藺華林 李克健 趙利軍

中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展

藺華林 李克健 趙利軍

中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

隨著人們對天然氣需求的快速增長，煤制天然氣技術受到越來越多的關注，而煤制天然氣的核心技術是甲烷化技術。對煤制合成天然氣的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，并對甲烷化技術需要解決的關鍵技術及其發(fā)展提出了自己的見解。

天然氣 煤 甲烷化

天然氣是一種清潔、便捷、安全的優(yōu)質(zhì)能源，其主要成分為甲烷（CH4）。目前，世界天然氣供需基本平衡，但需求增速遠遠大于產(chǎn)量增速。在中國，隨著城市化進程的加快和人民生活水平的提高以及環(huán)境保護意識的增強，對天然氣的需求呈快速增長勢頭，可以預見未來無論是國內(nèi)還是國外對于天然氣的需求都存在很大的缺口。

表1列出了2009～2020年國內(nèi)天然氣供需情況及對未來供需的預測[1]?？梢钥闯?，雖然我國每年天然氣供應量呈逐年增長的趨勢，但遠遠落后市場需求的快速增長，天然氣供不應求的局面在我國將長期存在。

表1 2009～2020年中國天然氣供需預測（億m3）

我國的能源結構特點是富煤、少油及缺氣。煤炭資源豐富，且煤種齊全，分布較廣。煤制合成天然氣流程是將煤經(jīng)過氣化、氣體凈化、變換以及甲烷化四個單元來制備天然氣。通過煤制天然氣技術可以使煤直接燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)集中回收利用，也是高碳能源向低碳、富氫能源轉化的有效途徑。發(fā)展煤制天然氣不僅可以緩解我國天然氣供應不足的局面，彌補天然氣供需缺口，對于實現(xiàn)油氣資源的多元化、能源安全、節(jié)能減排等方面具有戰(zhàn)略性意義。

1 國外煤制天然氣發(fā)展狀況

煤制天然氣工藝路線的核心技術是甲烷化技術，最早由德國魯奇公司和南非沙索公司的工程師在半工業(yè)化實驗廠進行考察時提出。國外的研發(fā)是以制取代用天然氣為目的，目前大型甲烷化技術在國外發(fā)展已經(jīng)成熟。能夠提供成套技術的主要有德國的魯奇公司、丹麥的托普索公司、英國的Davy公司以及美國的巨點能源公司等。

魯奇公司和南非沙索公司，在南非F-T煤制油工廠旁建了一套半工業(yè)化煤制合成天然氣試驗裝置，同時，魯奇公司和奧地利艾爾帕索天然氣公司在奧地利維也納石油化工廠建設了另一套半工業(yè)化的天然氣試驗裝置。兩套試驗裝置都進行了較長時期的運轉[2]。

美國大平原煤氣化廠是世界上第一座由煤氣化經(jīng)甲烷化合成高熱值煤氣的大型商業(yè)化工廠，采用魯奇加壓移動床氣化爐，用北達可達褐煤的塊煤為原料，生產(chǎn)代用天然氣[3]，商業(yè)運作20年，實現(xiàn)了長周期平穩(wěn)運行，經(jīng)濟效益良好。它在合成燃料工業(yè)中發(fā)揮著先驅和示范作用。

丹麥Topsoe公司使用自己開發(fā)的專用催化劑，建設了12 m3/h的中試裝置。其代表性的甲烷化催化劑為MCR-2X，該催化劑是將22%鎳負載到一種穩(wěn)定的載體上制備而成的[4]，無論在低溫下（250℃）還是在高溫下（700℃）都能穩(wěn)定運行，已經(jīng)通過工業(yè)驗證是一種具有長期穩(wěn)定性的催化劑[5]，累積運行記錄超過了45 000 h。在高壓下，該催化劑可以避免羰基形成，保持高活性和長壽命，能生產(chǎn)出高品質(zhì)的代用天然氣，甲烷體積分數(shù)可達94%～96%，完全可滿足天然氣標準以及管道輸送的要求。

