文／本刊記者 鄭 丹

西南院煤制氣甲烷化催化劑，為煤炭清潔高效利用開辟了可行的路徑。

▲陳 健

“我們必須利用國內(nèi)豐富的煤炭資源，做好煤的清潔高效利用這篇文章。”中化西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱西南院）有限公司黨委書記、總經(jīng)理陳健表示。

在他看來，因?yàn)槟茉捶A賦的原因，我國不可能像俄羅斯、美國、歐洲一樣大量消耗天然氣。而且目前我國天然氣40%以上依賴進(jìn)口，所以更加應(yīng)該利用“富煤”的優(yōu)勢(shì)，將煤轉(zhuǎn)化為清潔能源天然氣，助力保障國家能源安全。

“催”煤成氣，氣助神州！能源飯碗，端好端穩(wěn)！

西南院在煤制天然氣甲烷化技術(shù)和催化劑方面取得的突破，讓煤炭清潔高效利用和“雙碳”目標(biāo)下的煤化工企業(yè)走出低碳之路成為可能。

國家戰(zhàn)略

中國石油石化：陳書記，您好！西南院為什么要研發(fā)煤制天然氣甲烷化催化劑？

陳?。褐饕腔趦牲c(diǎn)。首先，煤制天然氣是國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。我國富煤貧油少氣，能源消費(fèi)要從我國的資源稟賦情況出發(fā)；其次，煤制天然氣是煤炭清潔高效利用的有效途徑之一，要從構(gòu)建我國清潔低碳安全高效能源體系的方向考慮如何使用煤這種資源。這既是從專業(yè)角度，也是從國家宏觀政策角度考慮做出的決定。

正因?yàn)槊褐铺烊粴馐菄夷茉磻?zhàn)略的組成部分，是煤炭清潔利用的重要技術(shù)路線，而我國規(guī)劃和正在建設(shè)的煤制天然氣有數(shù)百億立方米的產(chǎn)能，對(duì)于煤制氣的技術(shù)提出了緊迫的需求和很高的要求，而煤制氣技術(shù)的核心就是甲烷化催化劑及工藝。

中國石油石化：在您看來，西南院成功自主研發(fā)煤制天然氣甲烷化催化劑具有怎樣的意義？

陳?。?958年建院之初，西南院就在布局天然氣化工技術(shù)研究。2009年，我們依托堅(jiān)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備開展創(chuàng)新，最終研發(fā)出煤制天然氣甲烷化催化劑，2022年成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。我們?cè)诖笮兔褐铺烊粴饧淄榛夹g(shù)上取得的重大突破，正是我們?yōu)榉?wù)國家能源戰(zhàn)略做出的貢獻(xiàn)。

國家決定組建西南院的目的就是要解決“卡脖子”難題。我們的任務(wù)就是承擔(dān)重大任務(wù)，開展技術(shù)創(chuàng)新，打造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。當(dāng)我們?nèi)〉脛?chuàng)新和突破、科研成果服務(wù)于國家戰(zhàn)略之時(shí)，最能體現(xiàn)西南院科研人員的使命感和自身價(jià)值。

贏在創(chuàng)新

中國石油石化：西南院煤制天然氣甲烷化催化劑在哪些方面顯現(xiàn)出創(chuàng)新性？

陳?。菏紫龋h(huán)比更低。對(duì)標(biāo)國外工藝，西南院的煤制氣甲烷化技術(shù)可以把循環(huán)氣與新鮮氣的比值即循環(huán)比降得更低。在甲烷化反應(yīng)中存在20%左右的一氧化碳，如果它們一次性進(jìn)入到甲烷化反應(yīng)器里，會(huì)引起大幅度溫升，影響反應(yīng)正常進(jìn)行。因此，通常要把一股反應(yīng)后的氣體循環(huán)回來，起到稀釋作用，這樣才能把原料氣中的一氧化碳濃度降下來。氣體循環(huán)需要耗電，循環(huán)氣量越少，裝置的運(yùn)行能耗就越低。

