變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝探討

邵振揚

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司

變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝探討

邵振揚

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家。隨著經濟發展和城市化的推進，天然氣消費量已迎來快速增長期。適度發展煤制天然氣，可以有效增加國內天然氣供給，降低對外依存度，提高國家能源安全保障。目前，已建成的大型煤制天然氣項目建設投資較高，裝置運行的經濟性較差；要提高煤制天然氣裝置的經濟效益，需要對工藝路線進行不斷的創新和改進，以降低裝置投資和運行消耗。

變換；一體化；煤制天然氣；工藝

煤制天然氣是通過煤氣化制得合成氣并進一步通過甲烷化反應合成的替代天然氣。盡管煤制天然氣中的主要組分為CH4(設計平均值φ(CH4)≈95%)，但是受生產工藝的制約，在組成上不同于常規的氣田天然氣和油田天然氣。本文分析總結了現有工藝技術水平下煤制天然氣氣質產品的組成以及影響產品組分含量的關鍵性工藝單元，期望為優化生產操作、制(修)訂煤制天然氣氣質產品質量標準提供借鑒。

1 煤制天然氣市場分析

煤制天然氣項目的發展前景可以從天然氣市場供需總平衡得到。根據前面的分析，天然氣消費總量與供應總量比例逐年攀升，需求大于供應，煤制天然氣作為補充，其發展空間非常可觀。目前已投產運行的煤制天然氣產能約40億m3/a，主要是大唐內蒙古克什克騰旗、新疆慶華、匯能鄂爾多斯、新疆廣匯以及云南解化的煤制油聯產甲烷項目。截至2014年12月，在建和審批通過的項目高達1162(1215)億m3/a(源自中國化工報)，預計在2018年后逐漸投入市場。伴隨著廣大社會對改善空氣環境的熱切渴望，國家將不斷推進清潔能源的使用，越來越多的城市和居民將使用天然氣，未來天然氣將成為與用電和用水一樣普遍，這無疑是一個巨大的市場。

2 現有煤制天然氣工藝路線

煤造氣裝置的工藝目的是將原料煤在氣化劑的作用下進行氣化處理生產富含CO、H2的粗合成氣，煤造氣裝置可以根據原料煤的特性等因素選擇多種氣化工藝；CO變換裝置的工藝目的是通過CO變換反應調節粗合成氣中H2與CO的比例，使其滿足甲烷合成對H2與CO比例的要求，通常采用耐硫寬溫變換工藝；酸性氣體脫除裝置的工藝目的是脫除變換氣中的H2S、COS、多余的CO2等雜質，對變換氣進行凈化處理，滿足甲烷合成的要求，通常采用低溫甲醇洗工藝；甲烷合成裝置是將凈化合成氣中的CO以及少量的CO2與H2反應生成CH4，是天然氣的反應生成裝置，一般使用鎳基催化劑，采用部分氣體循環的多段絕熱反應工藝；天然氣壓縮及天然氣干燥是將甲烷合成單元生成的甲烷氣體進行壓縮及干燥處理，以滿足天然氣輸送的要求，一般采用多級離心壓縮，干燥采用三甘醇脫水工藝。

粗煤氣經過CO變換處理高溫變換氣冷卻至低溫后進行酸性氣體脫除處理，脫除酸性氣體的低溫凈化氣又加熱至高溫后進行甲烷化反應，甲烷化反應生成的高溫天然氣再冷卻進行壓縮及干燥處理，整個工藝流程存在“冷熱病”問題，導致全流程換熱設備增多，運行能耗增加。粗煤氣的CO變換反應需要消耗水蒸氣，且用于推動反應平衡的大量水蒸氣最終通過冷凝處理以工藝冷凝液的形式排出，甲烷合成反應生成的大量氣態水也只能通過冷凝處理以工藝冷凝液的形式排出，全廠工藝冷凝液排放量大，冷凝設備投資大。雖然工藝冷凝液可以經過汽提處理后返回系統循環使用，但處理大量工藝冷凝液將增加裝置建設投資及運行成本。

3 單元操作技術水平對產品組成的影響

3.1 空分單元

煤制天然氣的空分裝置主要是為了制備高壓氧氣和氮氣產品。高壓氧氣作為氣化爐的氣化劑，在氣化單元被完全消耗而進入產品鏈中，氮氣作為原料煤輸送氣。高壓氧氣中的雜質組分，主要包括氮氣、氬，與輸送用氮氣在進入煤制天然氣生產工藝流程后，成為最終產品氣體中惰性組分的重要來源之一。

3.2 粗煤氣凈化單元

粗煤氣凈化，是將離開氣化爐的高溫粗煤氣依次通過水急冷洗滌飽和、廢鍋間接冷卻步驟，將其攜帶的煤焦油、氨、氯、固體顆粒物去除而得到含水呈飽和狀態的煤氣的過程，屬于原料氣的預處理單元，目的是保障后續工藝單元的順利進行。因此，在正常操作條件下，可以認為該過程單元對煤制天然氣產品組成不產生明顯影響。

3.3 水氣變換單元

水氣變換單元是將氣化單元送來的粗煤氣中的CO經變換反應部分變換成H2，使變換氣H2/CO比滿足甲烷化的要求。該過程主要目的是調整氣化產品氣中H2和CO的比例，以滿足后續甲烷化單元工藝的要求。在其他條件相同時，變換單元出口氣的氫碳比對最終天然氣產品中的H2含量有重要影響。當氫碳比高于3.0時，表明在后續發生甲烷化反應時H2過剩，過剩的H2會進入最終的產品氣中。但是考慮到在低氫碳比時，后續甲烷化催化劑容易發生積炭失活，因此通常要求變換單元出口氣的氫碳比略高于3.0?，F在也有具有水氣變換功能的甲烷化催化劑，對于這種催化劑可以適當調整變換單元的設計負荷。

3.4 中國甲烷化催化劑

至今為止，中國所研制的國產甲烷化催化劑主要用于合成氨廠微量CO的去除以及制備高熱值城市煤氣。國產甲烷化催化劑均為中低溫催化劑，不適合煤制天然氣項目的工業化生產，因此高溫國產甲烷化催化劑尚在研制之中。雖然目前中國有多個煤制天然氣項目正在建設中，但是中國尚未掌握大型的合成氣甲烷化工藝技術，其主要工藝技術以及甲烷化催化劑均購自國外公司。不僅引進費用相當高昂，并且無法得到完整的成套甲烷化工藝技術，大大限制了中國煤制天然氣技術的發展。因此，開發中國具有自主產權的甲烷化工藝技術和甲烷化催化劑是解決中國能源危機的迫切任務之一。

總之，相關企業要充分把握煤制天然氣全局形勢，結合并執行國家規劃與政策。通過不斷的技術創新和工藝優化，采取節能、降耗、減排、節水等多方面措施改善環境，降低成本，提高企業內部收益率，達到經濟效益和環境效益的雙贏，促進煤炭高效轉化及利用。

[1] 趙澤秀，張忠平.石油天然氣與煤制天然氣生產區別和優勢[J].煤炭加工與綜合利用，2014，(6)：9-14.

[2] 賀永德.煤化工技術手冊[M].第二版.北京：化學工業出版社，2010：374-586.