淺談煤制天然氣的工藝流程

王輝

【摘 要】煤制氣項目對我國發(fā)展有重要的意義，特別是煤制天然氣。隨著經濟和社會的發(fā)展，天然氣的需求迅猛增長，將成為21世紀消費量增長最快的能源。我國天然氣的供應能力相對滯后，導致天然氣供需矛盾突出。本論文闡述我國豐富的煤炭資源，并積極發(fā)展煤制代用天然氣，以緩解天然氣供應緊張局面。但發(fā)展煤制氣受多種因素影響，因此針對煤制氣工藝、發(fā)展技術、發(fā)展前景作出綜合性評定。

【關鍵詞】煤炭資源；煤制氣；工藝技術；發(fā)展前景

1.我國煤制氣發(fā)展前景

煤制氣項目是以煤炭為主要原料生產化工和能源產品，傳統煤化工主要包括合成氨、甲醇、焦炭和電石四種產品，現代煤制氣是指替代石油或石油化工的產品，目前主要包括煤制油、煤制烯烴、二甲醚、煤制天然氣等。煤制氣是非石油路線生產替代石油產品的一個有效途徑。從有關資料看，煤制氣的能源轉化效率較高，比用煤生產甲醇等其他產品高約13%，比直接液化高約8%，比間接液化項目高約18%。

煤制氣前景看好，相對于傳統煤化工已經日益明顯的“夕陽”特征，而在材料和燃料兩個新型煤化工發(fā)展方向上，煤質烯烴和煤質乙二醇等煤基材料的發(fā)展前景要好于煤制油等新型煤基清潔能源的煤基燃料方向。

2.煤制天然氣概述

煤制天然氣是以煤為原料，采用氣化、凈化和甲烷化技術制取的合成天然氣。天然氣（natural gas）又稱油田氣、石油氣、石油伴生氣。開采石油時，只有氣體稱為天然氣；石油和石油氣，這個石油氣稱為油田氣或稱石油伴生氣。天然氣的化學組成及其理化特性因地而異，主要成分是甲烷，還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等。無硫化氫時為無色無臭易燃易爆氣體，密度多在0.6～0.8g/cm3，比空氣輕。通常將含甲烷高于90%的稱為干氣，含甲烷低于90%的稱為濕氣。天然氣是一種優(yōu)質、清潔能源，煤制天然氣的耗水量在煤化工行業(yè)中是相對較少，而轉化效率又相對較高，因此，與耗水量較大的煤制油相比具有明顯的優(yōu)勢。此外，煤制天然氣過程中利用的水中不存在有無污染物質，對環(huán)境的影響也較小。

3.煤制天然氣工藝流程

煤制SNG可以高效清潔地利用我國較為豐富的煤炭資源，尤其是劣質煤炭；還可利用生物質資源，拓展生物質的利用形式，來生產國內能源短缺的天然氣，然后并入現有的天然氣長輸管網；再利用已有的天然氣管道和NGCC電廠，在冬天供暖期間，將生產的代用天然氣供給工業(yè)和用作為燃料用于供暖；在夏天用電高峰時，部分代用天然氣用于發(fā)電；在非高峰時期，可以轉變?yōu)長NG以作戰(zhàn)略儲備；從而省去了新建燃煤電廠或改建IGCC電廠的投資和建立鐵路等基礎設施的費用，并保證了天然氣供應的渠道和實現了CO2的減排。由此可見，煤制SNG是一舉數得的有效措施，有望成為未來劣質煤炭資源和生物質資源等綜合利用的發(fā)展方向。本文以某廠煤制SNG項目為例，首先對總工藝流程進行了簡要描述，并對其中甲烷化技術進行了介紹。其次對流程進行了模擬計算，得出客觀可靠數據。最后對煤制SNG在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢進行了分析。

