煤制天然氣的工藝流程淺析

朱健

摘要：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(yīng)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(shù)、發(fā)展前景作出綜合性評定。分析了中國發(fā)展煤制天然氣的必要性和煤制天然氣項(xiàng)目概況。對中國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：煤炭資源；煤制氣；工藝技術(shù)；

隨著人們生活水平的提高，對居住環(huán)境的要求也日益提高，在這個(gè)背景下人們對優(yōu)質(zhì)清潔能源天然氣的需求也急劇攀升，其在能源結(jié)構(gòu)中的比例迅速增加。中國天然氣儲(chǔ)量不足、產(chǎn)能有限的能源現(xiàn)狀，導(dǎo)致天然氣供需矛盾日益突出。國務(wù)院發(fā)展研究中心市場經(jīng)濟(jì)研究所研究報(bào)告預(yù)計(jì)，2015 年中國天然氣消費(fèi)量將增長至 1500 億 m3 ，2020 年增長至 3000 億 m3 。而與此同時(shí)，中國天然氣產(chǎn)量將分別為 1400 億 m3 、1500 億 m3 左右，因此中國未來天然氣的供需將出現(xiàn)巨大的缺口 。從 2007 年 11 月開始，中國就禁止了天然氣制甲醇項(xiàng)目，并限制煤炭充足地區(qū)的天然氣發(fā)電來保障城市燃?xì)獾奶烊粴夤?yīng) 。

1.我國煤制氣發(fā)展前景

煤制氣項(xiàng)目是以煤炭為主要原料生產(chǎn)化工和能源產(chǎn)品，傳統(tǒng)煤化工主要包括合成氨、甲醇、焦炭和電石四種產(chǎn)品，現(xiàn)代煤制氣是指替代石油或石油化工的產(chǎn)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(chǎn)替代石油產(chǎn)品的一個(gè)有效途徑。從有關(guān)資料看，煤制氣的能源轉(zhuǎn)化效率較高，比用煤生產(chǎn)甲醇等其他產(chǎn)品高約13%，比直接液化高約8%，比間接液化項(xiàng)目高約18%。

煤制氣前景看好，相對于傳統(tǒng)煤化工已經(jīng)日益明顯的“夕陽”特征，而在材料和燃料兩個(gè)新型煤化工發(fā)展方向上，煤質(zhì)烯烴和煤質(zhì)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(shù)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(shí)，只有氣體稱為天然氣；石油和石油氣，這個(gè)石油氣稱為油田氣或稱石油伴生氣。天然氣的化學(xué)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(shí)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(zhì)、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(zhuǎn)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(zhì)，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(zhì)煤炭；還可利用生物質(zhì)資源，拓展生物質(zhì)的利用形式，來生產(chǎn)國內(nèi)能源短缺的天然氣，然后并入現(xiàn)有的天然氣長輸管網(wǎng)；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(chǎn)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(shí)，部分代用天然氣用于發(fā)電；在非高峰時(shí)期，可以轉(zhuǎn)變?yōu)長NG以作戰(zhàn)略儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用，并保證了天然氣供應(yīng)的渠道和實(shí)現(xiàn)了CO2的減排。由此可見，煤制SNG是一舉數(shù)得的有效措施，有望成為未來劣質(zhì)煤炭資源和生物質(zhì)資源等綜合利用的發(fā)展方向。本文以某廠煤制SNG項(xiàng)目為例，首先對總工藝流程進(jìn)行了簡要描述，并對其中甲烷化技術(shù)進(jìn)行了介紹。其次對流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出客觀可靠數(shù)據(jù)。最后對煤制SNG在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢進(jìn)行了分析。

3.1工藝簡介

煤制SNG技術(shù)是利用褐煤等劣質(zhì)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(chǎn)代用天然氣。本文所研究項(xiàng)目的工藝流程如圖1所示，其中氣化采用BGL技術(shù)，并配有空分裝置和硫回收裝置。主要流程為：原煤經(jīng)過備煤單元處理后，經(jīng)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(nèi)煤和氣化劑逆流接觸，煤經(jīng)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(jīng)急冷和洗滌后送入變換單元。

粗合成氣經(jīng)過部分變換和工藝廢熱回收后進(jìn)入酸性氣體脫除單元。粗合成氣經(jīng)酸性氣體脫除單元脫除硫化氫和二氧化碳及其它雜質(zhì)后送入甲烷化單元。在甲烷化單元內(nèi)，原料氣經(jīng)預(yù)熱后送入硫保護(hù)反應(yīng)器，脫硫后依次進(jìn)入后續(xù)甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到合格的天然氣產(chǎn)品，再經(jīng)壓縮干燥后送入天然氣管網(wǎng)。

3.2甲烷化技術(shù)

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(shù)，其中高甲烷化技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.1托普索甲烷化技術(shù)

丹麥托普索公司開發(fā)甲烷化技術(shù)可以追溯至20世紀(jì) 70年代后期，該工藝已經(jīng)在半商業(yè)規(guī)模的不同裝置中得到證明，在真實(shí)工業(yè)狀態(tài)下生產(chǎn)200m3/h～3000m3/h的SNG。在TREMPTM工藝中，反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致了很高的升，通過循環(huán)來控制第一甲烷化反應(yīng)器的度。TREMPTM工藝一般有三個(gè)反應(yīng)器，第二和第三絕熱反應(yīng)器可用一個(gè)沸水反應(yīng)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(gè)絕熱反應(yīng)器是一種優(yōu)化選擇，而在有些條件下，使用一個(gè)噴射器代替循環(huán)壓縮機(jī)。除了核心技術(shù)外，因?yàn)樯a(chǎn)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。托普索工藝可以將這些熱量再次利用，在生產(chǎn)天然氣的同時(shí)，產(chǎn)出高壓過熱蒸汽。

3.2.2魯奇甲烷化技術(shù)

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

4.總結(jié)

煤制氣項(xiàng)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(zhì)量的提高也具有重要的意義。特別是煤制天然氣項(xiàng)目，它具有廣闊的發(fā)展空間和光明的發(fā)展前景。從技術(shù)上說：煤制氣技術(shù)中，KBR制氨技術(shù)效率高而且環(huán)保，在煤制天然氣技術(shù)上我國也有所突破。隨著市場油價(jià)的增長，煤制天然氣發(fā)展空間很大，同時(shí)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(guān)于規(guī)范煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展有關(guān)事項(xiàng)的通知》，進(jìn)一步加強(qiáng)對煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的規(guī)范和引導(dǎo)，促進(jìn)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(xiàng)目具有發(fā)展前景。

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