煤制合成天然气现状及其发展

蔺华林 李克健 赵利军

中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

煤制合成天然气现状及其发展

蔺华林 李克健 赵利军

中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

随着人们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，而煤制天然气的核心技术是甲烷化技术。对煤制合成天然气的国内外发展现状进行了介绍，并对甲烷化技术需要解决的关键技术及其发展提出了自己的见解。

天然气 煤 甲烷化

天然气是一种清洁、便捷、安全的优质能源，其主要成分为甲烷（CH4）。目前，世界天然气供需基本平衡，但需求增速远远大于产量增速。在中国，随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高以及环境保护意识的增强，对天然气的需求呈快速增长势头，可以预见未来无论是国内还是国外对于天然气的需求都存在很大的缺口。

表1列出了2009～2020年国内天然气供需情况及对未来供需的预测[1]。可以看出，虽然我国每年天然气供应量呈逐年增长的趋势，但远远落后市场需求的快速增长，天然气供不应求的局面在我国将长期存在。

表1 2009～2020年中国天然气供需预测（亿m3）

我国的能源结构特点是富煤、少油及缺气。煤炭资源丰富，且煤种齐全，分布较广。煤制合成天然气流程是将煤经过气化、气体净化、变换以及甲烷化四个单元来制备天然气。通过煤制天然气技术可以使煤直接燃烧过程中产生的有害物质集中回收利用，也是高碳能源向低碳、富氢能源转化的有效途径。发展煤制天然气不仅可以缓解我国天然气供应不足的局面，弥补天然气供需缺口，对于实现油气资源的多元化、能源安全、节能减排等方面具有战略性意义。

1 国外煤制天然气发展状况

煤制天然气工艺路线的核心技术是甲烷化技术，最早由德国鲁奇公司和南非沙索公司的工程师在半工业化实验厂进行考察时提出。国外的研发是以制取代用天然气为目的，目前大型甲烷化技术在国外发展已经成熟。能够提供成套技术的主要有德国的鲁奇公司、丹麦的托普索公司、英国的Davy公司以及美国的巨点能源公司等。

鲁奇公司和南非沙索公司，在南非F-T煤制油工厂旁建了一套半工业化煤制合成天然气试验装置，同时，鲁奇公司和奥地利艾尔帕索天然气公司在奥地利维也纳石油化工厂建设了另一套半工业化的天然气试验装置。两套试验装置都进行了较长时期的运转[2]。

美国大平原煤气化厂是世界上第一座由煤气化经甲烷化合成高热值煤气的大型商业化工厂，采用鲁奇加压移动床气化炉，用北达可达褐煤的块煤为原料，生产代用天然气[3]，商业运作20年，实现了长周期平稳运行，经济效益良好。它在合成燃料工业中发挥着先驱和示范作用。

丹麦Topsoe公司使用自己开发的专用催化剂，建设了12 m3/h的中试装置。其代表性的甲烷化催化剂为MCR-2X，该催化剂是将22%镍负载到一种稳定的载体上制备而成的[4]，无论在低温下（250℃）还是在高温下（700℃）都能稳定运行，已经通过工业验证是一种具有长期稳定性的催化剂[5]，累积运行记录超过了45 000 h。在高压下，该催化剂可以避免羰基形成，保持高活性和长寿命，能生产出高品质的代用天然气，甲烷体积分数可达94%～96%，完全可满足天然气标准以及管道输送的要求。

Davy的CRG工艺与Topsoe的TREMP工艺基本类似[6]，其代表性的甲烷化催化剂为CEG-LH，该催化剂使用温度范围很宽，在230～700℃范围内都具有很高且稳定的活性，使用该催化剂具有变换功能，合成气不需要调节H/C比，转化率高，该催化剂已经过工业化验证，拥有美国大平原等很多业绩，甲烷化压力高达3.0～6.0 MPa，可以减少设备尺寸，使用该催化剂能生产出高品质的代用天然气，甲烷体积分数可达94%～96%。

美国巨点能源公司开发的一步法煤制天然气技术[7]，又称“蓝气技术”。巨点能源技术采用一步法合成煤基天然气，降低气化装置的操作温度，在温和的“催化”条件下，直接催化反应并生产出清洁可燃的天然气。其具有煤种适应性广泛、工艺简单、设备造价低、节能和环保等优点。生产出的天然气符合管道运输条件标准。目前正积极推进该公司开发的一步法煤制天然气技术的商业化进程，计划到2022年采用“蓝气技术”装置的总规模能力达到日产2 832万m3煤制天然气。

2 国内煤制天然气甲烷化技术发展概况

目前我国甲烷化技术的主要作用一方面是将人工煤气中的部分CO转换为CH4，提高煤气热值，同时也降低煤气中CO含量，以满足国家标准对人工城市煤气的要求[8-9]；另一方面是合成气精制，即通过甲烷化技术脱除少量CO和CO2，一般是用于合成氨厂[10-11]。

