎煤加壓氣化還具有以下特點：①原料適應范圍廣，除強黏結(jié)性的焦煤外，從褐煤到無煙煤均可氣化。從經(jīng)濟方面考慮，魯奇爐尤其適用于低階煤和高灰煤的氣化。②采用碎煤進料，備煤系統(tǒng)簡單，投資及運行費用低，運行可靠性高。③氣化劑與煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，熱效率高。④氧氣消耗相對較低，可顯著降低空分設(shè)備投資。⑤技術(shù)成熟可靠，在無備用爐的情況下，單臺氣化爐年運轉(zhuǎn)率超過93%，氣化島運轉(zhuǎn)率大于98%。

近年來，魯奇公司一直在更新和改進氣化技術(shù)，最新推出的第4代魯奇爐已于2010年8月完成基礎(chǔ)工藝及機械設(shè)計，設(shè)計壓力提升至6 MPa，氣化工序投資成本和操作費用下降，下游凈化工序運行費用也有所下降，甲烷化單元所需循環(huán)量降低，反應器尺寸縮小。

1.2 甲烷化

1.2.1 魯奇甲烷化技術(shù)

典型的魯奇甲烷化裝置有3臺固定床甲烷化反應器，包括2臺高溫反應器和1臺低溫反應器。甲烷化反應主要發(fā)生在高溫反應器內(nèi)，高溫反應器中未反應的CO在低溫反應器中繼續(xù)轉(zhuǎn)化為CH4。高溫反應器采用部分反應氣循環(huán)進料的方式，來自上游工段的新鮮合成氣分成2股，一股與循環(huán)氣混合后進入第1高溫反應器，反應后的氣體與另一股新鮮合成氣混合后進入第2高溫反應器。第2高溫反應器一部分出口氣體經(jīng)冷卻、壓縮循環(huán)返回第1高溫反應器入口，其余送入低溫反應器生產(chǎn)出合格的合成天然氣。

甲烷化產(chǎn)生的余熱主要通過副產(chǎn)中壓飽和蒸汽和預熱原料氣進行回收。魯奇甲烷化技術(shù)目前采用戴維公司的催化劑，甲烷化反應溫度較低，高溫反應器出口氣體溫度≥400 ℃。

1.2.2 戴維甲烷化技術(shù)

典型的戴維甲烷化流程包括2臺高溫反應器和2臺低溫反應器，高溫反應器采用部分反應氣循環(huán)進料的方式。

甲烷化反應產(chǎn)生的余熱通過副產(chǎn)中壓或高壓過熱蒸汽進行回收，由于副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)高，可直接用于驅(qū)動蒸汽輪機。戴維公司的催化劑適用溫度范圍廣，在230～700 ℃范圍內(nèi)具有高而穩(wěn)定的活性。高溫反應器操作溫度較高，循環(huán)比降低，循環(huán)壓縮機尺寸縮小，降低了設(shè)備成本和運行能耗。

1.2.3 托普索甲烷化技術(shù)

托普索循環(huán)節(jié)能甲烷化工藝包括2臺大量甲烷化反應器(高溫反應器)和1臺(或多臺)補充甲烷化反應器。與魯奇和戴維技術(shù)不同，托普索流程的反應氣只在第1高溫反應器進、出口循環(huán)。補充甲烷化反應器的數(shù)量根據(jù)合成氣組成和合成天然氣中的甲烷含量而定。

在所有甲烷化技術(shù)中，托普索技術(shù)的第1高溫反應器反應溫度最高(675 ℃)，循環(huán)比最低，循環(huán)壓縮機尺寸最小，壓縮機投資和能耗最低，反應余熱副產(chǎn)的中壓或高壓過熱蒸汽可直接用于驅(qū)動蒸汽輪機。

1.2.4 西南化工研究設(shè)計院煤制天然氣甲烷化中試技術(shù)

該技術(shù)由西南化工研究設(shè)計院與中海油合作研發(fā)，與國外技術(shù)相比，具有三大優(yōu)勢：①循環(huán)比較國內(nèi)外同類工藝低20%～50%，產(chǎn)品單耗下降，設(shè)備投資降低；②高性能甲烷化催化劑起活溫度低，副反應少，耐熱溫度高，抗積碳性強，穩(wěn)定性好；③生產(chǎn)的天然氣質(zhì)量好，成本低[2]。

