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        煤制替代/合成天然氣技術(shù)的研究

        2017-02-09 23:48:07劉文靜
        魅力中國(guó) 2016年35期
        關(guān)鍵詞:煤制氣

        劉文靜

        摘要:本文主要分析了煤制替代/合成天然氣技術(shù)的流程工藝,其中主要包含煤制替代/合成天然氣技術(shù)的傳統(tǒng)兩步法、煤加氫氣化法、煤催化水蒸氣氣化法等。并根據(jù)各個(gè)煤制替代/合成天然氣技術(shù)的不同工藝技術(shù)特點(diǎn)以及各個(gè)工藝條件和相應(yīng)的反應(yīng)器和催化劑的使用等進(jìn)行介紹。分析使用不用的反應(yīng)器以及煤制替代/合成天然氣技術(shù)的工藝條件不同使用的基本選擇原則。

        關(guān)鍵詞:甲烷化;煤制氣;甲烷化催化劑

        一、前言

        煤制替代/合成天然氣技術(shù)作為一種新型的能源發(fā)展模式,其不單單可以解決我國(guó)當(dāng)前的能源壓力問(wèn)題,還能實(shí)現(xiàn)煤炭資源制品的合理應(yīng)用,煤制替代/合成天然氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)很多煤炭資源豐富但是水資源極度匱乏的地區(qū)表現(xiàn)的極為突出。[1]

        二、傳統(tǒng)兩步法制備煤制替代/合成天然氣

        (一)傳統(tǒng)兩步法的工藝條件分析

        傳統(tǒng)兩步法的多種工藝中比較突出的是典型的 氣化工藝,這種典型的工藝需要的投資成本往往較低,且反應(yīng)中所生產(chǎn)的煤制替代/合成天然氣時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)反應(yīng)規(guī)模的有效控制,并減少反應(yīng)工藝中的消耗。該反應(yīng)中往往使用褐煤作為反應(yīng)的主要原料,同時(shí)加入具有 含量的甲烷氣體,而粗煤氣中的氫氣和一氧化碳的含量比值在2左右。[2]為了有效的提高煤的使用效率,并起到降低反應(yīng)成本的作用,水煤漿以及干煤粉氣化技術(shù)在保護(hù)環(huán)境方面也有較高的使用優(yōu)勢(shì)。[3]氣體的甲烷化是一種強(qiáng)放熱反應(yīng),第一步的反應(yīng)需要在高溫下實(shí)施,在反應(yīng)的過(guò)程中做好溫度的控制,并使得反應(yīng)的速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而第二步的低溫反應(yīng)則可以使一氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化成為甲烷氣體。在反應(yīng)的過(guò)程中輔助蒸汽的加入可以改善合成氣體的組成。甲烷化工藝的主要差別在于反應(yīng)中的溫度控制方式的差異性。

        (二)反應(yīng)器

        在制備煤制替代/合成天然氣的反應(yīng)過(guò)程中所使用的反應(yīng)容器有固定床絕熱反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、三相流化床或漿態(tài)床反應(yīng)器等。其中固定床絕熱反應(yīng)器在使用的過(guò)程中為了使得甲烷化的溫度得到有效控制,并充分的利用反應(yīng)的熱量則需要實(shí)施分步反應(yīng),并對(duì)原料氣進(jìn)行稀釋。流化床反應(yīng)器的傳熱效率相對(duì)較高,因此整個(gè)反應(yīng)器中的整體溫度的控制相對(duì)較為簡(jiǎn)便。

        (三)催化劑

        現(xiàn)在比較成熟的甲烷化工藝中大范圍的應(yīng)用非耐硫甲烷催化劑。而鎳系的催化劑往往對(duì)工藝流程的要求較多,所以投資的成本相對(duì)較大。綜合多種功能和優(yōu)勢(shì)為一體的耐硫甲烷催化劑可以使得粗煤氣實(shí)現(xiàn)甲烷化,因此對(duì)于整個(gè)工藝的要求也相對(duì)較低,是一種應(yīng)用十分廣泛的催化劑。

        三、煤加氫氣法制備煤制替代/合成天然氣

        傳統(tǒng)的兩步來(lái)紙杯煤制替代/合成天然氣雖然發(fā)展的時(shí)間較久,且工藝相對(duì)較為成熟。為了解決傳統(tǒng)兩步法所面臨的問(wèn)題,所以開(kāi)發(fā)了煤加氫氣法來(lái)進(jìn)行煤制替代/合成天然氣的制備。利用煤加氫氣法來(lái)紙杯煤制替代/合成天然氣時(shí),首先需要把煤炭制成煤粉,然后把粉狀的煤和氫氣一起通入到氣化爐子內(nèi)部。然后在煤氣化的階段和活性炭進(jìn)行反應(yīng),最終得到甲烷氣。煤加氫氣法制備煤制替代/合成天然氣時(shí),氫氣可以在汽化爐的半焦化過(guò)程中產(chǎn)生。利用供氧燃燒的作用使得原料處于預(yù)熱狀態(tài),輔助內(nèi)部含有高壓的反應(yīng)器保證整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的甲烷濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。利用煤加氫氣法中的技術(shù)工藝主要有流化床工藝以及氣流床工藝。