其次，耐高溫性和穩(wěn)定性好。一方面，溫度在甲烷化反應(yīng)過程中是關(guān)鍵因素之一。如果在反應(yīng)中循環(huán)氣中斷或者因?yàn)樵蠚馀浔炔缓线m，會(huì)導(dǎo)致溫度出現(xiàn)急速上漲。如果出現(xiàn)溫升數(shù)百攝氏度的情況，可能破壞催化劑和反應(yīng)器。對(duì)此，西南院對(duì)甲烷化溫度控制的手段進(jìn)行研究，不僅通過多個(gè)反應(yīng)器的分配控制原料氣的配比，還可以通過循環(huán)氣量和蒸汽量調(diào)節(jié)控制來控制溫度。另一方面，使用空速高，汽氣比低，反應(yīng)負(fù)荷提升特別明顯，這對(duì)催化劑副反應(yīng)的要求大大提高。這些因素決定了這個(gè)催化劑研發(fā)難度極大。

第三，產(chǎn)出的天然氣品質(zhì)更高。2022年7月，采用西南院甲烷化技術(shù)的天然氣產(chǎn)品達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，順利并入國家西氣東輸管網(wǎng)。由于不同用戶對(duì)于合成天然氣和管道輸送提出不同要求，西南院會(huì)根據(jù)其需求，把產(chǎn)品天然氣中的氫氣或者二氧化碳的含量控制在1%以下。例如，一些發(fā)電用戶對(duì)天然氣的氫氣含量要求盡量低，我們會(huì)在工藝上對(duì)氫碳比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

目前，西南院煤制天然氣技術(shù)已申請(qǐng)甲烷化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明專利27 項(xiàng)，獲得授權(quán)13 項(xiàng)；制定國家標(biāo)準(zhǔn)1 項(xiàng)，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

優(yōu)中更優(yōu)

中國石油石化：西南院的煤制天然氣甲烷化催化劑首次實(shí)現(xiàn)了110%負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行；獲得的甲烷濃度為61.7%，高于國外引進(jìn)技術(shù)近3個(gè)百分點(diǎn)。這取決于什么？

陳健：采用西南院的甲烷化催化劑的煤制天然氣裝置能以110%的負(fù)荷運(yùn)行，說明了我們開發(fā)的催化劑活性好。甲烷濃度則與多個(gè)因素，如循環(huán)量、蒸汽量、出口溫度、壓力、入口組成等有關(guān)。我們的催化劑可以在更低的汽氣比條件下運(yùn)行，因此甲烷濃度更高。

中國石油石化：在您看來，西南院的甲烷化催化劑有哪些亮點(diǎn)？

陳健：一是更優(yōu)異的活性。若把催化劑的活性位比喻為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，則催化劑的活性就是所有個(gè)體的集體力量。我們的辦法是提高有效個(gè)體的數(shù)量，集體力量就更大，也就是活性更好。特別是在低溫情況下達(dá)到同樣的效果，需要的活性位更多，從而達(dá)到了更優(yōu)異的甲烷化活性。

二是更高的轉(zhuǎn)化率。我們通過多段反應(yīng)器、配套多種催化劑，總轉(zhuǎn)化率超過98.5%，高于國外水平。

三是更好的綜合性能。為了提高甲烷化催化劑的抗積碳和耐高溫性能，我們的催化劑和工藝研究人員共同完成了大量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)工作。在工藝上，力求通過最佳的工藝設(shè)置與條件優(yōu)化，進(jìn)一步降低能耗；同時(shí)，探索催化劑的難點(diǎn)所在，并逐一尋求解決的途徑。通過千萬次的試驗(yàn)，工藝和催化劑結(jié)合，最終解決了煤制天然氣甲烷化工序的痛點(diǎn)問題，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型煤制天然氣甲烷化工藝及催化劑。

▲陳健與科研人員在實(shí)驗(yàn)室。