煤气化制备天然气研究及应用

工艺与设备大科技煤气化制备天然气研究及应用(陕西省天然气股份有限公司陕西 西安710061)摘要:随着社会对天然气需求的快速增长，煤制天然气技术受到越来越多的关注。本文综述了国内外煤制天然气技术的发展概况，结合能源生产和消费的特点对煤制天然气产业发展给出了建议。关键词:煤制天然气;技术经济:风险中图分类号:TQ546文献标识码:B文章编号:1004-7344(2013 )27-0309-021前言然气储量并不丰富,供需矛盾越来越突出,各大供气公司受气源单一的近年来随着天然气消费市场的迅猛增长，多渠道、多方向地扩大天|局限性 影响，调峰能力显得力不从心。为此,2007年8月国家发改委出台然气资源供给，完善气源结构成为优化我国能源结构的重要战略。据估了 《天然气利用政策》,禁止利用天然气生产甲醇:限制利用天然气生产计,2015-2020 年我国天然气需求将分别增长为2306x101m和2936x|合成氨、 乙炔、氯甲烷等:天然气将主要用于城市燃料。至此,煤气化制备10'm'。 目前，我国天然气的进口途径主要有2条:①从俄罗斯和中亚国家天然气正在进入- -个崭新的阶段，各能源单位也纷纷对此给予了很大的通过长输管道进口天然气:②在东南沿海等地进口液化天然气(LNG)。研究和开发兴趣。通过进口天然气来补给内需并非长久之计,考虑到国内天然气供应紧张2.2 煤气化制天然气优势及国际油价、天然气价格上涨的情况,发展煤制天然气(SNG)具有保障SNG就是将煤经过气化生产合成气，再经过净化处理,最后甲烷化我国能源安全的重大意义。合成热值大于800kcal/Nm2' 的代用天然气, 1t煤可以转化为400m?' 合成2我国天然气供需现状及煤制天然气优势天然气。SNG与煤制其他能源产品相比,竞争优势十分明显,其转化率和选择性高,co和H2的转化率接近100号。单位热值投资成本和水耗低，2.1我国天然气供需现状据国家统计局数据, 2008年中国能源消费总量为29.1x10t标准煤，废热利用率高,总热效率最高。此外, SNG更为环保、节能,废水中不含有比上年增长4.0号，仅次于美国居世界第二位。其中天然气消费量807x害物，易于利用,而煤制甲醇和煤制油需对废水需做深度处理才可以再10'm',增长达10.1号。在200~2008年中我国各类一次能 源消费量的年加以循环利用。表2是煤制各类能源产品的能量效率和单位热值水耗比较。均增长率中天然气以20.1各的增幅明显高于煤和石油"。表2煤制各类能源产品的能量效率及水耗比较表1是对我国近年来天然气生产和消费的统计及预测-1。2007年我项目能量效率(各)单位热值水耗(/GJ)国天然气实际消费量首次超过生产量。2008 年天然气产量为760.煤制天然气50~50.18-0.2310'm', 比上年增长12.3号,但仍有46x10'm2的缺口。据《世界能源导报》预测，我国2015年和2020年的天然气需求将增长到1800x10m2和2500x煤制油34.80.38煤制二甲醚0.7710m',而相应的供应缺口分别为300x10'm'、650x10'mi和100x10*mi.表1 2009-2020年中国天然气供需预测煤制甲醇41.80.78年份需求量(亿m)供给量 (亿m)进口量(亿m)3 煤制天然气主要工艺200989083SNG工艺过程主要包括煤气化和甲烷化两个部分,煤气化生成合成120090200-300气后经过净化和一氧化碳变换反应后通过甲烧化过程生成合成天然气。201518001400300-700工艺在技术上已经较为成熟并且己有工业化的应用实例，当前学者们所2020250015700-1100关注的是技术的革新和环保及经济性的优化探讨。实现煤气化制备天然2009~2012年以来,我国--些大中城市出现“气荒”,表面原因是极端气的工艺:主要有以下三种:蒸汽-氧气气化,加氢气化和催化蒸汽气化。气候导致需求暴增，实际上是国内天然气供需矛盾的集中体现。