周明燦

重慶化工設(shè)計研究院 重慶 400039

煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展及技術(shù)分析

周明燦*

重慶化工設(shè)計研究院 重慶 400039

簡述煤制天然氣發(fā)展歷程，分析國內(nèi)發(fā)展煤制天然氣的背景，總結(jié)現(xiàn)有煤制天然氣項目的工藝特點和運行情況，介紹煤制天然氣工藝發(fā)展新方向。

煤制天然氣 產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析 煤催化氣化 甲烷化耦合

煤制天然氣是現(xiàn)代煤化工的重要分支，是以煤為原料生產(chǎn)合成天然氣，屬于能源化工領(lǐng)域。

1 國外煤制天然氣的發(fā)展

煤制天然氣已具有較長發(fā)展歷史，20世紀(jì)40年代，美國便開始煤制氣的小規(guī)模研發(fā)。由于煤制氣的經(jīng)濟性飽受爭議，且從20世紀(jì)50年代到70年代初，國際油氣價格在扣除通脹因素后，基本維持長期下跌的趨勢，在此期間，煤制天然氣沒有得到實質(zhì)性的發(fā)展。1973年和1979年的兩次石油危機導(dǎo)致國際油氣價格大漲，油氣價格長期看漲不看跌。當(dāng)時的美國被認(rèn)為“少氣富煤”。1980年，在美國政府貸款擔(dān)保的支持下，大平原氣化聯(lián)營公司開始建設(shè)大平原煤制氣工廠，項目采用魯奇加壓固定床煤氣化工藝，煤氣經(jīng)變換、凈化處理后進行甲烷合成。項目于1983年底完工，1984年7月28日開始商業(yè)化運行。1978年，美國立法通過《天然氣政策法》，分階段解除天然氣價格管制，并最終在1987年實現(xiàn)了天然氣價格的市場化。天然氣價格管制的解除刺激了天然氣勘探和開采投資，美國天然氣供應(yīng)逐漸增加，“少氣”的認(rèn)識也逐步得到改變，天然氣價格也隨之逐漸下跌。1985年8月1日，大平原煤制氣工廠因氣價下跌，嚴(yán)重虧損而宣布破產(chǎn)。此后，世界各國對于發(fā)展煤制天然氣均較為謹(jǐn)慎，德國、日本、澳大利亞、英國和加拿大等國也曾進行過許多煤制天然氣的研究，但都停留在實驗階段，沒有實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的量產(chǎn)。

2 國內(nèi)發(fā)展煤制天然氣的背景

我國是一個貧油、少氣、富煤的國家，化石能源總量中絕大部分為煤炭資源，石油和天然氣所占比例低，石油、天然氣儲量與國土面積及人口基數(shù)極度不匹配。截止2015年，我國主要化石能源探明儲量見表1。我國化石能源探明儲量結(jié)構(gòu)與全球化石能源探明儲量結(jié)構(gòu)對比見圖1和圖2。

表1 我國主要化石能源探明儲量

圖1 我國主要化石能源探明儲量組成結(jié)構(gòu)

圖2 全球主要化石能源探明儲量組成結(jié)構(gòu)

能源資源條件決定了能源消費。長期以來，我國能源消費嚴(yán)重依賴煤炭，雖然近年來煤炭在整個能源消費結(jié)構(gòu)中的比例不斷下降，已從2005年的74%下降至2015年的約64%[1]，但與全球平均水平以及主要國家相比，煤炭消費占比仍然嚴(yán)重偏高。我國一次能源消費結(jié)構(gòu)與全球和主要國家的統(tǒng)計見表2[1]。

表2 一次能源消費量與比例統(tǒng)計

由于國內(nèi)能源消費量巨大，約占全球能源消費總量的23%[1]，且大部分以煤炭為主，導(dǎo)致了空氣污染等問題。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和環(huán)境意識的提升，近年來，作為清潔能源的天然氣在我國一次能源的消費比重中逐漸上升，天然氣需求逐年增加。在國內(nèi)天然氣資源缺乏，供給不足的條件下，天然氣進口量逐年增加，進口依賴度持續(xù)上升。2005年至2015年期間，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量、消費量及變化統(tǒng)計見表3[1]，進口依賴度變化趨勢見圖3。