3.1工藝簡介

煤制SNG技術是利用褐煤等劣質煤炭，通過煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、高甲烷化工藝來生產代用天然氣。本文所研究項目的工藝流程如圖1所示，其中氣化采用BGL技術，并配有空分裝置和硫回收裝置。主要流程為：原煤經過備煤單元處理后，經煤鎖送入氣化爐。蒸汽和來自空分的氧氣作為氣化劑從氣化爐下部噴入。在氣化爐內煤和氣化劑逆流接觸，煤經過干燥、干餾和氣化、氧化后，生成粗合成氣。粗合成氣的主要組成為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫、油和高級烴，粗合成氣經急冷和洗滌后送入變換單元。

粗合成氣經過部分變換和工藝廢熱回收后進入酸性氣體脫除單元。粗合成氣經酸性氣體脫除單元脫除硫化氫和二氧化碳及其它雜質后送入甲烷化單元。在甲烷化單元內，原料氣經預熱后送入硫保護反應器，脫硫后依次進入后續(xù)甲烷化反應器進行甲烷化反應，得到合格的天然氣產品，再經壓縮干燥后送入天然氣管網。

圖1 煤制SNG總工藝流程示意圖

3.2甲烷化技術

煤制SNG工藝流程中主要包括煤氣化、變換、酸性氣體脫除、甲烷化等工藝技術，其中高甲烷化技術為關鍵技術之一。

3.2.1托普索甲烷化技術

丹麥托普索公司開發(fā)甲烷化技術可以追溯至20世紀 70年代后期，該工藝已經在半商業(yè)規(guī)模的不同裝置中得到證明，在真實工業(yè)狀態(tài)下生產200m3/h～3000m3/h的SNG。在TREMPTM工藝中，反應在絕熱條件下進行。反應產生的熱量導致了很高的升，通過循環(huán)來控制第一甲烷化反應器的度。TREMPTM工藝一般有三個反應器，第二和第三絕熱反應器可用一個沸水反應器（BWR）代替，雖投資較高，但能夠解決空間有限問題。另外，在有些情況下，采用四個絕熱反應器是一種優(yōu)化選擇，而在有些條件下，使用一個噴射器代替循環(huán)壓縮機。除了核心技術外，因為生產甲烷的過程要放出大量的熱量，如何利用和回收甲烷化熱量是這項技術的關鍵。托普索工藝可以將這些熱量再次利用，在生產天然氣的同時，產出高壓過熱蒸汽。

3.2.2 Davy甲烷化技術

20世紀90年代末期，Davy工藝技術公司獲得了將CRG技術對外轉讓許可的專有權，并進一步開發(fā)了 CRG技術和最新版催化劑。Davy甲烷化工藝技術除具有托普索TREMPTM工藝可產出高壓過熱蒸汽和高品質天然氣特點外，還具有如下特點：催化劑具有變換功能，合成氣不需要調節(jié)H/C比，轉化率高。催化劑使用范圍很寬，在230℃～700℃范圍內都具有很高且穩(wěn)定的活性。

3.2.3魯奇甲烷化技術

魯奇甲烷化技術首先由魯奇公司、南非沙索公司在20世紀70年代開始在兩個半工業(yè)化實驗廠進行試驗，證明了煤氣進行甲烷化可制取合格的天然氣，其中CO轉化率可達100%，CO2轉化率可達98%，產品甲烷含量可達95%，低熱值達8500kcal/Nm3，完全滿足生產天然氣的需求。

4.總結

煤制氣項目對工業(yè)快速發(fā)展具有一定的必要性；對于人們生活質量的提高也具有重要的意義。特別是煤制天然氣項目，它具有廣闊的發(fā)展空間和光明的發(fā)展前景。從技術上說：煤制氣技術中，KBR制氨技術效率高而且環(huán)保，在煤制天然氣技術上我國也有所突破。隨著市場油價的增長，煤制天然氣發(fā)展空間很大，同時國家政策又給予有利的鞭策及支持，這使煤制氣更“健康而茁壯成長”例如：2010年6月，國家發(fā)改委發(fā)布《關于規(guī)范煤制天然氣產業(yè)發(fā)展有關事項的通知》，進一步加強對煤制天然氣產業(yè)的規(guī)范和引導，促進煤制天然氣行業(yè)健康發(fā)展。所以發(fā)展煤化工的煤制氣項目具有發(fā)展前景。

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