焦炉煤气制天然气的技术进展及思考

韦殿杰

摘 要：焦炉煤气制天然气是焦炉煤气综合利用的发展方向，其技术可分为甲烷化技术和非甲烷化技术，阐述了两种技术的研究进展和工业化现状。

关键词：焦炉煤气;天然气;思考与发展

0 前言

中国的城市化和工业化进程，极大地促进了对天然气的市场需求。而中国是一个天然气资源相对贫乏的国家，由此带来的天然气价格上涨趋势已经形成，为天然气的开发利用提供了良好的发展机遇和发展基础。基于经济发展和自然资源的条件限制，目前的焦炉煤气，主要作为城市煤气气源、工业燃料、发电燃料，以及甲醇和化肥等生产原料;随着城市化进程的加速，以及居民生活条件改善对天然气能源需求的提升，焦炉煤气制天然气市场正逐步打开，以焦炉煤气为原料制天然气的比较效益正逐步取得市场的认可。基于此，本文对焦炉煤气制天然气的技术现状进行分析，并就今后的发展趋势进行评估，为企业焦炉煤气制天然气工艺技术选择提供借鉴。

1 焦炉煤气制天然气的实际意义

天然气是一种清洁能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，替代煤炭和石油燃烧时可减少CO2及其他有害气体的排放，有利于缓减温室效应，从根本上改善环境质量。天然气可以代替汽油作为汽车燃料，排气污染小，性价比高，已成为世界车用清洁燃料的发展方向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。天然气的热值高，燃烧充分，现已逐渐代替煤炭作为冬季供暖的有效能源走进千家万户。利用富裕的焦炉煤气制取天然气不仅降低了焦炉煤气直接燃烧排放带来的能源损失，而且缓减了煤炭气油燃烧所造成的环境污染，具有重要的节能环保意义。

2 焦煤煤气至天然气技术的进展

反应的原理是，在一定温度、压力和催化剂存在条件下，使焦炉煤气中的CO、CO2与氢气反应并转化为甲烷。甲烷化反应不仅可以极大程度地降低原料气中CO和CO2的含量，使后续的气体分离或低温液化工序更为有效，而且可以使天然气的产量增加约30%。甲烷化反应为强放热反应，对于焦炉煤气，每转化1%（体积分数）的CO，其绝热温升约为63℃，每转化1%（体积分数）的CO2，其绝热温升约为50.5℃，而目前焦炉煤气中的CO和CO2含量之和通常为10%左右，需采取措施防止甲烷化反应温度过高。甲烷化技术的研究单位主要有：

2.1 西南化工研究设计院

从2006年开始，西南化工研究设计院对焦炉煤气的净化--甲烷化--分离系统进行了集成开发，目前已申报了9项发明专利，其中6项已获授权。该院技术的主要思路是，焦炉煤气通过净化脱除苯、萘、重碳氢化合物、硫化物后，压缩，换热，再在催化剂作用下，进行甲烷化反应，使COG中的一氧化碳、二氧化碳与氢气反应生成甲烷，得到以甲烷为主的混合气;然后使用PSA（变压吸附）法、膜分离法或低温精馏法，分离混合气中的甲烷，制得SNG（合成天然气）、CNG（压缩天然气）或LNG（液化天然气）。为防止甲烷化反应温度过高，该院提供了三种方法进行解决：往原料焦炉煤气中加入适量水蒸气，适当抑制甲烷化反应的深度;将一部分产品气循环，循环比约为2，控制甲烷化反应器的入口气体中CO+CO2总含量≤3.5%;采用多级甲烷化反应器，控制每一级甲烷化反应器的出口气体温度均≤450℃。这些方法有利于降低甲烷化反应的温度，也有利于甲烷化反应器材质的选择。此外，该院还自主研发了用于焦炉煤气甲烷化的催化剂，开发了焦炉煤气制液化天然气联产液氨的技术。

