煤制天然氣技術分析

摘要

介紹國內煤制天然氣發展現狀，從氣化工藝與甲烷化工藝的分類與特點兩方面對煤制天然氣技術現狀進行探討。氣化工藝基本上可以分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化。

摘　要：介紹國內煤制天然氣發展現狀，從氣化工藝與甲烷化工藝的分類與特點兩方面對煤制天然氣技術現狀進行探討。

關鍵詞：煤制天然氣；氣化；甲烷化

Analysis on Technology for Production of Syntetic Natural Gas from Coal

Abstract：The current development status for production of synthetic natural gas from coal in China is introduced．The current status of technology for production of synthetic natural gas from coal is discussed in terms of classification and characteristics of gasification and methanation processes．

Keywords：production of synthetic natural gas from coal；gasification；methanation

1　國內煤制天然氣發展現狀

煤制天然氣技術整體上是成熟的，國內除了大型化的甲烷合成技術正在進行示范和產業化研發之外，其他單個單元化技術如氣化、空分、變換、酸性氣體脫除等，國內均早已實現了產業化運營。與此同時，考慮我國的能源國情“富煤、貧油、少氣”，利用國內相對豐富的煤炭資源，特別是劣質煤炭資源，在條件合適的地區適度發展實施煤制天然氣項目，作為對我國天然氣供應缺口的有效補充，同時也將有利于提升我國在國際市場進口天然氣時的議價能力，這對我國的能源穩定供應無疑具有凸顯的現實意義。

國家發展改革委、能源局組織公布了《天然氣發展“十二五”規劃》，規劃預計2015年國內天然氣消耗量約為2300×108m3，而2015年國產天然氣供應能力只能達到1760×108m3左右，缺口達540×108m3。《天然氣發展“十二五”規劃》明確煤制天然氣是“十二五”天然氣發展的重要組成部分。規劃至2015年，煤制天然氣供氣能力達到約(150～180)×108m3 。

目前國家核準的煤制天然氣項目共有4個，產能共151×108m3。分別為：①大唐國際克旗40×108m3／a天然氣項目，該項目投資257.1×108元，國家發改委2009年8月20日核準，當年8月30日正式開工建設；②大唐國際阜新40×108m3／a天然氣項目，該項目投資245.7×108元，國家發改委2010年3月5日核準，當年3月29日正式開工建設；③內蒙古匯能煤化工有限公司鄂爾多斯16×108m3／a天然氣項目，該項目投資88.7×108元，國家發改委2009年12月核準；④內蒙古慶華集團有限公司新疆伊寧55×108m3／a天然氣項目，該項目投資264.38×108元。

據不完全統計，獲得國家發改委路條的煤制天然氣項目有：中國電力投資集團公司新疆伊犁霍縣2×(60×108)m3／a項目；山東新汶礦業集團公司新疆伊犁100×108m3／a項目；國電集團內蒙古興安盟烏蘭浩特市40×108m3／a項目；內蒙古新蒙能源公司鄂爾多斯40×108m3／a項目；中國海洋石油總公司、山西同煤集團山西大同40×108m3／a項目；中國石油化工股份有限公司、華能新疆能源開發有限公司、新疆龍宇能源準東煤化工有限責任公司、浙江省能源集團有限公司、新疆富蘊廣匯新能源有限公司、蘇新能源和豐有限公司等企業和新疆生產建設兵團共同建設規模300×108m3／a項目(包含五彩灣120×108m3／a工程、大井40×108m3／a工程、西黑山60×108m3／a工程、喀木斯特40×108m3／a工程、和豐40×108m3／a工程)等。

2　煤制天然氣技術

2.1　氣化工藝分類與特點

①按固氣接觸方式分類

氣化是煤制天然氣技術的龍頭[1]。按固體顆粒和氣化介質的不同接觸方式，氣化工藝基本上可以分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化。

a．固定床氣化

煤料從爐頂投入，在重力作用下下降，氣化介質從爐底導入，兩者形成逆流。煤料被氣化介質預熱，然后氣化，氣化介質也被灰渣預熱，因此熱效率較高，操作控制簡單。發生爐、水煤氣爐和加壓氣化魯奇爐(碎煤加壓技術)等屬于這一類。采用機械化回轉爐柵后，床層不斷向下移動，因此又稱為移動床。使用粒徑一般為6～50mm的塊煤，細屑過多時，必須限制氣流速度，避免增加大量帶出物和使床層穿孔，惡化煤氣質量。粒徑過大，則與氣流接觸的比表面積減小，就會增加灰渣的含碳量。這種床適用粘結性較弱的褐煤和次煙煤，如用粘結性煙煤，爐內須加攪拌裝置。