表3 天然氣產(chǎn)量、消費量及增長率統(tǒng)計

圖3 國內(nèi)天然氣進口依賴度統(tǒng)計

為保證天然氣供應(yīng)，國家加大了天然氣的開采和供應(yīng)力度，同時在全球加強能源合作，但國內(nèi)天然氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀仍無法在短時間內(nèi)得到根本改變。為緩解國內(nèi)天然氣供需矛盾，在煤炭資源豐富的地區(qū)，適度發(fā)展煤制天然氣符合我國能源結(jié)構(gòu)特點和能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整需要。在少氣、富煤的中國，從能源資源角度分析，國內(nèi)發(fā)展煤化工是有其必要性和可行性的。從能源價格分析，在產(chǎn)煤地區(qū)，煤炭價格約為300元/t標(biāo)煤，折合0.043元/1000kcal，而國內(nèi)天然氣價格普遍在1.5元/m3及以上，按照每方天然氣9000kcal熱值計算，折合0.167元/1000kcal，即單位能源的煤炭價格僅為天然氣價格的25.7%。按照國家“十二五”煤化工示范項目能效和資源目標(biāo)要求，煤制天然氣工廠的能源轉(zhuǎn)化率最低為52%。以煤炭價格300元/t標(biāo)煤計，煤制天然氣項目的原料、燃料、動力及其它公用工程成本共計折合0.083元/1000kcal，為天然氣市場價格的49.7%。在控制好項目工程建設(shè)質(zhì)量，實現(xiàn)裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行的條件下，煤制天然氣項目是可以實現(xiàn)盈利的。

3 國內(nèi)現(xiàn)有煤制天然氣項目及工藝技術(shù)

2009年8月，國家發(fā)改委核準(zhǔn)了大唐克旗40億m3/a煤制天然氣項目，該項目是國內(nèi)首個通過國家發(fā)改委核準(zhǔn)的大型煤制天然氣國家示范項目。項目分三期建設(shè)，每期規(guī)模為13.3億m3/a，采用魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)粗合成氣，經(jīng)變換、凈化、甲烷化生產(chǎn)合成天然氣，全廠工藝流程與美國大平原煤制氣項目相似?，F(xiàn)有煤制天然氣全廠主工藝流程見圖4。

從煤氣化裝置送出的粗煤氣在變換裝置調(diào)節(jié)H2/CO比例(約為3)后送凈化裝置凈化處理，凈化后的氣體再進甲烷合成裝置進行甲烷合成反應(yīng)，甲烷合成生產(chǎn)的天然氣再經(jīng)壓縮、干燥處理后才能滿足管輸天然氣的要求。整個流程呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)與物理處理交替進行，“冷熱病”和“干濕病”現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖4 全廠主工藝流程

2013年12月18日，大唐克旗40億m3/a煤制天然氣項目一期投運，向中石油北京段天然氣管道輸送煤制天然氣產(chǎn)品。由于現(xiàn)有煤制天然氣技術(shù)存在工藝流程復(fù)雜，建設(shè)投資高等問題，加之項目建設(shè)較為粗放，裝置投運后問題較多，不能實現(xiàn)達產(chǎn)穩(wěn)定運行，且環(huán)境污染較為嚴(yán)重，沒有起到很好的示范作用。繼大唐克旗項目之后，國家發(fā)改委又先后核準(zhǔn)了大唐阜新、新疆慶華、內(nèi)蒙匯能、伊犁新天、內(nèi)蒙古北控等項目，產(chǎn)能達到211億m3/a，但其工藝均采用傳統(tǒng)的煤制天然氣工藝。從已建成項目來看，普遍存在項目建設(shè)投資高、運行不穩(wěn)定、污染較嚴(yán)重、經(jīng)濟性差等問題，與當(dāng)年美國大平原煤制氣項目情況總體相似。由于國內(nèi)天然氣供應(yīng)的巨大缺口和日益增長的需求，煤制天然氣項目還是吸引了眾多企業(yè)參與投資。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前處于投產(chǎn)、在建、前期、計劃或簽約等不同階段的煤制天然氣項目約55個，設(shè)計產(chǎn)能共計約2400億m3/a。