我国在20世纪80年代至90年代煤气甲烷化增加热值的研究开发工作的进展较为迅速。当时开展的“水煤气甲烷化技术生产城镇燃气的研究”，主要用来解决城市煤气热值问题，参与这项研究的单位有：中国科学院大连化物所、煤科总院北京煤化所、中国科技大学、西北化工研究所、华东理工大学及上海煤气公司等。其中中科院大连化学物理研究所、华东理工大学及西北化工研究院在低热值煤气甲烷化制取中热值城市煤气方面做了大量工作。中科院大连化学物理研究所进行了常压水煤气甲烷化、加压耐硫甲烷化及低压耐硫甲烷化技术的研究开发。西北化工研究院于1997年完成两段煤气甲烷化催化剂及多段固定床甲烷化工艺中间试验[2]。

上述甲烷化技术基本采用常压状态操作，与现在流行的大型加压气化技术不能匹配，因此，甲烷化技术在我国虽有一定的研究基础，但要形成适应新型气化技术的甲烷化技术，还需要进行大量开发工作。

3 国内煤制天然气项目进展情况

随着对天然气需求的剧增，国内煤制天然气项目出现了蓬勃发展的势头。目前国内规划和在建的煤制天然气项目近10个，预计年产近200亿m3，成为继煤制油之后的煤化工领域投资热点。

（1）神华集团煤制天然气项目[12]

神华集团鄂尔多斯煤制天然气项目于2009年4月在内蒙古进行奠基仪式。该项目年产天然气20亿m3，将主要供应京津塘地区；副产品为硫磺、粗酚、石脑油、焦油和液氨等，预计2012年建成投产。通过该项目的实施，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”战略的内涵。这是神华继煤制油和煤制烯烃等重大项目后，在煤化工领域的又一突破。

（2）大唐国际辽宁阜新煤制天然气项目

内蒙古大唐国际发电股份有限公司（皆称大唐国际）辽宁阜新煤制天然气项目利用内蒙古锡林浩特的煤炭资源在辽宁阜新建设一套生产能力为1 200万m3/d合成天然气装置及配套的热电站和其他公用工程、辅助工程。生产的天然气经管道送往辽宁省各大中型城市。

该煤制天然气项目地点位于辽宁省阜新市新邱区长营子镇煤化工产业区。输气管道工程全长达1 107 km，输送气以煤制天然气为主。该项目目前正在进行项目的前期可行性研究工作。

（3）大唐国际内蒙古克什克腾旗煤制天然气项目[13]

2008年4月11日，内蒙古大唐国际发电股份有限公司筹备、建设及运营内蒙古克什克腾旗生产天然气40亿m3/a工程。投产后主产品天然气采用长输管道输送，管线从内蒙古克什克腾旗站到北京密云，全长448 km。该项目2012年可望全部建成，工程建成后主要供应目标是北京市以及输气管线沿线城市。

（4）华银电力内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗煤制天然气项目

2008年8月18日，华银电力公司与内蒙古鄂尔多斯市人民政府以及伊金霍洛旗人民政府签署投资合作框架协议，拟通过引进美国巨点能源公司的一步法煤制合成天然气技术，在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗投资建设基于该技术的煤制合成天然气示范项目。

（5）新矿集团新疆伊犁100亿m3制备天然气项目[14]

2009年国家重点项目——100亿m3/a煤制天然气工程在新疆伊犁开工建设。项目建成后，可通过国家“西气东输”二线，每年向新疆和我国东部地区供应煤制天然气100亿m3以上。最近，该项目再次赢得美国资源专业公司的青睐，并进行实地考察，就煤制天然气项目以及资本合作等进行了交流。

（6）华能新疆公司煤制天然气项目

华能新疆能源开发有限公司计划总投资350亿元在准东规划建设60亿m3/a煤制天然气项目。该项目分两期，项目一期工程40亿m3/a煤制天然气项目于2010年6月8日在昌吉州完成了奠基仪式，2013年建成投产；项目二期工程20亿m3/a煤制天然气项目2012年开工建设，2016年建成投产。

该项目将以华能准东大井矿区6号井煤为原料生产天然气，采用煤加压气化技术生产粗合成气，通过一氧化碳变换调整合成气中H/C比、脱除酸性气体中硫化氢以及二氧化碳等、合成气通过甲烷化及脱水生产天然气产品。主要工艺装置包括：煤气化、空分装置、一氧化碳变换、酸性气体脱除、甲烷化、干燥装置等。

（7）其他煤制天然气项目

中国海洋石油总公司与同煤集团合作在内蒙古包头和山西朔州等地筹建年转化1 800万t原煤煤层气项目；庆华集团伊犁煤制天然气项目等。

4 甲烷化技术需要解决的关键技术

甲烷化反应是CO和H2在一定温度、压力和催化剂存在的条件下进行的反应，该反应为高放热反应[5]。据估计，每1%CO转变成CH4，反应器绝热升温60～70℃。如此高的热量不及时移走，将会导致催化剂烧结，使反应不能顺利进行。因此，对反应器和催化剂提出了很高的要求，也是甲烷化技术所需要解决的关键技术问题。

