焦爐煤氣制天然氣的技術(shù)進展及思考

韋殿杰

摘 要：焦爐煤氣制天然氣是焦爐煤氣綜合利用的發(fā)展方向，其技術(shù)可分為甲烷化技術(shù)和非甲烷化技術(shù)，闡述了兩種技術(shù)的研究進展和工業(yè)化現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：焦爐煤氣;天然氣;思考與發(fā)展

0 前言

中國的城市化和工業(yè)化進程，極大地促進了對天然氣的市場需求。而中國是一個天然氣資源相對貧乏的國家，由此帶來的天然氣價格上漲趨勢已經(jīng)形成，為天然氣的開發(fā)利用提供了良好的發(fā)展機遇和發(fā)展基礎(chǔ)?；诮?jīng)濟發(fā)展和自然資源的條件限制，目前的焦爐煤氣，主要作為城市煤氣氣源、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料，以及甲醇和化肥等生產(chǎn)原料;隨著城市化進程的加速，以及居民生活條件改善對天然氣能源需求的提升，焦爐煤氣制天然氣市場正逐步打開，以焦爐煤氣為原料制天然氣的比較效益正逐步取得市場的認可?；诖?，本文對焦爐煤氣制天然氣的技術(shù)現(xiàn)狀進行分析，并就今后的發(fā)展趨勢進行評估，為企業(yè)焦爐煤氣制天然氣工藝技術(shù)選擇提供借鑒。

1 焦爐煤氣制天然氣的實際意義

天然氣是一種清潔能源，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，替代煤炭和石油燃燒時可減少CO2及其他有害氣體的排放，有利于緩減溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。天然氣可以代替汽油作為汽車燃料，排氣污染小，性價比高，已成為世界車用清潔燃料的發(fā)展方向，而天然氣汽車則已成為發(fā)展最快、使用量最多的新能源汽車。天然氣的熱值高，燃燒充分，現(xiàn)已逐漸代替煤炭作為冬季供暖的有效能源走進千家萬戶。利用富裕的焦爐煤氣制取天然氣不僅降低了焦爐煤氣直接燃燒排放帶來的能源損失，而且緩減了煤炭氣油燃燒所造成的環(huán)境污染，具有重要的節(jié)能環(huán)保意義。

2 焦煤煤氣至天然氣技術(shù)的進展

反應(yīng)的原理是，在一定溫度、壓力和催化劑存在條件下，使焦爐煤氣中的CO、CO2與氫氣反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為甲烷。甲烷化反應(yīng)不僅可以極大程度地降低原料氣中CO和CO2的含量，使后續(xù)的氣體分離或低溫液化工序更為有效，而且可以使天然氣的產(chǎn)量增加約30%。甲烷化反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，對于焦爐煤氣，每轉(zhuǎn)化1%（體積分數(shù)）的CO，其絕熱溫升約為63℃，每轉(zhuǎn)化1%（體積分數(shù)）的CO2，其絕熱溫升約為50.5℃，而目前焦爐煤氣中的CO和CO2含量之和通常為10%左右，需采取措施防止甲烷化反應(yīng)溫度過高。甲烷化技術(shù)的研究單位主要有：

2.1 西南化工研究設(shè)計院

從2006年開始，西南化工研究設(shè)計院對焦爐煤氣的凈化--甲烷化--分離系統(tǒng)進行了集成開發(fā)，目前已申報了9項發(fā)明專利，其中6項已獲授權(quán)。該院技術(shù)的主要思路是，焦爐煤氣通過凈化脫除苯、萘、重碳氫化合物、硫化物后，壓縮，換熱，再在催化劑作用下，進行甲烷化反應(yīng)，使COG中的一氧化碳、二氧化碳與氫氣反應(yīng)生成甲烷，得到以甲烷為主的混合氣;然后使用PSA（變壓吸附）法、膜分離法或低溫精餾法，分離混合氣中的甲烷，制得SNG（合成天然氣）、CNG（壓縮天然氣）或LNG（液化天然氣）。為防止甲烷化反應(yīng)溫度過高，該院提供了三種方法進行解決：往原料焦爐煤氣中加入適量水蒸氣，適當抑制甲烷化反應(yīng)的深度;將一部分產(chǎn)品氣循環(huán)，循環(huán)比約為2，控制甲烷化反應(yīng)器的入口氣體中CO+CO2總含量≤3.5%;采用多級甲烷化反應(yīng)器，控制每一級甲烷化反應(yīng)器的出口氣體溫度均≤450℃。這些方法有利于降低甲烷化反應(yīng)的溫度，也有利于甲烷化反應(yīng)器材質(zhì)的選擇。此外，該院還自主研發(fā)了用于焦爐煤氣甲烷化的催化劑，開發(fā)了焦爐煤氣制液化天然氣聯(lián)產(chǎn)液氨的技術(shù)。