4 煤制天然氣工藝發(fā)展新方向

煤制天然氣產(chǎn)業(yè)是用煤炭資源豐富的優(yōu)勢解決天然氣資源短缺的問題，從根本上說是用能源解決能源問題。煤炭和天然氣作為能源資源，本身存在相互替代性，但因與煤炭作為能源資源相比，天然氣作為能源資源具有高效清潔的特點，使得煤制天然氣有其存在的價值。如果煤制天然氣裝置能源轉(zhuǎn)化率低、加工過程環(huán)境影響大、裝置建設(shè)運行成本高等突出問題得不到有效解決，則煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展將失去意義。

為解決傳統(tǒng)煤制天然氣工藝路線長、流程復(fù)雜、裝置建設(shè)投資高等問題，出現(xiàn)了煤催化氣化制天然氣和煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣兩種技術(shù)。

4.1 煤催化氣化制天然氣

煤催化氣化制天然氣技術(shù)是在催化劑(主要為堿金屬催化劑)作用下，使煤和氣化劑在氣化爐中發(fā)生反應(yīng)直接合成天然氣，氣化爐內(nèi)同時發(fā)生煤氣化、變換和甲烷化反應(yīng)。煤催化氣化制天然氣技術(shù)與傳統(tǒng)煤制天然氣技術(shù)的主要不同點是將傳統(tǒng)煤制天然氣的氣化、變換、甲烷化三大反應(yīng)在氣化爐中一次完成。

煤催化氣化制天然氣技術(shù)最早源自美國Exxon公司。Exxon從1976年開始了煤催化氣化制天然氣的研究，歷時6年，經(jīng)過小試試驗、中間試驗和PDU(1t/d)試驗三個階段，開發(fā)了煤水蒸氣催化氣化制取甲烷工藝。80年代，由于國際石油價格大幅下跌，加之美國天然氣價格市場化改革后“少氣”認(rèn)識得到改變，天然氣價格下跌，使得煤制天然氣在美國失去了存在的價值，Exxon公司便放棄了煤催化氣化制天然氣的進一步研究。

國內(nèi)新奧科技于2008 年開始進行煤催化氣化技術(shù)的自主研發(fā)，先后完成了實驗室小試研究、反應(yīng)器內(nèi)流場和反應(yīng)特性研究、處理規(guī)模為0.5t/d 和5t/d 中試裝置的建設(shè)及過程放大研究，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤催化氣化技術(shù)，2014年8月，該技術(shù)通過了河北省科技廳的科技成果鑒定。

Exxon公司和新奧科技的煤催化氣化制天然氣技術(shù)在工藝原理和工藝流程上大同小異，其主工藝流程見圖5。

圖5 煤催化氣化制天然氣工藝流程

煤催化氣化制天然氣將所有化學(xué)反應(yīng)在氣化爐中一次完成，較大地簡化了工藝流程，將水煤氣吸熱反應(yīng)、變換放熱反應(yīng)和甲烷化放熱反應(yīng)在同一反應(yīng)器中進行，可以有效提高反應(yīng)熱的利用效率，有利于提高裝置能效。但煤催化氣化制天然氣也有其與生俱來的不足，主要包括以下幾點：

(1)催化劑添加量較大，一般占原料煤量的10%～15%，且催化劑回收率較低，僅為70%左右，催化劑成本較高。

(2)催化劑主要含堿金屬，大量堿金屬的加入使煤的灰熔點顯著降低，而為了避免催化劑燒結(jié)和回收催化劑，煤催化氣化的反應(yīng)溫度一般只能控制在800℃以下，較低的反應(yīng)溫度降低了煤氣化反應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率。

(3)700～800℃的反應(yīng)溫度雖然對氣化反應(yīng)偏低，但已非常不利于放熱的甲烷化反應(yīng)提高平衡轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致從反應(yīng)器出來的富甲烷氣中含有大量的CO和H2，降低了下游系統(tǒng)的利用率，循環(huán)氣量大，增加了裝置運行成本。

