变换甲烷化一体化煤制天然气工艺探讨

邵振扬

辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司

变换甲烷化一体化煤制天然气工艺探讨

邵振扬

辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司

我国是一个富煤、贫油、少气的国家。随着经济发展和城市化的推进，天然气消费量已迎来快速增长期。适度发展煤制天然气，可以有效增加国内天然气供给，降低对外依存度，提高国家能源安全保障。目前，已建成的大型煤制天然气项目建设投资较高，装置运行的经济性较差；要提高煤制天然气装置的经济效益，需要对工艺路线进行不断的创新和改进，以降低装置投资和运行消耗。

变换；一体化；煤制天然气；工艺

煤制天然气是通过煤气化制得合成气并进一步通过甲烷化反应合成的替代天然气。尽管煤制天然气中的主要组分为CH4(设计平均值φ(CH4)≈95%)，但是受生产工艺的制约，在组成上不同于常规的气田天然气和油田天然气。本文分析总结了现有工艺技术水平下煤制天然气气质产品的组成以及影响产品组分含量的关键性工艺单元，期望为优化生产操作、制(修)订煤制天然气气质产品质量标准提供借鉴。

1 煤制天然气市场分析

煤制天然气项目的发展前景可以从天然气市场供需总平衡得到。根据前面的分析，天然气消费总量与供应总量比例逐年攀升，需求大于供应，煤制天然气作为补充，其发展空间非常可观。目前已投产运行的煤制天然气产能约40亿m3/a，主要是大唐内蒙古克什克腾旗、新疆庆华、汇能鄂尔多斯、新疆广汇以及云南解化的煤制油联产甲烷项目。截至2014年12月，在建和审批通过的项目高达1162(1215)亿m3/a(源自中国化工报)，预计在2018年后逐渐投入市场。伴随着广大社会对改善空气环境的热切渴望，国家将不断推进清洁能源的使用，越来越多的城市和居民将使用天然气，未来天然气将成为与用电和用水一样普遍，这无疑是一个巨大的市场。

2 现有煤制天然气工艺路线

煤造气装置的工艺目的是将原料煤在气化剂的作用下进行气化处理生产富含CO、H2的粗合成气，煤造气装置可以根据原料煤的特性等因素选择多种气化工艺；CO变换装置的工艺目的是通过CO变换反应调节粗合成气中H2与CO的比例，使其满足甲烷合成对H2与CO比例的要求，通常采用耐硫宽温变换工艺；酸性气体脱除装置的工艺目的是脱除变换气中的H2S、COS、多余的CO2等杂质，对变换气进行净化处理，满足甲烷合成的要求，通常采用低温甲醇洗工艺；甲烷合成装置是将净化合成气中的CO以及少量的CO2与H2反应生成CH4，是天然气的反应生成装置，一般使用镍基催化剂，采用部分气体循环的多段绝热反应工艺；天然气压缩及天然气干燥是将甲烷合成单元生成的甲烷气体进行压缩及干燥处理，以满足天然气输送的要求，一般采用多级离心压缩，干燥采用三甘醇脱水工艺。

粗煤气经过CO变换处理高温变换气冷却至低温后进行酸性气体脱除处理，脱除酸性气体的低温净化气又加热至高温后进行甲烷化反应，甲烷化反应生成的高温天然气再冷却进行压缩及干燥处理，整个工艺流程存在“冷热病”问题，导致全流程换热设备增多，运行能耗增加。粗煤气的CO变换反应需要消耗水蒸气，且用于推动反应平衡的大量水蒸气最终通过冷凝处理以工艺冷凝液的形式排出，甲烷合成反应生成的大量气态水也只能通过冷凝处理以工艺冷凝液的形式排出，全厂工艺冷凝液排放量大，冷凝设备投资大。虽然工艺冷凝液可以经过汽提处理后返回系统循环使用，但处理大量工艺冷凝液将增加装置建设投资及运行成本。

3 单元操作技术水平对产品组成的影响

3.1 空分单元

煤制天然气的空分装置主要是为了制备高压氧气和氮气产品。高压氧气作为气化炉的气化剂，在气化单元被完全消耗而进入产品链中，氮气作为原料煤输送气。高压氧气中的杂质组分，主要包括氮气、氩，与输送用氮气在进入煤制天然气生产工艺流程后，成为最终产品气体中惰性组分的重要来源之一。

3.2 粗煤气净化单元

粗煤气净化，是将离开气化炉的高温粗煤气依次通过水急冷洗涤饱和、废锅间接冷却步骤，将其携带的煤焦油、氨、氯、固体颗粒物去除而得到含水呈饱和状态的煤气的过程，属于原料气的预处理单元，目的是保障后续工艺单元的顺利进行。因此，在正常操作条件下，可以认为该过程单元对煤制天然气产品组成不产生明显影响。

3.3 水气变换单元

水气变换单元是将气化单元送来的粗煤气中的CO经变换反应部分变换成H2，使变换气H2/CO比满足甲烷化的要求。该过程主要目的是调整气化产品气中H2和CO的比例，以满足后续甲烷化单元工艺的要求。在其他条件相同时，变换单元出口气的氢碳比对最终天然气产品中的H2含量有重要影响。当氢碳比高于3.0时，表明在后续发生甲烷化反应时H2过剩，过剩的H2会进入最终的产品气中。但是考虑到在低氢碳比时，后续甲烷化催化剂容易发生积炭失活，因此通常要求变换单元出口气的氢碳比略高于3.0。现在也有具有水气变换功能的甲烷化催化剂，对于这种催化剂可以适当调整变换单元的设计负荷。

3.4 中国甲烷化催化剂

至今为止，中国所研制的国产甲烷化催化剂主要用于合成氨厂微量CO的去除以及制备高热值城市煤气。国产甲烷化催化剂均为中低温催化剂，不适合煤制天然气项目的工业化生产，因此高温国产甲烷化催化剂尚在研制之中。虽然目前中国有多个煤制天然气项目正在建设中，但是中国尚未掌握大型的合成气甲烷化工艺技术，其主要工艺技术以及甲烷化催化剂均购自国外公司。不仅引进费用相当高昂，并且无法得到完整的成套甲烷化工艺技术，大大限制了中国煤制天然气技术的发展。因此，开发中国具有自主产权的甲烷化工艺技术和甲烷化催化剂是解决中国能源危机的迫切任务之一。

总之，相关企业要充分把握煤制天然气全局形势，结合并执行国家规划与政策。通过不断的技术创新和工艺优化，采取节能、降耗、减排、节水等多方面措施改善环境，降低成本，提高企业内部收益率，达到经济效益和环境效益的双赢，促进煤炭高效转化及利用。

[1] 赵泽秀，张忠平.石油天然气与煤制天然气生产区别和优势[J].煤炭加工与综合利用，2014，(6)：9-14.

[2] 贺永德.煤化工技术手册[M].第二版.北京：化学工业出版社，2010：374-586.