目前工业上常用的两种甲烷化反应器是冷却反应器和绝热反应器[15-16]。冷却反应器多数是在受压壳层内装有许多平行管，催化剂即可以装在周边是冷却介质的平行管内。还有一种是细分催化剂床层为许多部分并通过在各部分之间引入冷却气或者从某一部分抽出产物以达到冷却的目的，该反应器的优点是需要装填的催化剂较少，反应器温度变化不大，由此在反应器出口气体中获得浓度较高的理想反应产物（CH4）是可能的，但该反应器在结构和操作上比较复杂。

与之相比，绝热反应器由于结构简单，装填催化剂比较方便，同样其控制也比较容易。而其缺点是由于反应器是封闭的，在反应过程中反应温度过高会导致催化剂被破坏，甚至有可能反应器也被破坏。

因此，反应器决定了反应过程中的取热问题，重点应该解决反应器构建及取热方式等关键技术。

开发高温甲烷化催化剂以减少在反应过程中所产生的烧结、析炭等问题也是高温甲烷化需要解决的另一项关键技术。

5 发展煤制合成天然气需要考虑的问题

我国的煤制合成天然气技术开发还未达到产业应用阶段，面对我国以煤为主的能源结构现实，发展煤制合成天然气产业，对我国具有重要的现实意义，同时也需要考虑以下一些问题：

（1）煤制天然气项目要与煤气化技术相匹配发展，同时要考虑到生产出的天然气产品的输送问题。

（2）由于天然气价格受国家宏观调控，煤制天然气项目要尽可能在规划时就要与下游产品统筹规划，以提高项目的抗风险能力。

（3）煤制天然气项目的发展过程要同时考虑环境问题，其发展面临着碳排放和污染物处理的环保压力。

（4）发展煤制合成天然气是长期的能源发展战略问题。目前，我国煤制合成天然气关键技术还需要从国外引进，发展我国具有自主知识产权甲烷化技术是一项迫切的任务。

（5）发展煤制天然气要考虑到资源问题。建议在煤炭资源储量丰富地区，如新疆地区大力发展煤制天然气产业。

总之，煤制天然气作为液化石油气和天然气的替代和补充，既实现了清洁能源生产的新途径，优化了煤炭深加工产业结构，又具有能源利用率高的特点，符合国内外煤炭加工利用的发展方向，对于缓解国内石油和天然气短缺，保障我国能源安全具有重要意义。我们应总结国内外煤制合成天然气技术的发展特点及先进技术，进行如新型高温甲烷化催化剂的开发和新工艺开发及关键设备开发等课题的研究，争取开发出具有独立自主知识产权的甲烷化技术，为我国煤制天然气的发展奠定坚实的基础。

[1]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.中国煤制天然气/煤层气（国际）高峰论坛[C]，2009:30-47.

[2]周晓奇,房根祥.煤基合成代用天然气甲烷化工艺及催化剂研究.中国煤制天然气/煤层气（国际）高峰论坛[C],2009:121-137.

[3]赵振本.美国大平原煤气化厂 [J].煤炭加工与综合利用,1986(2):51-55.

[4]H HARMS,B HOHLEIN,E JORN.High-temp methanation tests run [J].Oil&Gas Journal,1980 (14):120-135.

[5]J R Rostrup-Nielsen,K Pedersen,J Sehested.High temperature methanation sintering and structure sensitivity[J].Applied catalysysA:General,2007,330:134-138.

[6]刘志光,龚华俊,余黎明.我国煤制天然气发展的探讨[J].煤化工,2009(2):1-5,13.

[7]汪家铭.煤制天然气发展概况与市场前景 [J].产业发展,2009(8):32-37.

[8]张成.CO和CO2甲烷化反应研究进展 [J].化工进展,2007,26(9):1 269-1 273.

[9]方琪.城市煤气甲烷化催化剂研究进展 [J].南化科技,1994,15(2):55-57.

[10]杨盛銮.合成氨厂用甲烷化催化剂的发展概况[J].化肥与催化,1991(1):34-37.

[11]M P Andersson,F Abild-Pedersen,I N Remediakis,et al.Struvture sensitivity of the methanation reaction:H2-induced CO dissociation on nickel surfaces[J].Journal of catalysis,2008,255:6-19.

[12]中国神华投资200亿元的20亿m3煤制气项目开工[J].煤炭工程,2009,6:101-101.

[13]石杏茹.大唐开启煤制气新时代.中国石油石化,2009(18):46-47.

[14]张李燕.两煤制天然气项目在新疆伊犁开工.煤炭工程,2009,12:92-92.

[15]Allan Skovk,lyngby,Denmark.Process and a plant for preparing a gas rich methan:US,4298694[P].1981.

[16]Ernst JΦrn,Lyngby,Denmark.Process for preparing methane rich gases:US,4130575[P].1978.

TQ546.4

蔺华林 女 1978年生 博士 华东理工大学2008年毕业 已发表论文数篇

2010年7月