        四、煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣

        與煤加氫氣法相互比較,煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣可以在溫度較為溫和的環(huán)境下進(jìn)行,且反應(yīng)的條件也較為便捷。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐分析可以了解到,催化水蒸氣氣化反應(yīng)來(lái)制備煤制替代/合成天然氣中,反應(yīng)的熱效率比較高,且和氧氣水蒸氣氣化集成反應(yīng)相互比較,其制備的煤制替代/合成天然氣的效率高達(dá)70%以上。反應(yīng)的過(guò)程中并不需要額外的甲烷化反應(yīng)器,投資的效果也較低。整個(gè)過(guò)程中所使用的催化劑需要和最終的反應(yīng)灰渣相互分離,并實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。

        (一)煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣的工藝條件以及反應(yīng)容器的選擇分析

        美國(guó)的一家公司開(kāi)發(fā)研制了 催化氣化工藝,這種工藝所使用的是比較常規(guī)的流化床反應(yīng)器。整個(gè)反應(yīng)的溫度嚴(yán)格控制在700到750攝氏度,壓力值為3.5兆帕。反應(yīng)中會(huì)在硫化床底部排除一定的半焦以及灰粉。生產(chǎn)出的氣體經(jīng)過(guò)除塵處理之后,脫去其中的酸性砌體,最終在低溫下精餾得到最終的產(chǎn)物煤制替代/合成天然氣。反應(yīng)過(guò)程中所分離出來(lái)的一氧化碳?xì)怏w和氫氣的混合物經(jīng)過(guò)預(yù)先的熱處理之后會(huì)重新流通到氣化反應(yīng)容器中,并和水蒸氣一起當(dāng)作反應(yīng)中的氣化劑進(jìn)行使用。煤礦物質(zhì)中所含有的粘土?xí)外淃}催化劑發(fā)生反應(yīng)最終生產(chǎn)硅酸鋁鉀。而生成的硅酸鋁鉀和催化劑相互作用,影響催化劑活性。

        (二)煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣的工藝的催化劑使用

        使用該種辦法制備煤制替代/合成天然氣所使用的催化劑堿金屬催化劑。比較常見(jiàn)的有氫氧化物、甲酸鹽以及重碳酸鹽等等。催化劑的作用機(jī)理是利用堿金屬鹽以及含有碳的固體化合物相互混合,最終經(jīng)過(guò)干燥處理后,在加熱情況下提高炭和堿金屬的活性物,進(jìn)而起到一定的催化效果。催化劑在反應(yīng)過(guò)程中不單單可以實(shí)現(xiàn)煤氣化的催化效果,還可以實(shí)現(xiàn)甲烷化的反應(yīng)。

        五、解耦氣化集成甲烷化法制備煤制替代/合成天然氣

        這種反應(yīng)辦法是把氣化過(guò)程、水煤氣的變化過(guò)程以及甲烷化過(guò)程集中在一個(gè)反應(yīng)容器中進(jìn)行。但是,每一個(gè)反應(yīng)的優(yōu)化條件相差較多,所以各個(gè)反應(yīng)在耦合的過(guò)程中并不能夠在各自比較適合的反應(yīng)下實(shí)施。此外,還該反應(yīng)還受到熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相互限制,最終導(dǎo)致煤炭的轉(zhuǎn)化效率較低,因此與規(guī)模相同的傳統(tǒng)兩步法相互比較,其產(chǎn)生的甲烷含量也比較少。由于解耦氣化集成甲烷化法制備煤制替代/合成天然氣工藝和傳統(tǒng)模式的氣化反應(yīng)相互比較,解耦氣化制備煤制替代/合成天然氣分離了某些反應(yīng),給反應(yīng)提供了一定的優(yōu)化環(huán)境,并在優(yōu)化環(huán)境的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的集成,導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)效率大大提高。

        六、結(jié)語(yǔ)

        合理的使用煤制替代/合成天然氣的制備工藝可以使得我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)得到改善,并保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的長(zhǎng)久發(fā)展。所以,我們需要對(duì)制備煤制替代/合成天然氣的各種工藝流程進(jìn)行研究和探討,并尋找其中的工藝技術(shù)突破點(diǎn)。在保證煤制替代/合成天然氣制備系統(tǒng)的高效率同時(shí)減少制備煤制替代/合成天然氣的制備成本,保障煤制替代/合成天然氣應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí),借鑒國(guó)外制備煤制替代/合成天然氣的相關(guān)技術(shù)工藝,并實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤制替代/合成天然氣制備技術(shù)的革新。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王光永,徐紹平.煤制替代/合成天然氣技術(shù)的研究進(jìn)展[J].石油化工,2016, 45(1):1-9.

        [2]李瑤,鄭化安,張生軍,付剛,趙鶴翔.煤制合成天然氣現(xiàn)狀與發(fā)展[J].潔凈煤技術(shù),2013, 19(6):62-66.

        [3]藺華林,李克健,趙利軍.煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].上?;?,2010, 35(9):25-28.

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