煤制天然气甲烷化技术研究

煤制天然气甲烷化技术研究

高振辉

胜帮科技股份有限公司    上海   201210

摘要：现如今，我国人们的生活水平显著提升，天然气是人们生活和生产中必不可少的物品，由于其本身的优势，使得其被广泛应用，但是天然气开采比较困难，所以我国探究了如何利用煤来制作天然气，在煤制天然气技术之中最为关键的是甲烷合成技术。笔者在本文之中简要分析了国内与国外有关于甲烷化合成技术的概况，并且对于煤制合成天然气工艺之中甲烷化合成技术进行了一定的概述，希望由此能够为阅读本文的相关人员提供一定的参考。

关键词：天然气；甲烷化；煤制合成天然气

1、煤气甲烷化技术概述

煤制天然气甲烷化是一种通过将二氧化碳、硫化氢脱除后剩余的部分气体中所含的氢气、一氧化碳及少量二氧化碳在镍催化剂的影响作用下形成甲烷的反应方式，该反应方式的基本原理就是通过甲烷较高的热值来为能源行业提供丰富的功能需求。在甲烷化的制作过程中，不同类型的热值产品能够适应不同的工业、生产与生活需要。其中甲烷化后的气体的热值往往可以达到原煤制气的2~3倍，资源的综合利用效率得到了显著的提升。其中，由于热值整体水平与天然气接近，甚至理化性质也几乎相同，所以可以与天然气进行混合使用，大大拓宽了技术应用的规模与范围。在煤制气甲烷化处理过程中，能够将煤制气体中的有毒物质转化为无毒物质，这样一来在燃烧过程中出现“煤气中毒”的类似问题的概率也会大大降低，通过将煤气的热值提升数倍，也可以在相对有限的城市管网运输环境中完成更高热值的传递与运输，相当于在一定程度上降低了输气的成本，减少了制气环节的理论压力，更是提升了产品的附加值，对于企业而言也可以获得更为丰厚的报酬。煤气甲烷化技术可以与常规天然气的理化性质十分接近，同时热值也可以调整到相同的水平，这样一来两者就可以充分混合后使用。相比于传统的纯天然气而言，煤制天然气具有原材料来源广、成本低的特征，所以实用性很强，国内大多数地区都可以采用。

2、国内煤制天然气发展近况

由于国内能源赋存因素，开发了很多大规模煤制天然气的工业化项目，涉及产能共计2410×108m3/a，目前国家发展改革委员会核准8个煤制天然气项目，总产能311×108m3/a。国内煤制天然气项目存在规划多，环评通过率低，开工率低，项目推进缓慢的现状。大唐阜新煤制天然气项目将于资产重组后开工建设；浙能伊犁新天煤制天然气项目将完成前期手续，尽快启动项目建设；中海油大同、北控鄂尔多斯、苏新能源等煤制天然气项目，将有序开展前期工作。虽然国内甲烷化在设备制造、工艺设计、催化剂开发等方面已经取得了很大的进步，但是目前工业化的煤制天然气甲烷化技术仍以引进国外技术为主，自主化水平低，离开发出能耗更低、经济性更好的甲烷化技术尚有距离。

3、甲烷合成工艺的发展

20世纪初，国外就开始了甲烷化催化剂及利用甲烷化反应脱除合成氨原料气中少量CO、CO2的研究。高CO含量的甲烷化研究始于20世纪40年代。20世纪70年代，鲁奇公司和南非萨索尔公司建设了一套合成气多级绝热甲烷化工艺试验装置，同时鲁奇公司和奥地利艾尔帕索公司维也纳石油化工厂建设了一套半工业化的合成气甲烷化制天然气试验装置。1978年丹麦托普索公司用该公司开发的TREMP甲烷化工艺，在美国建成并投产一个日产72万m3的合成天然气工厂，由于油价逐降，1981年该工厂被迫关停。1984年美国北达科他州大平原气化厂采用德国鲁奇公司煤制天然气技术，投产了一个日产389万m3的煤制天然气工厂。2012年中国大唐国际内蒙克什克腾旗煤制天然气项目建成投产，2013年中国庆华新疆伊宁煤制天然气项目建成投产。国内中科院大连化物所20世纪60年代研制的中温甲烷化催化剂成功用于合成氨厂，脱除合成氨原料气中少量CO、CO2，将低热值水煤气甲烷化，使其增值为中热值城市煤气。近年该所成功研发了700℃的高温甲烷化催化剂，在小试、中试成功的基础上，正开展工业试验。国内其他甲烷化催化剂研究单位也取得了一定的进展。目前，能提供大型甲烷化工艺技术的外国公司有：丹麦托普索公司、英国戴维公司、德国鲁奇公司。丹麦托普索公司、英国戴维公司都采用250℃~700℃高温镍催化剂、3台~4台绝热反应器串联的热循环气天然气合成技术，废热用于产生压力4MPa~10MPa、温度450℃~530℃的过热蒸汽。德国鲁奇公司采用450℃~490℃中温镍催化剂，3台~4台绝热反应器串联的冷循环气天然气合成技术，废热用于产生压力4MPa、温度450℃的过热蒸汽。

