煤制天然气.doc

煤制天然气摘要：叙述煤制天然气的必要性、煤制天然气的发展历史、工艺原理和选用的煤气化技术、甲烷化技术和催化剂、美国大平原厂的工艺叙述，论述煤制天然气的技术经济问题煤制天然气要有序发展，建议建立全国甲烷管道网关键词：煤制天然气，煤化工产业，甲烷化被称为人工天然气的工艺，实际上是合成甲烷，最有发展前途的是煤制天然气1. 煤制天然气的必要性煤制天然气是目前煤化工的顶尖热门话题，在我国北方辽阔的大地上，一场声势浩大的合成甲烷的高潮正在形成，几个煤制天然气的大型工程正在破土动工，见表 1表 1 部分在建与拟建的煤制天然气工程序号 单位 规模亿Nm3/a投资亿元状态 地点1 大唐发电集团 40 257 在建 内蒙赤峰西部克什克腾旗2 新汶矿业集团 20 100 在建 新疆伊犁3 大唐发电集团 40 200 拟建 辽宁省阜新市4 神华集团 20 140 拟建 内蒙古鄂尔多斯5 汇能煤化工有限公司 16 80 拟建 内蒙古鄂尔多斯新庙镇悖牛川煤电化工园区6 华银电力公司 15 拟建 内蒙古鄂尔多斯7 中海油与同煤集团 40 拟建 山西大同作为 13 亿人口的大国，居民饮食和生活燃料问题是十分重要的。

目前随着我国西气东输的实施城市燃气管道化已经比较普及，天然气，液化气，煤气，沼气等燃气管道网络在我国发展迅猛，这无疑是一件好事，对于提高经济效益、减少城市大气污染、方便居民生活、减轻百姓的家务劳动等方面都带来显著的好处无疑，人民生活水平的提高，对环保、生活的舒适性要求越来越高，天然气肯定供不应求了让 13 亿人民的饮食和生活燃料都用上甲烷(约需 1800 亿Nm3/a)，实行全国居民用燃料的管道化，前景是相当诱人的！要发展煤制天然气技术，就应该考虑在煤矿的坑口，选择合适的煤气化技术，集中设置多套大型化的煤气化装置，经过变换、脱硫脱碳、甲烷化等化工处理产生 CH4，同时经过克劳斯硫回收等工艺副产硫磺等这样的工艺称为煤制天然气、坑口气化或煤制天然气，产品并入天然气管网中如果以西气东送国家天然气管道为基础，建立全国天然气管道网，将煤制天然气、煤层气、焦炉气制甲烷等人工合成甲烷，从分支管道线送到国家主管道上，作为主管道的气源，从而形成甲烷管道网，与电网相似沿线主要城镇可以从管道上取得甲烷作为人民生活用气，将对提高我国居民的生活质量和改善大气质量起到巨大的作用毫无疑问，这是一项伟大的利民工程天然气和合成甲烷---城市人民现代文明生活的伴侣！2. 煤制天然气的发展历史2.1 国外的发展60 年代末，美国自然资源公司(ANR)的长期规划人员就认为煤气化是补充天然气供应的最合适方案，即开始大平原煤气化工程的规划工作。

1973 年，ANR 成立了合成燃料组， Lummus 一 Kaiser 公司进行了 78 万米 3/日代用天然气工厂的可行性研究，鲁奇公司承担工艺的初步设计1974 年，成立 ANR 煤气化公司1975 年，完成可行性研究，按估算工厂将耗资 7.8 亿美元，煤矿设施耗资 1.25亿美元1978 年 5 月，在美国能源部的推动下，组成大平原煤气化联合公司(GPGA)1981 年 8 月，里根总统授权能源部给予货款保证 20.2 亿美元1984 年，英国煤气公司和德国鲁奇公司合作，完成了 HICOM 甲烷化工艺4 月24 日，世界上第一个煤制天然气的工厂“美国大平原煤气厂”开始试运转7月 28 日，首批合成甲烷开始送入天然气管纲11 月 11 日，达到设计生产能力1985 年，由于能源价格下跌，工厂的生产难以维持大平原煤气化厂是由煤生产代用天然气的大型工厂，对未来的能源供应有着重要的意义，它在合成燃料工业中继续发挥先驱和示范作用该厂是美国化工技术储备的一个典型例子，目前还在运行2.2 国内的发展国内，西北化工研究院曾经在八十年代开发过 RHM-266 型耐高温甲烷化催化剂甲烷化催化剂，适用于城市煤气甲烷化，使其部分 CO 转变为 CH4从而达到提高热值和降低煤气中 CO 浓度的目的。