2.2 山东铁雄能源煤化有限公司

山东铁雄能源煤化有限公司、大连普瑞特化工科技有限公司、成都五环新锐化工有限公司合作开发了焦炉煤气甲烷化合成天然气的工艺，其主要步骤有压缩、预净化、脱硫、一段甲烷化反应、二段甲烷化反应、天然气分离等，最终制得满足天然气国标技术规格一类的天然气产品。该工艺具有甲烷化反应压力低、尾气不需进行循环等特点，在山东铁雄能源煤化有限公司焦化厂完成了1000h全流程连续试验，已通过了山东省技术鉴定，并于2010年申报了国家发明专利。

2.3 山西科灵环境工程设计技术有限公司

山西科灵环境工程设计技术有限公司通过向粗脱硫后的焦炉煤气中补入碳源，使焦炉煤气中H2、CO、CO2的化学计量比（H2-3CO）/CO2约为4，再压缩升压至0.5～5.4MPa进行精脱硫，然后进入甲烷化反应器，在Ni系催化剂作用下进行甲烷化反应，得到合成天然气，进而制得液化天然气。该工艺充分利用了焦炉煤气中的H2、CO、CO2和补充的CO2，提高了资源的利用率。

3 非甲烷化技术的进展，非甲烷化技术的研究单位主要有

3.1 四川天一科技股份有限公司

开发了使用变压吸附法从焦炉煤气制取天然气的工艺，焦炉煤气经净化脱除苯、萘、重碳氢化合物、硫化物等杂质后，再通过变压吸附脱碳装置，一次性脱除CO、CO2和C2以上的烃类，从非吸附相中得到主要含N2、CH4、H2的脱碳气，入变压吸附提纯甲烷装置，得到富含甲烷的产品天然气（NG），此产品气可进一步制取CNG和LNG。该工艺通过吸附剂的改进，可在一步脱除CO、CO2、C2+等杂质的同时，保持较高的甲烷回收率。其特点是仅使用变压吸附技术，不需限定焦炉煤气中CO+CO2的总浓度，在常温下即可操作，具有工艺流程简单、能耗低等优点。

3.2 成都赛普瑞兴科技有限公司

成都赛普瑞兴科技有限公司提供了一种以焦炉煤气为原料生产合成气和液化天然气的方法，主要步骤包括：焦炉煤气脱萘、苯和焦油，MDEA脱碳，变压吸附富集甲烷分离出合成气，富集的甲烷液化制得液化天然气。该技术流程短，投资小，具有良好的经济效益。

3.3 北京溯希至清科技有限公司

北京溯希至清科技有限公司于2009年开发了焦炉煤气催化脱氢制取天然气的方法。焦炉煤气经预处理后，加入适量氧气，以铂/二氧化硅/聚四氟乙烯催化剂作为氢氧化合催化剂，在常温下使氧气和氢气反应以除去焦炉煤气中的氢气，再采用变压吸附装置进行处理，以脱除氧气、氮气和二氧化碳。

4 焦炉煤气制天然气技术的比较

由于CH4的物理性质和CO、CO2相近，传统的变压吸附法、膜分离法、低温精馏法等很难一步脱除焦炉煤气中的CO和CO2，若采用两步法分别脱除，甲烷的收率则较低。甲烷化技术的优点是，通过进行甲烷化反应，将无用的CO和CO2转化为甲烷，既脱除杂质气体，又可以增加天然气的产量，所以，该技术是当下的研究热点。但由于甲烷化反应放热量较大，操作温度就较高，所以甲烷化反应器的设备要求也较高，此外，还需将部分产品气循环或采用多级甲烷化反应器，增加了工艺的复杂性。非甲烷化技术的甲烷产率低于甲烷化技术，其优点是工艺简单，技术成熟，投资和操作费用低。

5 结语

近年来，随着化解过剩产能，焦化行业实行准入原则，焦炉煤气综合利用不仅可以变废为宝，改善我国的能源供给结构，缓解资源、环境约束，同时能够促进行业清洁化，实现环保节能。焦炉煤气制天然气技术符合国家产业政策、能源政策和环保政策，是焦炉煤气综合利用的发展方向。对于改善我国的能源供给结构，缓解资源、环境约束均能起到积极作用。

参考文献：

[1]张佳琪，马晓星.焦炉煤气的能源利用技术进展[J].中国新产品新技术，2018（2）：159-161.

[2]韓宝珠.焦炉煤气制甲醇工艺运行探讨[J].燃料与化工，2020（10）：101-103.