工藝與設(shè)備大科技煤氣化制備天然氣研究及應(yīng)用(陜西省天然氣股份有限公司陜西 西安710061)摘要:隨著社會(huì)對(duì)天然氣需求的快速增長(zhǎng)，煤制天然氣技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文綜述了國(guó)內(nèi)外煤制天然氣技術(shù)的發(fā)展概況，結(jié)合能源生產(chǎn)和消費(fèi)的特點(diǎn)對(duì)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展給出了建議。關(guān)鍵詞:煤制天然氣;技術(shù)經(jīng)濟(jì):風(fēng)險(xiǎn)中圖分類(lèi)號(hào):TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004-7344(2013 )27-0309-021前言然氣儲(chǔ)量并不豐富,供需矛盾越來(lái)越突出,各大供氣公司受氣源單一的近年來(lái)隨著天然氣消費(fèi)市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)，多渠道、多方向地?cái)U(kuò)大天|局限性 影響，調(diào)峰能力顯得力不從心。為此,2007年8月國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)然氣資源供給，完善氣源結(jié)構(gòu)成為優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重要戰(zhàn)略。據(jù)估了 《天然氣利用政策》,禁止利用天然氣生產(chǎn)甲醇:限制利用天然氣生產(chǎn)計(jì),2015-2020 年我國(guó)天然氣需求將分別增長(zhǎng)為2306x101m和2936x|合成氨、 乙炔、氯甲烷等:天然氣將主要用于城市燃料。至此,煤氣化制備10'm'。 目前，我國(guó)天然氣的進(jìn)口途徑主要有2條:①?gòu)亩砹_斯和中亞國(guó)家天然氣正在進(jìn)入- -個(gè)嶄新的階段，各能源單位也紛紛對(duì)此給予了很大的通過(guò)長(zhǎng)輸管道進(jìn)口天然氣:②在東南沿海等地進(jìn)口液化天然氣(LNG)。研究和開(kāi)發(fā)興趣。通過(guò)進(jìn)口天然氣來(lái)補(bǔ)給內(nèi)需并非長(zhǎng)久之計(jì),考慮到國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)緊張2.2 煤氣化制天然氣優(yōu)勢(shì)及國(guó)際油價(jià)、天然氣價(jià)格上漲的情況,發(fā)展煤制天然氣(SNG)具有保障SNG就是將煤經(jīng)過(guò)氣化生產(chǎn)合成氣，再經(jīng)過(guò)凈化處理,最后甲烷化我國(guó)能源安全的重大意義。合成熱值大于800kcal/Nm2' 的代用天然氣, 1t煤可以轉(zhuǎn)化為400m?' 合成2我國(guó)天然氣供需現(xiàn)狀及煤制天然氣優(yōu)勢(shì)天然氣。SNG與煤制其他能源產(chǎn)品相比,競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)十分明顯,其轉(zhuǎn)化率和選擇性高,co和H2的轉(zhuǎn)化率接近100號(hào)。單位熱值投資成本和水耗低，2.1我國(guó)天然氣供需現(xiàn)狀據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù), 2008年中國(guó)能源消費(fèi)總量為29.1x10t標(biāo)準(zhǔn)煤，廢熱利用率高,總熱效率最高。此外, SNG更為環(huán)保、節(jié)能,廢水中不含有比上年增長(zhǎng)4.0號(hào)，僅次于美國(guó)居世界第二位。其中天然氣消費(fèi)量807x害物，易于利用,而煤制甲醇和煤制油需對(duì)廢水需做深度處理才可以再10'm',增長(zhǎng)達(dá)10.1號(hào)。在200~2008年中我國(guó)各類(lèi)一次能 源消費(fèi)量的年加以循環(huán)利用。表2是煤制各類(lèi)能源產(chǎn)品的能量效率和單位熱值水耗比較。均增長(zhǎng)率中天然氣以20.1各的增幅明顯高于煤和石油"。表2煤制各類(lèi)能源產(chǎn)品的能量效率及水耗比較表1是對(duì)我國(guó)近年來(lái)天然氣生產(chǎn)和消費(fèi)的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)-1。2007年我項(xiàng)目能量效率(各)單位熱值水耗(/GJ)國(guó)天然氣實(shí)際消費(fèi)量首次超過(guò)生產(chǎn)量。2008 年天然氣產(chǎn)量為760.煤制天然氣50~50.18-0.2310'm', 比上年增長(zhǎng)12.3號(hào),但仍有46x10'm2的缺口。