該技術(shù)的考核結(jié)果顯示：CO和CO2的總轉(zhuǎn)化率>98.5%，甲烷化選擇性>99.9%；產(chǎn)品氣中φ(CH4)>97%，φ(CO2)<1%，φ(H2)<2%。

1.2.5 西北化工研究院碳氫尾氣制天然氣技術(shù)

西北化工研究院自主研發(fā)的碳氫工業(yè)尾氣合成天然氣技術(shù)示范工程于2013年1月實現(xiàn)穩(wěn)定運行。針對焦爐氣中CO和CO2含量較高的特點，該示范工程采用非循環(huán)工藝，原料氣一次通過三段甲烷化反應器，三段反應后殘留極微量的CO和CO2(可達到ppm級)，CO和CO2轉(zhuǎn)化率以及甲烷化選擇性達99%以上，產(chǎn)品氣中CO和CO2含量達到轉(zhuǎn)化液化天然氣的要求。除焦爐氣外，該技術(shù)還可應用于電石、黃磷、冶金高爐氣等行業(yè)副產(chǎn)的碳氫工業(yè)尾氣[3]。

山西聚源煤化有限公司焦爐氣年產(chǎn)1.2億m3天然氣項目為該技術(shù)的首次工業(yè)化應用案例，項目已于2015年1月實現(xiàn)全流程投運。工業(yè)運行結(jié)果表明，產(chǎn)品氣中φ(CH4)達到90%以上，殘留的φ(CO)和φ(CO2)均<100×10-6，符合天然氣國家標準的要求。

2 項目進展

在國外方面，目前僅美國大平原煤制氣廠在運行。該廠建于1984年，產(chǎn)能14億m3/a，目前已穩(wěn)定運行超過30年[4]。

在國內(nèi)方面，截止至目前，國家發(fā)改委共核準了4個煤制天然氣示范項目，分別是大唐發(fā)電遼寧阜新40億m3/a天然氣項目、大唐發(fā)電內(nèi)蒙古赤峰克旗40億m3/a天然氣項目、內(nèi)蒙古匯能鄂爾多斯20億m3/a天然氣項目和新疆慶華集團伊犁55億m3/a天然氣項目，合計產(chǎn)能為155億m3/a[5]。

大唐發(fā)電內(nèi)蒙古赤峰克旗40億m3/a天然氣項目是我國首個煤制天然氣項目，分為3個系列，每個系列天然氣產(chǎn)能13.3億m3/a。一期項目于2013年12月投運，截止至2015年7月，累計運行超過400 d，累計向北京供氣達7億m3。截止至2015年5月，二期項目工程建設(shè)和設(shè)備安裝完成95%。該項目采用魯奇碎煤固定床干法排灰加壓氣化工藝，原料為褐煤，開車初期曾因氣化爐燒穿而停產(chǎn)，后經(jīng)搶修恢復生產(chǎn)。

大唐發(fā)電遼寧阜新40億m3/a天然氣項目于2014年12月暫停建設(shè)，其主要原因：①阜新市本地煤炭資源產(chǎn)量(10 Mt/a)不足以支撐該項目的生產(chǎn)，關(guān)鍵配套項目巴新鐵路至今尚未竣工；②該項目原料、設(shè)備、設(shè)施與大唐發(fā)電內(nèi)蒙古赤峰克旗項目幾乎一致，而大唐發(fā)電內(nèi)蒙古赤峰克旗項目曾于2013年發(fā)生氣化爐被燒穿的安全事故，存在技術(shù)風險；③大唐發(fā)電公司計劃出售其煤化工業(yè)務(wù)，綜合考慮決定該項目暫停建設(shè)。

內(nèi)蒙古匯能鄂爾多斯20億m3/a天然氣項目的一期工程(4億m3/a)于2014年11月投產(chǎn)，二期工程正在建設(shè)中。該項目是國內(nèi)四大煤制天然氣示范項目中唯一采用水煤漿加壓氣化技術(shù)的生產(chǎn)線，產(chǎn)品氣中甲烷含量最高，環(huán)境污染最小。但該項目自投產(chǎn)以來，產(chǎn)品售價長期在5 000元/t以下徘徊，低于成本價，企業(yè)長期處于虧損狀態(tài)。其主要原因：①采用高熱值、低硬度、低灰分和低含硫優(yōu)質(zhì)煤，生產(chǎn)成本遠高于其他示范項目；②該項目未得到國家政策支持。