b．流化床氣化

煤料在床層內被上升的氣化介質吹動翻滾，使煤粒之間空隙增加，煤層疏松膨脹，猶如沸騰，也稱沸騰床氣化。煤料粒徑一般取5mm以下。由于氣化介質在煤粒表面流動的速度大，使介質在固體表面的擴散速度增大，從而增大了氣化強度。但煤料被磨成細粉，氣流帶出物增多，必須設法使之返回爐內。床層溫度受灰渣熔點的限制，較適用于采用活性高的年輕煤。如采用液態排渣，床層溫度可不受此限制。粘結性強的煙煤，也必須預先破粘。溫克勒氣化爐屬于這一類。

c．氣流床氣化

氣流床也稱懸浮床。粒徑小于0.1mm的煤粉與氣化介質混合，同向噴入氣化爐。煤粉比表面積大，與氣流激烈湍動，煤粒表面氣體擴散速度大。一般都采用液態排渣，因此床層溫度可提高到1500℃以上，氣化反應速度快。煤粉在懸浮床內僅l～2s即迅速氣化。這種氣化方式的單爐能力高，適用任何煤種，強粘結煤也可使用。KT爐、德士古爐(濕法即采用水煤漿)、謝爾爐(殼牌)等都屬于這一類。不過耗氧量大，帶出物多，在高溫氣流中處理困難，而且氣化爐耐火襯里容易侵蝕，成為不易解決的問題。氣流床生成氣含甲烷少，宜作為合成原料，如用作城市煤氣，則發熱量偏低。

d．熔融床氣化

氣化爐以熔融狀的灰渣、無機鹽或金屬作為基料，操作條件與氣流床相仿，但可用粒徑較大(約3mm)的煤料。

②典型氣化工藝優缺點與配煤要求

近年來，國內眾多煤氣化企業紛紛引進各種氣化爐，主要分為三種：魯奇氣化爐、德士古氣化爐和殼牌氣化爐。

a．工藝優缺點

魯奇氣化爐的優點是：生產能力大，以塊煤為原料，尤其適應褐煤，碳轉化率高，調節負荷方便；缺點是生產的合成氣中甲烷含量高，焦油和苯酚等液狀物較多，生產流程長，投資大，結構復雜，加工難度大。

德士古氣化爐的優點是：水煤漿進料，對煤種的適應較寬，單爐生產能力大，碳轉化率高，煤氣質量好，甲烷含量低，廢物排放少；缺點是：耗氧量大，投資大，技術費用高。

殼牌氣化爐的優點是：干粉煤進料，煤種適應廣，碳轉化率高，甲烷含量低，耗氧量小，單爐生產能力大，運轉周期長，氣化效率高，氣化過程無廢氣排放；缺點是：投資高，設備造價過高，建設周期較長；配套的干燥、磨煤、高壓氮氣等加壓所需的功耗較大[2]。

b．配煤要求

魯奇氣化爐：加壓魯奇氣化爐最好采用褐煤，水分最好不超過25％，灰分低于l9％較為經濟，灰熔點最好高于1250℃。一般要求最大與最小粒徑之比不超過5～8，最小粒徑最好大于5mm。一般褐煤粒徑為6～10mm，煙煤粒徑為5～25mm，焦炭和無煙煤粒徑為5～20mm。粘結性煤在300～400℃時會出現粘結和膨脹，使氣流分布不均勻。對于自由膨脹指數高于1的弱粘結性煤需要機械破粘，破粘裝置僅能處理自由膨脹指數小于7的煤。魯奇氣化爐不適用煤粉，不適合處理強粘結性煤。

德士古氣化爐：德士古氣化爐能氣化所有煤種，水煤漿含量必須保證60％以上，煤粉粒徑小于0.1mm。

殼牌氣化爐：配煤沒有特殊要求，但煤粉粒徑小于0.1mm。灰熔點小于1500℃，灰分為8％～20％。

2.2　甲烷化工藝分類與特點

①甲烷化反應器分類

甲烷化是煤制天然氣技術的核心。由于合成氣甲烷化反應是一個強放熱反應，因此甲烷化反應器應具有良好的移熱性能。因為移熱性能不佳不僅會導致催化劑局部過熱，造成催化劑燒結、積炭等，還直接影響到反應裝置運行的穩定性。另外，催化劑的易裝卸也是甲烷化反應器設計的重點。在合成氣甲烷化反應中較典型的反應器為固定床、流化床和三相床。

固定床甲烷化反應器最早被用于合成氨中富氫氣體中少量CO的凈化，以消除對氨合成催化劑的毒害作用。此類反應器一般將氣體循環，溫升用氣體循環比來控制。

流化床甲烷化反應器在質量和熱量傳遞方面比絕熱固定床反應器好，適合具有強放熱特性的合成氣甲烷化反應過程。流化床反應器主要分為兩種形式，一種為催化劑循環的反應器，新鮮氣和循環氣混合后進入第一反應器，從第一反應器出來的氣體經部分冷卻后與另一部分原料氣混合，其混合溫度大于起始反應溫度，然后進入第二反應器，反應器越多，循環氣量就越少，但整個回路的壓力降就越大。甲烷化催化劑一般比較昂貴，要盡量減少催化劑的夾帶損失。另一種流化床反應器，催化劑保持在反應器中不吹出，無氣體循環，合成氣甲烷化反應放出的熱量通過流化床內部換熱管移走。流化床反應具有溫度易于控制的優點，但造價較高。