據(jù)《世界能源導(dǎo)報(bào)》預(yù)測(cè)，我國(guó)2015年和2020年的天然氣需求將增長(zhǎng)到1800x10m2和2500x煤制油34.80.38煤制二甲醚0.7710m',而相應(yīng)的供應(yīng)缺口分別為300x10'm'、650x10'mi和100x10*mi.表1 2009-2020年中國(guó)天然氣供需預(yù)測(cè)煤制甲醇41.80.78年份需求量(億m)供給量 (億m)進(jìn)口量(億m)3 煤制天然氣主要工藝200989083SNG工藝過(guò)程主要包括煤氣化和甲烷化兩個(gè)部分,煤氣化生成合成120090200-300氣后經(jīng)過(guò)凈化和一氧化碳變換反應(yīng)后通過(guò)甲燒化過(guò)程生成合成天然氣。201518001400300-700工藝在技術(shù)上已經(jīng)較為成熟并且己有工業(yè)化的應(yīng)用實(shí)例，當(dāng)前學(xué)者們所2020250015700-1100關(guān)注的是技術(shù)的革新和環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化探討。實(shí)現(xiàn)煤氣化制備天然2009~2012年以來(lái),我國(guó)--些大中城市出現(xiàn)“氣荒”,表面原因是極端氣的工藝:主要有以下三種:蒸汽-氧氣氣化,加氫氣化和催化蒸汽氣化。氣候?qū)е滦枨蟊┰?，?shí)際上是國(guó)內(nèi)天然氣供需矛盾的集中體現(xiàn)。我國(guó)天| 3.1 蒸汽-氧氣氣化法(2)烘爐工作-旦開(kāi)始中途不得隨易停止,--旦停止應(yīng)重新再烘。5結(jié)束語(yǔ)(3)爐溫300%以下敞開(kāi)爐門(mén)，300~400半關(guān)閉爐門(mén)用自帶加熱器經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該研究資料,有很大的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)踐的應(yīng)用中,在烘烤。它的指導(dǎo)下可以有效的保護(hù)爐襯，延長(zhǎng)爐襯壽命，節(jié)約成本。由于投入.(4) 400%以上則全關(guān)爐門(mén)，按照曲線升溫直到曲線結(jié)束。小，效果也較明顯，可以廣泛的投入實(shí)踐應(yīng)用中。(5)烘爐過(guò)程中24h隨時(shí)檢查爐子各部位情況:爐門(mén)、爐門(mén)框有否變形，卡阻:爐墻外表面溫升是否異常;爐殼鋼結(jié)參考文獻(xiàn)構(gòu)是否變形嚴(yán)重:爐內(nèi)砌筑體、澆注料是否有脫落、裂紋等。(1]王秉銓..工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，2010.4較長(zhǎng)時(shí)間停爐升溫曲線[2]曾正明..工業(yè)爐修理手冊(cè), 1998.13)有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，2004.10收稿日期:2013-11-900 t作者簡(jiǎn)介:劉超凡(1983-),男,漢族，河南商丘人,大學(xué)專(zhuān)科,機(jī)電一體化.專(zhuān)業(yè)，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)和工程管理工作。毛運(yùn)德(1981-),男,漢族，河南周口人,大學(xué)專(zhuān)科,機(jī)電- -體化專(zhuān)業(yè)，機(jī)械設(shè)備及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)以及鋁工業(yè)爐的研究、應(yīng)用、施工工作。時(shí)間(天，中國(guó)煤化工圖3MHCNM HG309大科技2013年12月大科技工藝與設(shè)備蒸汽-氧氣氣化法是最為傳統(tǒng)的氣化工藝,目前已經(jīng)相對(duì)成熟,也稱(chēng)|萬(wàn) t煤炭轉(zhuǎn)化為天然氣日?！皟刹椒ā?。圖1為該工藝流程示意圖。該工藝是用氧氣和熱蒸汽將煤氣| 4.2 國(guó)內(nèi)進(jìn)展情況化為含有co、H2、CO2、甲烷、乙烷等碳?xì)浠衔锏暮铣蓺?。合成氣中各組SNG正是立足于我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源格局特點(diǎn),通過(guò)煤炭分的含量多少主要取決于該工藝過(guò)程的溫度與壓力等氣化因素。該工藝|的高效 利用和清潔合理轉(zhuǎn)化制備天然氣有效途徑,符合國(guó)家節(jié)能減排的是世界上目前唯一被 工業(yè)化的煤氣化技術(shù),缺點(diǎn)是熱效率(原料褐煤的|方針政策。 