4、甲烷化合成技术原理分析

经过化学工艺分析不难发现，煤制天然气的主要目的是将煤炭资源经过一系列的转化后，获得主要的成分甲烷。其工艺路线并不复杂，相关的方程式如下所示：CO+3H2=CH4+H2O；CO2+4H2=CH4+2H2O；其中，煤制合成天然气原料H2、CO、CO2等物质来源于煤炭，通过原料煤与煤气化装置中的纯氧、高压蒸汽、催化剂等反应得到粗煤气，在经过一系列的转换、脱酸（硫回收工艺）、空分等流程，最终实现甲烷化（SNG）。如此一来，可以有效提高煤炭的利用率，在应用的过程中，通过化工工艺减少内部蕴含的有害物质，减少空气污染，一举多得。甲烷化反应是煤制合成天然气工艺中的关键环节，在催化剂的作用下产生强烈的放热反应，因此具有很高的燃烧值。甲烷反应热的释放量几乎是甲醇液体的两倍，这对反应设备也提出了更高的要求。

5、煤制合成天然气工艺钟典型的甲烷化合成

5.1Davy甲烷化技术

由英国Davy公司在上世纪60年代开发，经过经济型城市煤气生产出来的CRG技术，所采用的主要是一些价格较为低廉的烃类馏分形式，对于煤炭资源之中比较容易获取的液体经过馏分之后能够产生可以用来对富甲烷气体进行生产的气体原料，这种情况之下需要对低温环境加以利用。Davy甲烷化技术的最大特点在于反应过程中的稳定性，在反应过程中所采用的是CRG高镍催化剂，其最佳的活性温度处在300℃到600℃之间，反应过程中具有较大的跨度。总体来看英国Davy甲烷化技术所采用的便是1MPa到6MPa的中压合成条件，由此可以使完全甲烷化得以实现。

5.2鲁奇甲烷化工艺特点

德国鲁奇公司是世界上第一家以煤炭为原料进行合成气（SNG）工艺研发的企业，该装置有三个固定床反应器组成，其中两个用来实现高温反应，第三个用来实现CO和CH4的转化，也被称为“大量甲烷反应器”；两个高温反应器的应用是不断循环的，为大量甲烷反应提供必要的原料，保障整个工艺的完整性、连续性。

5.3TREMP甲烷化技术特点

TREMP技术所具有的特点主要是在两个方面，首先是具有较高的热回收率，在TREMP技术之中所采用的催化剂类型为MCR-2X，通过这种催化剂能够使甲烷化反映的速度得到有效的提高，并且能够在一定程度上对热回收率进行强化。其中大概有百分之八十四点四的高压蒸汽能量能够得到较为有效的回收。另外一点在于催化剂具有较为优越的活性，在700摄氏度的环境之下TREMP催化剂系列依然能够表现出较高的活性，可以使气体循环得到减少的同时更好地对压缩机所具有的功率进行降低，并且在此基础之上还能够发挥出能源消耗节约的效果。

结语：随着我国经济的发展和城市化进程推进，社会对能源的多样化需求日渐强烈，天然气的应用范围也逐渐扩宽。积极发展煤制合成天然气技术，可以有效地弥补我国能源结构的缺陷。同时，在甲烷化合成技术方面，除了引进、借鉴国外先进技术外，还应该加快研发具有自主知识产权的技术，推动国内煤化工产业的完善。

参考文献：

[1]王亚龙.煤制天然气甲烷化催化剂的开发及应用现状[J].煤炭加工与综合利用，2018（10）：7-11+42.

[2]李会，杨超.煤制天然气工艺中无循环甲烷化技术的研究[J].山东化工，2018，47（17）：144-145+154.

[3]覃军，邢承治.煤制天然气调峰方式探讨[J].煤化工，2018，46（04）：16-19.

[4]安文忠，田普州，齐凯.中国煤制天然气产业现状、发展机遇与挑战[J].煤化工，2018，46（03）：7-11+44.