(4)煤催化氣化對原料煤的灰含量要求高，一般要求在8%以下，灰含量越高，其催化劑回收越困難，回收成本也越高。

(5)大量堿金屬催化劑的加入加劇了系統(tǒng)的腐蝕，不利于裝置長期穩(wěn)定運行，整個裝置經(jīng)濟性降低。

4.2 煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣

煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣技術(shù)是將煤氣化裝置送出的粗煤氣直接進行變換和甲烷合成反應(yīng)，因變換反應(yīng)的產(chǎn)物H2是甲烷合成的反應(yīng)物，甲烷合成反應(yīng)的產(chǎn)物H2O是變換反應(yīng)的反應(yīng)物，故讓變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)同時發(fā)生，能夠發(fā)生很好的耦合效應(yīng)，提高裝置運行能效。經(jīng)變換甲烷化耦合反應(yīng)處理后的氣體進行脫硫脫碳和壓縮處理后即可滿足管輸天然氣要求。其工藝流程見圖6。

圖6 煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣工藝流程

煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣技術(shù)具有以下主要特點：

(1)工藝流程簡單，化物分區(qū)、溫度分區(qū)和干濕分區(qū)清晰，前端煤氣化與變換甲烷化為化學(xué)反應(yīng)區(qū)、高溫區(qū)和濕區(qū)，后端凈化和壓縮為物理處理區(qū)、低溫區(qū)、干區(qū)。

(2)與煤催化氣化制天然氣技術(shù)相比，該技術(shù)煤氣化裝置可以根據(jù)原料煤特點選擇多種成熟的常規(guī)氣化工藝，以保證穩(wěn)定運行。

(3)變換甲烷化裝置耦合了變換反應(yīng)和甲烷合成反應(yīng)，具體表現(xiàn)為H2作為變換反應(yīng)的產(chǎn)物，是甲烷化反應(yīng)的反應(yīng)物，耦合有利于推動變換反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，降低推動變換反應(yīng)平衡的蒸汽消耗；H2O作為甲烷化反應(yīng)的產(chǎn)物，是變換反應(yīng)的反應(yīng)物，耦合有利于推動甲烷化反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，變換反應(yīng)直接利用甲烷化反應(yīng)生成的H2O，降低變換反應(yīng)的外供蒸汽消耗，提高了裝置能效。

(4)變換反應(yīng)和甲烷合成反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，可以通過控制反應(yīng)溫度來提高兩個反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，可以實現(xiàn)將粗煤氣中的有效氣(CO+H2)幾乎全部轉(zhuǎn)化為CH4，而不會出現(xiàn)煤催化氣化工藝的氣化反應(yīng)與甲烷合成反應(yīng)溫度控制矛盾問題。

(5)甲烷合成反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，1體積的CO與3體積的H2反應(yīng)生成1體積的CH4，粗煤氣中有效氣(CO+H2)幾乎全部轉(zhuǎn)化為CH4后再進凈化裝置，其總氣量大幅減少，降低了凈化裝置的投資和運行成本。

煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣技術(shù)工藝先進性優(yōu)勢明顯，可以作為未來煤制天然氣發(fā)展的重要方向，但該技術(shù)需要使用耐硫變換甲烷化催化劑。目前耐硫變換主要使用Co-Mo系催化劑，已非常成熟，但甲烷化催化劑主要使用不耐硫的Ni基催化劑，雖然業(yè)界已經(jīng)開始了耐硫甲烷化催化劑的研究，并有大量耐硫甲烷化催化劑制造工藝的專利技術(shù)申請，但還有待工業(yè)化運行的檢驗。

5 結(jié)語

煤制天然氣具有較長發(fā)展歷史，雖然沒有在國外取得較好的發(fā)展，但在少氣、富煤和天然氣需求不斷增長的中國，在煤炭資源豐富的地區(qū)，適度發(fā)展煤制天然氣是可行性的，也是有必要的。煤制天然氣產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展，關(guān)鍵在于工藝技術(shù)能否革新。現(xiàn)有煤制天然氣技術(shù)工藝流程復(fù)雜，建設(shè)投資高，項目經(jīng)濟差，不適宜大面積推廣。煤氣變換甲烷化耦合反應(yīng)制天然氣技術(shù)工藝流程簡單，運行能耗低，是值得業(yè)界研究和推廣的煤制天然氣技術(shù)。一旦耐硫甲烷化催化劑實現(xiàn)工業(yè)化操作，煤制天然氣將迎來行業(yè)發(fā)展的春天。

1 世界能源統(tǒng)計年鑒2016.2016.6

*周明燦：高級工程師。2006年6月畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)。從事化工項目的咨詢、設(shè)計和項目管理工作。

聯(lián)系電話：13883079926，E-mail：184557065@qq.com。

2017-08-04)