该催化剂 1986 年通过化工部鉴定，已应用于北京顺义煤气厂城市煤气甲烷化固定床反应器上，但是没有在大规模城市甲烷生产上使用过河南煤气化工程是 20 世纪 90 年代引进国外鲁奇加压煤气化技术,在义马煤矿坑口建设的利用劣质煤生产中热值城市煤气(热值≥14.7Mj/Nm 3)的大型煤气工程,并且是采用长距离(>200 km)、大口径(DN400 mm)、高压力(2.5MPa)的管道输送办法，向洛阳等大、中城市集中输送城市燃气的大型输气管道工程一期工程于 2001 年 2 月 11 日投入试生产,中热值煤气产能 120×104Nm3/d该工程 2006年 8 月 12 日通过了国家验收,同年 9 月 18 日,产能 180×104Nm3/d 的二期工程又顺利投入试生产,合计中热值净煤气产能约 300×104Nm3/d用煤生产城市煤气，是煤制天然气的先驱随着人民生活水平的提高，应该从城市煤气提升到煤制天然气上来目前国内正在建设的为大唐国际发电股份有限公司克什克腾旗 40 亿 Nm3/a 煤制天然气项目，总投资 257 亿元，预期 2012 年投产该项目依托锡林浩特胜利煤田的煤炭资源，赤峰市克什克腾旗较为丰富的水资源，生产合成甲烷，通过长输管线直送北京市场。

3 条生产线，每一条生产线与大平原厂相当，共 48 台lurgi 气化炉，45 开 3 备全年消耗原料煤 1423.80 万吨/年，燃料煤 402.144万吨/年副产物共约 72 万吨年耗水：2701.88 万吨折合 1000 Nm3 天然气耗水 6.75 吨每吨天然气耗水：9.46 吨总产值 74.664 亿元，其中副产物占14.3%表 2 项目产品方案为：序号 产品名称 年产量 产品价格 备注(GDP)，亿元1 煤制天然气 40 亿标准立方米 1.6 元/标准立方米 64.002 焦油 16.2 万吨 1200 元/吨 1.9443 中油 20 万吨 1600 元/吨 3.204 石脑油 5.7 万吨 2800 元/吨 1.5965 粗酚 6.2 万吨 4200 元/吨 2.6046 硫磺 16.5 万吨 800 元/吨 1.32合计 ～75配套的输气管线为：内蒙古大唐克旗煤制天然气项目输气管线全长 359 km；全线管径 DN900 mm；设计压力为 7.8 Mpa；设计流量 1200×104m3/d；项目管线起点为内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗的浩来呼热乡，末站设在北京古北口。

3. 工艺原理煤制天然气的工艺包括：煤气化、空分、部分变换、净化(低温甲醇洗)、甲烷化五个单元，见图 1各个单元的作用见表 3表 3 煤制天然气单元表单元 作用煤气化： 制取合成气 CO+H2空分： 制取 O2部分变换： 调整 H2/CO净化(低温甲醇洗) 脱除 H2S、CO 2甲烷化： 合成 CH4图 1 煤制天然气化流程示意图煤制天然气的工艺的最关键技术是煤气化近年来，煤化工技术的进展已为大家所熟悉目前国内的煤气化技术，已经取得了明显的进展，4 种引进的大型煤气化技术(Texaco、Shell、GSP、Lurgi)和国内开发的六种煤气化技术(二段炉、四喷嘴、航天炉、灰融聚、非熔渣-熔渣分段气化、多元料浆)在煤化工的各个领域发挥作用这些煤气化技术都有可能成为煤制天然气的工艺技术4. 煤气化技术的选用“美国大平原煤气厂”采用鲁奇煤气化工艺和甲烷化工艺 [2][5]该厂日耗原料碎煤 1.27 万吨，生产 380 万 Nm3的人工天然气折合年原料碎煤 423 万吨，年产 12.7 亿 Nm3人工天然气投资 20.2 亿美元，14 台气化炉 12 开 2 备该公司还使用两种甲烷化的催化剂，在 5－7MPa 和 600－650℃条件下操作，采用内冷式副产蒸汽反应器。