Davy的CRG工藝與Topsoe的TREMP工藝基本類似[6]，其代表性的甲烷化催化劑為CEG-LH，該催化劑使用溫度范圍很寬，在230～700℃范圍內(nèi)都具有很高且穩(wěn)定的活性，使用該催化劑具有變換功能，合成氣不需要調(diào)節(jié)H/C比，轉化率高，該催化劑已經(jīng)過工業(yè)化驗證，擁有美國大平原等很多業(yè)績，甲烷化壓力高達3.0～6.0 MPa，可以減少設備尺寸，使用該催化劑能生產(chǎn)出高品質(zhì)的代用天然氣，甲烷體積分數(shù)可達94%～96%。

美國巨點能源公司開發(fā)的一步法煤制天然氣技術[7]，又稱“藍氣技術”。巨點能源技術采用一步法合成煤基天然氣，降低氣化裝置的操作溫度，在溫和的“催化”條件下，直接催化反應并生產(chǎn)出清潔可燃的天然氣。其具有煤種適應性廣泛、工藝簡單、設備造價低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點。生產(chǎn)出的天然氣符合管道運輸條件標準。目前正積極推進該公司開發(fā)的一步法煤制天然氣技術的商業(yè)化進程，計劃到2022年采用“藍氣技術”裝置的總規(guī)模能力達到日產(chǎn)2 832萬m3煤制天然氣。

2 國內(nèi)煤制天然氣甲烷化技術發(fā)展概況

目前我國甲烷化技術的主要作用一方面是將人工煤氣中的部分CO轉換為CH4，提高煤氣熱值，同時也降低煤氣中CO含量，以滿足國家標準對人工城市煤氣的要求[8-9]；另一方面是合成氣精制，即通過甲烷化技術脫除少量CO和CO2，一般是用于合成氨廠[10-11]。

我國在20世紀80年代至90年代煤氣甲烷化增加熱值的研究開發(fā)工作的進展較為迅速。當時開展的“水煤氣甲烷化技術生產(chǎn)城鎮(zhèn)燃氣的研究”，主要用來解決城市煤氣熱值問題，參與這項研究的單位有：中國科學院大連化物所、煤科總院北京煤化所、中國科技大學、西北化工研究所、華東理工大學及上海煤氣公司等。其中中科院大連化學物理研究所、華東理工大學及西北化工研究院在低熱值煤氣甲烷化制取中熱值城市煤氣方面做了大量工作。中科院大連化學物理研究所進行了常壓水煤氣甲烷化、加壓耐硫甲烷化及低壓耐硫甲烷化技術的研究開發(fā)。西北化工研究院于1997年完成兩段煤氣甲烷化催化劑及多段固定床甲烷化工藝中間試驗[2]。

上述甲烷化技術基本采用常壓狀態(tài)操作，與現(xiàn)在流行的大型加壓氣化技術不能匹配，因此，甲烷化技術在我國雖有一定的研究基礎，但要形成適應新型氣化技術的甲烷化技術，還需要進行大量開發(fā)工作。

3 國內(nèi)煤制天然氣項目進展情況

隨著對天然氣需求的劇增，國內(nèi)煤制天然氣項目出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的勢頭。目前國內(nèi)規(guī)劃和在建的煤制天然氣項目近10個，預計年產(chǎn)近200億m3，成為繼煤制油之后的煤化工領域投資熱點。

（1）神華集團煤制天然氣項目[12]