我国天| 3.1 蒸汽-氧气气化法(2)烘炉工作-旦开始中途不得随易停止,--旦停止应重新再烘。5结束语(3)炉温300%以下敞开炉门，300~400半关闭炉门用自带加热器经过实践证明该研究资料,有很大的应用价值。在实践的应用中,在烘烤。它的指导下可以有效的保护炉衬，延长炉衬寿命，节约成本。由于投入.(4) 400%以上则全关炉门，按照曲线升温直到曲线结束。小，效果也较明显，可以广泛的投入实践应用中。(5)烘炉过程中24h随时检查炉子各部位情况:炉门、炉门框有否变形，卡阻:炉墙外表面温升是否异常;炉壳钢结参考文献构是否变形严重:炉内砌筑体、浇注料是否有脱落、裂纹等。(1]王秉铨..工业炉设计手册，2010.4较长时间停炉升温曲线[2]曾正明..工业炉修理手册, 1998.13)有色冶金炉设计手册编委会有色冶金炉设计手册，2004.10收稿日期:2013-11-900 t作者简介:刘超凡(1983-),男,汉族，河南商丘人,大学专科,机电一体化.专业，主要从事机械设计和工程管理工作。毛运德(1981-),男,汉族，河南周口人,大学专科,机电- -体化专业，机械设备及自动化专业,主要从事机械设计以及铝工业炉的研究、应用、施工工作。时间(天，中国煤化工图3MHCNM HG309大科技2013年12月大科技工艺与设备蒸汽-氧气气化法是最为传统的气化工艺,目前已经相对成熟,也称|万 t煤炭转化为天然气日。“两步法”。图1为该工艺流程示意图。该工艺是用氧气和热蒸汽将煤气| 4.2 国内进展情况化为含有co、H2、CO2、甲烷、乙烷等碳氢化合物的合成气。合成气中各组SNG正是立足于我国“富煤、贫油、少气”的能源格局特点,通过煤炭分的含量多少主要取决于该工艺过程的温度与压力等气化因素。该工艺|的高效 利用和清洁合理转化制备天然气有效途径,符合国家节能减排的是世界上目前唯一被 工业化的煤气化技术,缺点是热效率(原料褐煤的|方针政策。 目前国内规划和在建的SNG项目10余个,预计年产近200亿热值转化为天然气的热值)较低(61.98)及后期的废渣处理较为繁复。m3,月,成为继煤制油之后的煤化工领域投资热点。神华集团鄂尔多斯年产天然气20亿m2 sNG项目于2009年4月在内蒙古进行奠基仪式，主要供应京津塘地区,已建成投产。该项目的实施可以将“西煤”就地转化为“西气”,然后通过全封闭管道“东输”,进一-步.提高了煤炭清洁利用水平,丰富了“西气东输”战略内涵。辽宁大唐国际阜新利用内蒙古锡林浩特煤炭资源在辽宁阜新建设一套生产能 力为图1蒸汽-氧气气化工艺流意图1200万m'/d合成天然气装置及配套的热电站和其他公用工程、辅助工3.2加氢气化法程。生产的天然气送往沈阳、大连等城市输送天然气。该项目目前正在进加氢气化是用氢气将煤气化，即通过氢气与煤反应生成天然气。行项目的前期可行性研究工作。此外，大唐国际在内蒙古赤峰市克什克可以由外界提供也可以经甲烷蒸汽重整后提供。该重整过程就是将加氢腾 旗投资226亿元建设-一个年产天然气40x10Nm?项目,项目已开工建气化反应后生成的甲烷转化为co和H。该工艺具有较高热效率|设。 其天然气采用长输管道从内蒙古克什克腾旗站输送到北京密云,现(79.68),但目前仍处在研究阶段。图2为加氢气化法工艺流程示意图。|已建成投产。| 5市场前景及项目风险、发展建议我国天然气利用领域主要包括城市燃气、工业燃料、天然气发电和天然气化工。未来中国天然气消费的发展趋势:①需求量高速增长;②利用方向将发生变化。我国天然气消费结构逐渐由化工和工业燃料为主向多元化消费结构转变。规_.. m!C发展sNG是非石油路线生产替代石油产品及解决我国天然气供求矛盾的有效途径,技术风险主要集中大量技术配套方面的研究和工程再图2加氢气化法工艺流程示意图开发工作，以及技术限制、技术垄断、产品标准化、技术的工业支持能力3.3催化蒸汽气化法等风险。经济性的关键是未来煤炭和天然气的价格可能出现的较大波图3为催化蒸汽气化法的工艺流程示意图。