目前國(guó)內(nèi)規(guī)劃和在建的SNG項(xiàng)目10余個(gè),預(yù)計(jì)年產(chǎn)近200億熱值轉(zhuǎn)化為天然氣的熱值)較低(61.98)及后期的廢渣處理較為繁復(fù)。m3,月,成為繼煤制油之后的煤化工領(lǐng)域投資熱點(diǎn)。神華集團(tuán)鄂爾多斯年產(chǎn)天然氣20億m2 sNG項(xiàng)目于2009年4月在內(nèi)蒙古進(jìn)行奠基儀式，主要供應(yīng)京津塘地區(qū),已建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目的實(shí)施可以將“西煤”就地轉(zhuǎn)化為“西氣”,然后通過(guò)全封閉管道“東輸”,進(jìn)一-步.提高了煤炭清潔利用水平,豐富了“西氣東輸”戰(zhàn)略?xún)?nèi)涵。遼寧大唐國(guó)際阜新利用內(nèi)蒙古錫林浩特煤炭資源在遼寧阜新建設(shè)一套生產(chǎn)能 力為圖1蒸汽-氧氣氣化工藝流意圖1200萬(wàn)m'/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3.2加氫氣化法程。生產(chǎn)的天然氣送往沈陽(yáng)、大連等城市輸送天然氣。該項(xiàng)目目前正在進(jìn)加氫氣化是用氫氣將煤氣化，即通過(guò)氫氣與煤反應(yīng)生成天然氣。行項(xiàng)目的前期可行性研究工作。此外，大唐國(guó)際在內(nèi)蒙古赤峰市克什克可以由外界提供也可以經(jīng)甲烷蒸汽重整后提供。該重整過(guò)程就是將加氫騰 旗投資226億元建設(shè)-一個(gè)年產(chǎn)天然氣40x10Nm?項(xiàng)目,項(xiàng)目已開(kāi)工建氣化反應(yīng)后生成的甲烷轉(zhuǎn)化為co和H。該工藝具有較高熱效率|設(shè)。 其天然氣采用長(zhǎng)輸管道從內(nèi)蒙古克什克騰旗站輸送到北京密云,現(xiàn)(79.68),但目前仍處在研究階段。圖2為加氫氣化法工藝流程示意圖。|已建成投產(chǎn)。| 5市場(chǎng)前景及項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展建議我國(guó)天然氣利用領(lǐng)域主要包括城市燃?xì)狻⒐I(yè)燃料、天然氣發(fā)電和天然氣化工。未來(lái)中國(guó)天然氣消費(fèi)的發(fā)展趨勢(shì):①需求量高速增長(zhǎng);②利用方向?qū)l(fā)生變化。我國(guó)天然氣消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐漸由化工和工業(yè)燃料為主向多元化消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。規(guī)_.. m!C發(fā)展sNG是非石油路線生產(chǎn)替代石油產(chǎn)品及解決我國(guó)天然氣供求矛盾的有效途徑,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要集中大量技術(shù)配套方面的研究和工程再圖2加氫氣化法工藝流程示意圖開(kāi)發(fā)工作，以及技術(shù)限制、技術(shù)壟斷、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)的工業(yè)支持能力3.3催化蒸汽氣化法等風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是未來(lái)煤炭和天然氣的價(jià)格可能出現(xiàn)的較大波圖3為催化蒸汽氣化法的工藝流程示意圖。催化蒸汽氣化法工藝中|動(dòng)， 以及水、電、汽、運(yùn)輸、人力等成本費(fèi)用的上漲，都會(huì)影響SNG產(chǎn)品的煤氣化和甲烷化在催化劑下可實(shí)現(xiàn)在同一反應(yīng)器中進(jìn)行,大大降低了設(shè)|盈虧平衡。管道建設(shè)的龐大投資和終端用戶的開(kāi)發(fā)也是面臨的市場(chǎng)風(fēng)備投資。同時(shí)可以有效進(jìn)行熱量利用，將甲烷化反應(yīng)生成的熱量用于煤|險(xiǎn)氣化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能。cH,由第三步從合成氣和co2中分離出來(lái),同SNG項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)煤的本地化。首先應(yīng)選擇既有豐富穩(wěn)定的煤炭時(shí)又將合成氣(co、H)返回到氣化器中,催化反應(yīng)溫度相對(duì)較低(650~|資源，還要保證充足的水資源以及其他原材料的供應(yīng)渠道的暢通無(wú)阻:750C)。該項(xiàng)技術(shù)是由美國(guó)Exxon公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的，以碳酸|并且要盡可能采靠近終端目標(biāo)消費(fèi)市場(chǎng)，以減少管輸費(fèi)用,同時(shí)還應(yīng)使鉀作為催化劑，具有較高的熱效率(71.98)用安全可靠、先進(jìn)成熟有成功先例的核心技術(shù)。