由于采用鲁奇炉，转化气中的焦油处理比较麻烦，整个装置的流程较长这个厂作为技术储备，没有将同类技术推广，是与美国天然气的供应比较方便有关由于美国采用了 Lurgi 气化技术，并且已经取得了二十多年的生产经验，因此国内普遍主张在煤制天然气的流程中，采用 Lurgi 气化技术气化出口含有 8-10%的甲烷，同时投资比较低，可以使用褐煤作原料上述流程的副产物是焦油，焦油加氢可以作为燃料油或车用油，以及酚、氨，可以作为化工原料由于气化出口的合成气中的 H2/CO 比较高(1.68)，因此，需要的变换气体较少，这些都是用 Lurgi 气化的优点但是，从技术、煤的利用率、产品成本、和环保上来考虑，水煤浆和干煤粉的气化不见得不利，这个问题与其它煤化工工艺一样，应该因地制宜在我国，对水煤浆技术的运用已经很熟练，在煤质允许的条件下，采用水煤浆制取甲烷也是可以考虑的近日，我国的粉煤气化炉 HT-L 的运行现况良好，有望成为继水煤浆后的又一个实用的大中型煤气化技术，将这个技术用于煤制天然气工艺中，可以使用褐煤作原料，从而可以达到更好的效果多年前，笔者曾经作过这样的计算 [3]，根据水煤浆制取甲烷流程作了模拟计算。

图 2 水煤浆制取甲烷流程图计算表明，以神府煤为例，采用水煤浆技术，在气化炉投料 62t/h 为基础上，每吨原料煤可产人工天然气 469 标米，付产 2.66 吨高压蒸汽基本上可用于部分动力平衡一个年产 2.3 亿标米人工天然气的坑口气化装置需要两台直径为2.8 米的水煤浆气化炉和一套 42000NM3的空分设备典型气化操作条件为：T＝1400℃，P＝6.2Mpa投入：煤量＝62 吨/h，氧气量＝41235Nm 3/h，水量＝36. 98 吨气化出口干气量＝140565 Nm 3/h气化出口有效气成分(H 2+CO)＝82.50％产品为含甲烷 95.70%的人工天然气，见表 4表 4. 水煤浆气化制甲烷物料平衡表 [3]物流号 1 2 3 4 5 6 7CO2 % 16.94 16.81 34.70 3.00 微量H2 % 36.61 36.66 50.28 75.37 0.52CO % 45.90 45.98 14.59 21.08 微量CH4 % 0.05 0.05 0.04 0.05 95.70干气流量( Nm 3 140566140085178459117494 29085/h)氧气流量( Nm3/h)41325 煤(吨/h) 62 水(吨/h) 36.98 在气化后的工艺中，由于需要的 H2/CO=3.0 左右，因此激冷流程更合适一些。

部分变换是成熟技术低温甲醇洗是最适合煤制天然气的净化技术，主要是它的脱硫能力很强，H 2S 可以降到 0.1ppm 以下，能够满足甲烷化催化剂的要求，CO2 可以降到满足甲烷化的要求(1%以下)由于甲烷化有大量的能量释放，产生的高压蒸汽用于空分后还有少量富裕因此，水煤浆气化制取甲烷是有一定合理性的5. 甲烷化技术坑口气化工艺中需要开发的难题是甲烷化反应器和甲烷化回路由于反应热很大而且比较集中，与上述配套的设备要产生大量的高压蒸汽现今的合成氨工业中，甲烷化是作为净化合成气的末尾手段来除去微量的CO 和 CO2，在催化剂的作用下生成 CH4，通常采用绝热反应器在典型的甲烷化炉操作条件下，CO 和 CO2的总平衡浓度在 10ppm 以下，以满足氨合成反应的要求其主要的反应为：CO＋3H 2 ＝ CH 4＋H 2O △H 0＝－206.2 kJ/molCO2＋4H 2 ＝ CH 4＋2H 2O △H 0＝－165.0 kJ/mol在甲烷化反应是绝热反应得条件下，其绝热升温为：气体中每转化 1％的 CO 的绝热升温 72℃，每转化 1％的 CO2 的绝热升温 65℃ 。

本方案中甲烷化前CO＋CO 2含量为 24－25％，体。