催化蒸汽气化法工艺中|动， 以及水、电、汽、运输、人力等成本费用的上涨，都会影响SNG产品的煤气化和甲烷化在催化剂下可实现在同一反应器中进行,大大降低了设|盈亏平衡。管道建设的庞大投资和终端用户的开发也是面临的市场风备投资。同时可以有效进行热量利用，将甲烷化反应生成的热量用于煤|险气化过程，实现经济节能。cH,由第三步从合成气和co2中分离出来,同SNG项目建设应实现煤的本地化。首先应选择既有丰富稳定的煤炭时又将合成气(co、H)返回到气化器中,催化反应温度相对较低(650~|资源，还要保证充足的水资源以及其他原材料的供应渠道的畅通无阻:750C)。该项技术是由美国Exxon公司在20世纪70年代开发的，以碳酸|并且要尽可能采靠近终端目标消费市场，以减少管输费用,同时还应使钾作为催化剂，具有较高的热效率(71.98)用安全可靠、先进成熟有成功先例的核心技术。参考文献而化气体分阁]人然气(1]付国忠,陈超,我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析(J].中 外能源，2010.12(2):28~33.煤灰分离]12)姚飞.中国发展煤制天然气煤层气战略意义及相关政策解读[A.中国↓煤友煤制天然气煤层气(国际)高峰论坛(C1.2009:30~47.图3催化蒸汽气化法的工艺流程示意图[3]Munish Chandel,Eric Wlllams.Synthetite Natural Gas (SNG) : Technology,加氢气化法和催化蒸汽气化法目前均处于研究阶段,共同的优势是| Envionmental Implications,and EconomicsClimate Change Policy Partner-不需要空分单元，节省了设备投资和和能耗，并且气化和甲烷化反应温ship Duke University January 2009.度均较低,可降低过程成本。催化蒸汽气化法还存在催化剂的分离和失(4]蔺华林，李克健,等煤制合成天然气现状及其发展[01,2010, 35(9):25~活的研究瓶颈。该两项工艺目前均引起了业内广泛认可和高度重视。28.[5]托普索国际公司TREMPTM技术将煤转换成替代性天然气A1.2008中4国内外项目进展情况近年来石油价格的迅猛飙升造成了国际能源格局微妙的变化。目|国煤炭加工与综合利用技术、市场、产业化发展战略研讨会论文集[c].北京:煤炭工业出版社, 2008:229-231.前,开发和利用天然气已引起了各国的高度重视和开发。.1 国外进展情况美国Great Plain是将煤气化装置进行商业运营的第一-家公司,其第收稿日期:2013-11-16作者简介:徐康(1987-),女,陕西蓝田人，毕业于西安科技大学,化学工一期工程设计能力为日产 合成天然气389m，从1984年投产至今已运 程与工艺专业， 主要从事天然气管输过程的工艺技术及设备运行维护的27年。该装置利用高含水(30号)褐煤生产，日处理褐煤量为1.85万t。该|管 理工作。管理工作。项目长期稳定运营充分证明煤气化制备天然气商业化的成功。美国 Great Point Energy公司开发出“一步法”sNG工艺,是通过在煤气化装置中加入催化剂，在加压流化床中在相对低温的条件下进一步制得天然气的方法。该技术的特点是用甲烷化过程所放出的大量热量来维持煤气化过程的热量所需,省去了额外对反应器进行加热过程，从而降低了能耗;同时采用大量可回收的廉价金属催化剂从而大大简化工艺并降低了设备成本。此外,美国伊利诺伊州在2006年9月发布公告,宣布投资-一个年产500亿标准立方英尺的SNG项目。20世纪70年代后期，丹麦托普索公司采用专用催化剂(MCR-2X)制备SNG,其在美国伊利诺中国煤化工斯州杰斐逊建立的煤气化工厂已于2010 年投入运行，每年可将约400 .MHCNM HG大科技3102013年12月