參考文獻(xiàn)而化氣體分閣]人然氣(1]付國(guó)忠,陳超,我國(guó)天然氣供需現(xiàn)狀及煤制天然氣工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析(J].中 外能源，2010.12(2):28~33.煤灰分離]12)姚飛.中國(guó)發(fā)展煤制天然氣煤層氣戰(zhàn)略意義及相關(guān)政策解讀[A.中國(guó)↓煤友煤制天然氣煤層氣(國(guó)際)高峰論壇(C1.2009:30~47.圖3催化蒸汽氣化法的工藝流程示意圖[3]Munish Chandel,Eric Wlllams.Synthetite Natural Gas (SNG) : Technology,加氫氣化法和催化蒸汽氣化法目前均處于研究階段,共同的優(yōu)勢(shì)是| Envionmental Implications,and EconomicsClimate Change Policy Partner-不需要空分單元，節(jié)省了設(shè)備投資和和能耗，并且氣化和甲烷化反應(yīng)溫ship Duke University January 2009.度均較低,可降低過(guò)程成本。催化蒸汽氣化法還存在催化劑的分離和失(4]藺華林，李克健,等煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展[01,2010, 35(9):25~活的研究瓶頸。該兩項(xiàng)工藝目前均引起了業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可和高度重視。28.[5]托普索國(guó)際公司TREMPTM技術(shù)將煤轉(zhuǎn)換成替代性天然氣A1.2008中4國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目進(jìn)展情況近年來(lái)石油價(jià)格的迅猛飆升造成了國(guó)際能源格局微妙的變化。目|國(guó)煤炭加工與綜合利用技術(shù)、市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)論文集[c].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2008:229-231.前,開(kāi)發(fā)和利用天然氣已引起了各國(guó)的高度重視和開(kāi)發(fā)。.1 國(guó)外進(jìn)展情況美國(guó)Great Plain是將煤氣化裝置進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)的第一-家公司,其第收稿日期:2013-11-16作者簡(jiǎn)介:徐康(1987-),女,陜西藍(lán)田人，畢業(yè)于西安科技大學(xué),化學(xué)工一期工程設(shè)計(jì)能力為日產(chǎn) 合成天然氣389m，從1984年投產(chǎn)至今已運(yùn) 程與工藝專(zhuān)業(yè)， 主要從事天然氣管輸過(guò)程的工藝技術(shù)及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的27年。該裝置利用高含水(30號(hào))褐煤生產(chǎn)，日處理褐煤量為1.85萬(wàn)t。該|管 理工作。管理工作。項(xiàng)目長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)充分證明煤氣化制備天然氣商業(yè)化的成功。美國(guó) Great Point Energy公司開(kāi)發(fā)出“一步法”sNG工藝,是通過(guò)在煤氣化裝置中加入催化劑，在加壓流化床中在相對(duì)低溫的條件下進(jìn)一步制得天然氣的方法。該技術(shù)的特點(diǎn)是用甲烷化過(guò)程所放出的大量熱量來(lái)維持煤氣化過(guò)程的熱量所需,省去了額外對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱過(guò)程，從而降低了能耗;同時(shí)采用大量可回收的廉價(jià)金屬催化劑從而大大簡(jiǎn)化工藝并降低了設(shè)備成本。此外,美國(guó)伊利諾伊州在2006年9月發(fā)布公告,宣布投資-一個(gè)年產(chǎn)500億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的SNG項(xiàng)目。20世紀(jì)70年代后期，丹麥托普索公司采用專(zhuān)用催化劑(MCR-2X)制備SNG,其在美國(guó)伊利諾中國(guó)煤化工斯州杰斐遜建立的煤氣化工廠已于2010 年投入運(yùn)行，每年可將約400 .MHCNM HG大科技3102013年12月