神華集團鄂爾多斯煤制天然氣項目于2009年4月在內(nèi)蒙古進行奠基儀式。該項目年產(chǎn)天然氣20億m3，將主要供應京津塘地區(qū)；副產(chǎn)品為硫磺、粗酚、石腦油、焦油和液氨等，預計2012年建成投產(chǎn)。通過該項目的實施，可以將“西煤”就地轉化為“西氣”，然后通過全封閉管道“東輸”，進一步提高了煤炭清潔利用水平，豐富了“西氣東輸”戰(zhàn)略的內(nèi)涵。這是神華繼煤制油和煤制烯烴等重大項目后，在煤化工領域的又一突破。

（2）大唐國際遼寧阜新煤制天然氣項目

內(nèi)蒙古大唐國際發(fā)電股份有限公司（皆稱大唐國際）遼寧阜新煤制天然氣項目利用內(nèi)蒙古錫林浩特的煤炭資源在遼寧阜新建設一套生產(chǎn)能力為1 200萬m3/d合成天然氣裝置及配套的熱電站和其他公用工程、輔助工程。生產(chǎn)的天然氣經(jīng)管道送往遼寧省各大中型城市。

該煤制天然氣項目地點位于遼寧省阜新市新邱區(qū)長營子鎮(zhèn)煤化工產(chǎn)業(yè)區(qū)。輸氣管道工程全長達1 107 km，輸送氣以煤制天然氣為主。該項目目前正在進行項目的前期可行性研究工作。

（3）大唐國際內(nèi)蒙古克什克騰旗煤制天然氣項目[13]

2008年4月11日，內(nèi)蒙古大唐國際發(fā)電股份有限公司籌備、建設及運營內(nèi)蒙古克什克騰旗生產(chǎn)天然氣40億m3/a工程。投產(chǎn)后主產(chǎn)品天然氣采用長輸管道輸送，管線從內(nèi)蒙古克什克騰旗站到北京密云，全長448 km。該項目2012年可望全部建成，工程建成后主要供應目標是北京市以及輸氣管線沿線城市。

（4）華銀電力內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗煤制天然氣項目

2008年8月18日，華銀電力公司與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人民政府以及伊金霍洛旗人民政府簽署投資合作框架協(xié)議，擬通過引進美國巨點能源公司的一步法煤制合成天然氣技術，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗投資建設基于該技術的煤制合成天然氣示范項目。

（5）新礦集團新疆伊犁100億m3制備天然氣項目[14]

2009年國家重點項目——100億m3/a煤制天然氣工程在新疆伊犁開工建設。項目建成后，可通過國家“西氣東輸”二線，每年向新疆和我國東部地區(qū)供應煤制天然氣100億m3以上。最近，該項目再次贏得美國資源專業(yè)公司的青睞，并進行實地考察，就煤制天然氣項目以及資本合作等進行了交流。

（6）華能新疆公司煤制天然氣項目

華能新疆能源開發(fā)有限公司計劃總投資350億元在準東規(guī)劃建設60億m3/a煤制天然氣項目。該項目分兩期，項目一期工程40億m3/a煤制天然氣項目于2010年6月8日在昌吉州完成了奠基儀式，2013年建成投產(chǎn)；項目二期工程20億m3/a煤制天然氣項目2012年開工建設，2016年建成投產(chǎn)。

該項目將以華能準東大井礦區(qū)6號井煤為原料生產(chǎn)天然氣，采用煤加壓氣化技術生產(chǎn)粗合成氣，通過一氧化碳變換調(diào)整合成氣中H/C比、脫除酸性氣體中硫化氫以及二氧化碳等、合成氣通過甲烷化及脫水生產(chǎn)天然氣產(chǎn)品。主要工藝裝置包括：煤氣化、空分裝置、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化、干燥裝置等。

（7）其他煤制天然氣項目

中國海洋石油總公司與同煤集團合作在內(nèi)蒙古包頭和山西朔州等地籌建年轉化1 800萬t原煤煤層氣項目；慶華集團伊犁煤制天然氣項目等。

4 甲烷化技術需要解決的關鍵技術

甲烷化反應是CO和H2在一定溫度、壓力和催化劑存在的條件下進行的反應，該反應為高放熱反應[5]。據(jù)估計，每1%CO轉變成CH4，反應器絕熱升溫60～70℃。如此高的熱量不及時移走，將會導致催化劑燒結，使反應不能順利進行。因此，對反應器和催化劑提出了很高的要求，也是甲烷化技術所需要解決的關鍵技術問題。