新疆慶華集團伊犁55億m3/a項目分4條生產(chǎn)線建設(shè)，一期13.75億m3/a工程已于2013年12月開始向伊霍支線供氣，目前已實現(xiàn)高負荷平穩(wěn)運行，生產(chǎn)負荷達到80%以上。

2013年3月以來，又有8個煤制氣項目陸續(xù)獲得國家發(fā)改委核準，主要集中于新疆伊犁和內(nèi)蒙古鄂爾多斯、興安盟等西部煤炭主產(chǎn)地，投資者以大型能源央企為主。

除四大示范項目外，處于實質(zhì)性建設(shè)階段的僅有伊犁新天20億m3/a煤制天然氣項目，目前單體試車已全部完成。其他煤制天然氣項目基本處于前期工作階段，尚未進入大規(guī)模開工建設(shè)階段[6]。

3 結(jié)語

對于煤制天然氣的核心技術(shù)甲烷化工藝，雖然國內(nèi)沒有大規(guī)模的甲烷化工藝技術(shù)，但有較多的焦爐尾氣甲烷化工藝技術(shù)，其與煤制甲烷技術(shù)相類似。目前，國內(nèi)焦爐尾氣甲烷化開發(fā)商主要有上海華西科技公司、西南化工研究設(shè)計院、大連物化所、西北化工研究院等工程技術(shù)公司，國內(nèi)甲烷化技術(shù)的開發(fā)應用為煤制天然氣項目的順利推進提供了技術(shù)支撐。

“富煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點決定了今后煤制天然氣是我國天然氣資源的重要補充，發(fā)展天然氣也是我國能源戰(zhàn)略的重點之一。煤制天然氣在技術(shù)上是可行的，一批示范項目的運行在驗證煤制天然氣技術(shù)的同時有效緩解了我國天然氣供需矛盾。然而，煤制天然氣示范項目進展不盡如人意，技術(shù)可靠性不高，項目運行穩(wěn)定性差，已投產(chǎn)項目普遍存在消耗偏高的問題。對于新型產(chǎn)業(yè)，技術(shù)完善是必經(jīng)過程，后續(xù)煤制天然氣項目的發(fā)展在很大程度上取決于國家政策導向。煤制天然氣已經(jīng)成為我國能源革命的重要組成部分，技術(shù)開發(fā)與完善以及產(chǎn)業(yè)政策的扶持將推動我國煤制天然氣項目的發(fā)展。

[1] 朱艷艷，袁慧，郭雷，等.國內(nèi)外甲烷化技術(shù)進展研究[J].天然氣化工：C1化學與化工，2014(4)：77- 82.

[2] 煤制氣甲烷化國產(chǎn)技術(shù)取得突破[EB/OL].(2014- 12- 26)[2015- 09- 19].http:∥coalchem.anychem.com/2014/12/26- 13353.html.

[3] 西北化工研究院.“一種由碳氫工業(yè)尾氣合成代用天然氣的甲烷化方法”獲得國家發(fā)明專利授權(quán)[EB/OL].(2014- 08- 06)[2015- 09- 19].http:∥www.nwrici.com/Html/News/news1/1169.Html.

[4] 劉加慶，鄒海旭.從美國大平原發(fā)展分析國內(nèi)煤制天然氣項目前景[J].現(xiàn)代化工，2014(2)：14- 16.

[5] 溫亮，張俊江.我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)動態(tài)、存在問題及建議[J].煤化工，2014(6)：9- 13.

[6] 呂淼.中國煤制天然氣發(fā)展前景分析[J].城市燃氣，2014(8)：34- 38.

Technical Status and Project Progress of Coal- Based Synthetic Natural Gas

ZHANG Yangyang, DUAN Yanhui, LIU Xin, YUAN Fenghui

(Henan Xinlianxin Fertilizer Co., Ltd. Henan Xinxiang 453731)

Based on two core processes of coal- based synthetic natural gas, the coal gasification process and the methanation process, the characteristics and industrial application status of the mainstream methanation process technology at home and abroad are introduced emphatically. Current situation of domestic demonstrative coal-based synthetic natural gas project and progress of major project are summarized, and suggestions are proposed on easing effectively contradiction between supply and demand of natural gas in China.

coal- based synthetic natural gas coal gasification methanation

張洋洋(1986—)，女，主要從事產(chǎn)品規(guī)劃相關(guān)工作；zhyy.baby@163.com。

TQ546.4

A

1006- 7779(2016)05- 0041- 03

2015- 10- 09)