2.2 山東鐵雄能源煤化有限公司

山東鐵雄能源煤化有限公司、大連普瑞特化工科技有限公司、成都五環(huán)新銳化工有限公司合作開發(fā)了焦爐煤氣甲烷化合成天然氣的工藝，其主要步驟有壓縮、預(yù)凈化、脫硫、一段甲烷化反應(yīng)、二段甲烷化反應(yīng)、天然氣分離等，最終制得滿足天然氣國標技術(shù)規(guī)格一類的天然氣產(chǎn)品。該工藝具有甲烷化反應(yīng)壓力低、尾氣不需進行循環(huán)等特點，在山東鐵雄能源煤化有限公司焦化廠完成了1000h全流程連續(xù)試驗，已通過了山東省技術(shù)鑒定，并于2010年申報了國家發(fā)明專利。

2.3 山西科靈環(huán)境工程設(shè)計技術(shù)有限公司

山西科靈環(huán)境工程設(shè)計技術(shù)有限公司通過向粗脫硫后的焦爐煤氣中補入碳源，使焦爐煤氣中H2、CO、CO2的化學(xué)計量比（H2-3CO）/CO2約為4，再壓縮升壓至0.5～5.4MPa進行精脫硫，然后進入甲烷化反應(yīng)器，在Ni系催化劑作用下進行甲烷化反應(yīng)，得到合成天然氣，進而制得液化天然氣。該工藝充分利用了焦爐煤氣中的H2、CO、CO2和補充的CO2，提高了資源的利用率。

3 非甲烷化技術(shù)的進展，非甲烷化技術(shù)的研究單位主要有

3.1 四川天一科技股份有限公司

開發(fā)了使用變壓吸附法從焦爐煤氣制取天然氣的工藝，焦爐煤氣經(jīng)凈化脫除苯、萘、重碳氫化合物、硫化物等雜質(zhì)后，再通過變壓吸附脫碳裝置，一次性脫除CO、CO2和C2以上的烴類，從非吸附相中得到主要含N2、CH4、H2的脫碳氣，入變壓吸附提純甲烷裝置，得到富含甲烷的產(chǎn)品天然氣（NG），此產(chǎn)品氣可進一步制取CNG和LNG。該工藝通過吸附劑的改進，可在一步脫除CO、CO2、C2+等雜質(zhì)的同時，保持較高的甲烷回收率。其特點是僅使用變壓吸附技術(shù)，不需限定焦爐煤氣中CO+CO2的總濃度，在常溫下即可操作，具有工藝流程簡單、能耗低等優(yōu)點。

3.2 成都賽普瑞興科技有限公司

成都賽普瑞興科技有限公司提供了一種以焦爐煤氣為原料生產(chǎn)合成氣和液化天然氣的方法，主要步驟包括：焦爐煤氣脫萘、苯和焦油，MDEA脫碳，變壓吸附富集甲烷分離出合成氣，富集的甲烷液化制得液化天然氣。該技術(shù)流程短，投資小，具有良好的經(jīng)濟效益。

3.3 北京溯希至清科技有限公司

北京溯希至清科技有限公司于2009年開發(fā)了焦爐煤氣催化脫氫制取天然氣的方法。焦爐煤氣經(jīng)預(yù)處理后，加入適量氧氣，以鉑/二氧化硅/聚四氟乙烯催化劑作為氫氧化合催化劑，在常溫下使氧氣和氫氣反應(yīng)以除去焦爐煤氣中的氫氣，再采用變壓吸附裝置進行處理，以脫除氧氣、氮氣和二氧化碳。

4 焦爐煤氣制天然氣技術(shù)的比較

由于CH4的物理性質(zhì)和CO、CO2相近，傳統(tǒng)的變壓吸附法、膜分離法、低溫精餾法等很難一步脫除焦爐煤氣中的CO和CO2，若采用兩步法分別脫除，甲烷的收率則較低。甲烷化技術(shù)的優(yōu)點是，通過進行甲烷化反應(yīng)，將無用的CO和CO2轉(zhuǎn)化為甲烷，既脫除雜質(zhì)氣體，又可以增加天然氣的產(chǎn)量，所以，該技術(shù)是當下的研究熱點。但由于甲烷化反應(yīng)放熱量較大，操作溫度就較高，所以甲烷化反應(yīng)器的設(shè)備要求也較高，此外，還需將部分產(chǎn)品氣循環(huán)或采用多級甲烷化反應(yīng)器，增加了工藝的復(fù)雜性。非甲烷化技術(shù)的甲烷產(chǎn)率低于甲烷化技術(shù)，其優(yōu)點是工藝簡單，技術(shù)成熟，投資和操作費用低。

5 結(jié)語

近年來，隨著化解過剩產(chǎn)能，焦化行業(yè)實行準入原則，焦爐煤氣綜合利用不僅可以變廢為寶，改善我國的能源供給結(jié)構(gòu)，緩解資源、環(huán)境約束，同時能夠促進行業(yè)清潔化，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。焦爐煤氣制天然氣技術(shù)符合國家產(chǎn)業(yè)政策、能源政策和環(huán)保政策，是焦爐煤氣綜合利用的發(fā)展方向。對于改善我國的能源供給結(jié)構(gòu)，緩解資源、環(huán)境約束均能起到積極作用。

參考文獻：

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