目前工業(yè)上常用的兩種甲烷化反應器是冷卻反應器和絕熱反應器[15-16]。冷卻反應器多數(shù)是在受壓殼層內(nèi)裝有許多平行管，催化劑即可以裝在周邊是冷卻介質(zhì)的平行管內(nèi)。還有一種是細分催化劑床層為許多部分并通過在各部分之間引入冷卻氣或者從某一部分抽出產(chǎn)物以達到冷卻的目的，該反應器的優(yōu)點是需要裝填的催化劑較少，反應器溫度變化不大，由此在反應器出口氣體中獲得濃度較高的理想反應產(chǎn)物（CH4）是可能的，但該反應器在結構和操作上比較復雜。

與之相比，絕熱反應器由于結構簡單，裝填催化劑比較方便，同樣其控制也比較容易。而其缺點是由于反應器是封閉的，在反應過程中反應溫度過高會導致催化劑被破壞，甚至有可能反應器也被破壞。

因此，反應器決定了反應過程中的取熱問題，重點應該解決反應器構建及取熱方式等關鍵技術。

開發(fā)高溫甲烷化催化劑以減少在反應過程中所產(chǎn)生的燒結、析炭等問題也是高溫甲烷化需要解決的另一項關鍵技術。

5 發(fā)展煤制合成天然氣需要考慮的問題

我國的煤制合成天然氣技術開發(fā)還未達到產(chǎn)業(yè)應用階段，面對我國以煤為主的能源結構現(xiàn)實，發(fā)展煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)，對我國具有重要的現(xiàn)實意義，同時也需要考慮以下一些問題：

（1）煤制天然氣項目要與煤氣化技術相匹配發(fā)展，同時要考慮到生產(chǎn)出的天然氣產(chǎn)品的輸送問題。

（2）由于天然氣價格受國家宏觀調(diào)控，煤制天然氣項目要盡可能在規(guī)劃時就要與下游產(chǎn)品統(tǒng)籌規(guī)劃，以提高項目的抗風險能力。

（3）煤制天然氣項目的發(fā)展過程要同時考慮環(huán)境問題，其發(fā)展面臨著碳排放和污染物處理的環(huán)保壓力。

（4）發(fā)展煤制合成天然氣是長期的能源發(fā)展戰(zhàn)略問題。目前，我國煤制合成天然氣關鍵技術還需要從國外引進，發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權甲烷化技術是一項迫切的任務。

（5）發(fā)展煤制天然氣要考慮到資源問題。建議在煤炭資源儲量豐富地區(qū)，如新疆地區(qū)大力發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)。

總之，煤制天然氣作為液化石油氣和天然氣的替代和補充，既實現(xiàn)了清潔能源生產(chǎn)的新途徑，優(yōu)化了煤炭深加工產(chǎn)業(yè)結構，又具有能源利用率高的特點，符合國內(nèi)外煤炭加工利用的發(fā)展方向，對于緩解國內(nèi)石油和天然氣短缺，保障我國能源安全具有重要意義。我們應總結國內(nèi)外煤制合成天然氣技術的發(fā)展特點及先進技術，進行如新型高溫甲烷化催化劑的開發(fā)和新工藝開發(fā)及關鍵設備開發(fā)等課題的研究，爭取開發(fā)出具有獨立自主知識產(chǎn)權的甲烷化技術，為我國煤制天然氣的發(fā)展奠定堅實的基礎。

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TQ546.4

藺華林 女 1978年生 博士 華東理工大學2008年畢業(yè) 已發(fā)表論文數(shù)篇

2010年7月