三相床甲烷化反應器的優點在于可以輕松控制反應溫度(可將導熱油循環)，缺點在于催化劑的壽命較短，而且催化劑與產物(液固)分離較為困難。

②甲烷化工藝

依據上述三種基本的甲烷化反應器形式，開發出各種甲烷化工藝技術。目前，文獻報道[3]和實際使用的甲烷化工藝主要有DAVY工藝、Lurgi工藝、TREMP工藝等。

a．DAVY工藝

英國倫敦的戴維工藝技術公司開發的DAVY(戴維)甲烷化工藝為兩段轉化，其中一段大量轉化，一段補充轉化，每段各有兩個反應器，共4個反應器。第二甲烷化反應器出口的部分反應氣作為循環氣，經一系列換熱器換熱，在150℃下被循環壓縮機加壓，然后與新鮮氣混合進入第一反應器，以控制一段反應溫升，同時利于帶走甲烷化反應熱。采用相同的CRG催化劑，甲烷化反應后富產過熱蒸汽，第一、第二反應器出口溫度在600℃左右。

DAVY工藝是建立在CRG-LH高溫催化劑的基礎之上，其特點是：已經經過工業化驗證，擁有美國大平原合成燃料廠的生產業績；催化劑本身具有變換功能，因而反應器入口合成氣不需要調節氫碳比；催化劑使用溫度范圍寬，在230～650℃都具有高且穩定的活性，這就使甲烷化反應器的操作彈性變大；甲烷化壓力高達3.0～6.0MPa，可以減小設備尺寸，極大地提高設備的利用率；每生產1000m3合成天然氣副產約3t高壓過熱蒸汽，因此能量效率高；可以得到高品質的合成天然氣，甲烷體積分數可達94％～96％，可以直接進入天然氣輸送管道。

b．Lurgi工藝

德國魯奇公司(Lurgi)也擁有甲烷化工藝技術(Lurgi工藝)，該工藝最初采用的是BASF集團的甲烷化催化劑，后改用DAVY公司的甲烷化催化劑。Lurgi工藝是典型的以固定床反應器為核心的工藝。該套甲烷化裝置采用3個固定床反應器，前2個反應器為高溫反應器，CO轉化為CH4的反應主要在這兩個反應器內進行，稱為大量甲烷化反應器。第三個反應器為低溫反應器，用來將前兩個反應器未反應的CO轉化為CH4，使合成天然氣的甲烷含量達到需要的水平，稱為補充甲烷化反應器。甲烷化反應溫度較低，高溫反應器出口溫度大于400℃。

Lurgi工藝投資低，單線生產能力大，轉化率高，可操作性強，生產的合成天然氣品質高，副產品種類多，技術成熟度高，經過商業化規模的驗證運行穩定。但是由于此工藝采用的是Lurgi氣化和絕熱循環稀釋甲烷化技術，而Lurgi氣化效率不高，絕熱循環稀釋要消耗大量的能量，相當于甲烷化反應產生的50％的能量，不能做到自身的能量平衡，因此此工藝的能效較低。該工藝采用循環氣限制反應器的進口溫度，防止積碳。

c．TREMP(托普索)工藝

TREMP工藝是一個多段串聯甲烷化反應工藝。與TREMP工藝配套的MCR一2X催化劑能在較寬溫度范圍內(250～700℃)操作。TREMP實際是一個熱回收的概念，即能夠產生高壓過熱蒸汽。在TREMP工藝中，反應均在絕熱條件下進行，通過部分氣體循環可以控制第一個甲烷化反應器的溫度(絕大部分甲烷化反應發生在第一個甲烷化反應器)。MCR-2X催化劑無論在低溫(250℃)下還是在高溫(700℃)下都具有高的催化活性和穩定性。反應器在高絕熱溫升下運行的可能性使循環氣體量減少，循環機功耗降低。典型的TREMP工藝一般由3個反應器組成。

TREMP工藝的優點是單線生產能力大，生產能力為(10～20)×104m3／h；合成氣轉化率高；回收過程能耗低，充分利用甲烷化反應放出的熱量，生產高壓過熱蒸汽產品；MCR-2X催化劑壽命長，活性高，副反應少，使用溫度范圍寬，循環氣量僅為其他工藝的0.1倍；合成天然氣品質高，甲烷體積分數可達94％～96％，高熱值達(37260～38100)kJ／m3，滿足了國家天然氣標準以及管道輸送的要求。同時豐富的操作經驗和實質性工藝驗證保證了這一技術能夠用于商業化。該工藝處于工業化推廣階段，還沒有進行商業化規模的運營。TREMP工藝投資大，技術復雜度高，需要具有一定的生產規模才能產生較好的經濟效益。