文献综述煤制气

煤制气工艺进展摘要:煤制合成天然气是国家发改委“现代煤化工示范”方向之一，也是中国天然气供应的重要组成部分。文章分析了国内煤制气工艺发展现状，对比了两种煤制气工艺，提出了我国煤制气生产建议，即今后扩大生产能力，积极开发成熟技术等，以促进我国煤制气项目的健康有序发展。关键词：煤制气供需分析发展前景工艺进展天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源。主要用于天然气化工工业、城市燃气事业、压缩天然气汽车以及天然气发电。在未来几十年里，随着天然气市场的不断完善和一些国家正在进行工业化进程的加快，对天然气新的需求越来越大。加快天然气产业发展，提高天然气在一次能源消费中的比重，对我国调整能源结构、提高人民生活水平、促进节能减排、应对气候变化具有重要的战略意义。1天然气供需现状及发展前景1.1世界天然气供应、需求状况据分析，全球天然气产量将在2010年2020年达到3万亿m3-3.4万亿m3高峰，技术进步还将扩大天然气资源量基数，并不断发现新的天然气储量。因此，到2040年之前虽然石油仍将是最重要的能源，但是到了2040年当油气供应总量将达到128.5亿吨油当量时，天然气所占的比例将首次超过石油，占到51%。增长最快的天然气资源是非常规气，即致密砂岩气、含气页岩和煤层甲浣气。在未来几十年里，随着天然气市场的不断完善和一些国家正在进行工业化进程的加快，对天然气新的需求越来越大。据预测，在全球范围内，天然气的需求增长速度快于其它初级能源，年增长率将达到3.2%，2005年全世界天然气消耗将超过煤炭。到2015年，世界天然气需求将比目前提高80%，可达到3.76万亿。估计到2080年，天然气的用量超过石油和煤炭的总和。从全球的角度看，天然气可被广泛应用于化工、工业、城市商业、运输业、民用和发电，而且天然气的应用还有继续扩大的趋势。预计将来天然气的价格会上升，这是由于对天然气需求的不断增长，新气藏的发现、开发和开采成本、远距离的运输费用以及石油价格都较高所致，其它形式的能源在价格上也会有相似的增长。1.2国内天然气供应、需求状况近年来，随着我国治理大气环境污染和能源结构调整力度的不断加大，天然气消费量攀升迅速。金银岛数据，2014年天然气消费量达到1860亿方，较之2010年增长了1.74倍，2010-2014年均增长率为15.8%。而2014年天然气产量达到1250亿方，2010-2014年均增长率12.57%，天然气市场供需关系趋紧。当前，尽管我国天然气资源开发潜力巨大，但因政府扶持力度不足、投资回报预期不明以及技术、环境、能耗等多重因素限制，非常规天然气项目推进缓慢，单纯依靠国产天然气供给难以满足国内需求。金银岛数据显示，2014年国产天然气供应缺口高达36.5%，而实际国内市场供需相对平衡，大量进口资源的补充可谓功不可没。近年来我国天然气资源的对外依存度大幅提升，金银岛数据显示，2014年前三季度对外依存度已高达27.7%，而国际能源安全的警戒线为30%。以目前情况看，未来进口天然气在我国天然气供应体系中依旧举足轻重，但天然气价改革造成的供应过剩风险不容忽视。1.3天然气的发展前景天然气作为一种优质、高效、清洁的燃料，在世界各地越来越多的领域得到广泛应用，有效地促进了社会进步和经济发展。未来几年，随着我国天然气管网铺设的继续推进以及各地区油改气、煤改气项目陆续投产，天然气消费仍将保持强劲的增长势头。2006年以来，伴随我国能源结构的调整，天然气利用结构逐步优化。金银岛数据显示，至2014年，工业燃料占比逐步扩大至39%；发电用气经历了06-10年4年的快速增长期后陷入发展低潮期，比重下滑至15.1%，且由于气价干扰太大，前途未卜；城市燃气继续保持递增趋势，比重上升至31.2%，化工用气比重则下滑至14.9%。2015-2020年间，预计中国天然气消费量继续保持两位数增长。据金银岛预测，2020年中国天然气表观消费量有望猛增至3600亿立方米附近，是2014年的1.94倍。2015-2020年国内天然气供需情况预测（单位：亿立方米）年份2015年2017年2020年预测需求215026103605预测国内需求135519142441供需缺口7956961164表1-12015-2020年国内天然气供需情况预测我国“十二五”期间，预计年均新增天然气消费量超过200亿标方，到2015年达到2300亿标方，但根据《天然气发展“十二五”规划》，到2015年国内天然气供应能力仅达到1760亿标方，显然，规划产量并不能满足需求，在从国外进口天然气的同时，发展煤制天然气将有助于缓解我国天然气供应不足的现状。在产业政策鼓励做后盾，大部分技术已国产化，能源利用效率最高以及我国多煤少气的国情和国内天然气供应紧张和价格连续上涨情况下，国内诸多企业进入或拟进入我国煤制天然气产业，促进了煤制天然气产业的发展。2煤制天然气工艺2.1煤制天然气工艺现状煤制天然气的核心技术除气化技术以外，还有甲烷化技术，气化技术已经非常成熟，甲烷化技术是在煤气化的基础上，进行煤气甲烷化，鲁奇公司、沙索公司在两个半工业化实验厂上进行考察认为煤气进行甲烷化，可制取合格的代用天然气。2.2托普索技术托普索公司提供了一种有竞争性的工艺，能够从脸颊的含碳原料中生产替代性天然气（SNG），SNG中富含甲烷，可以同天然气相互代替并以相同方式进行输送。从煤炭转变为SNG需要经过气化、变换、低温甲醇洗、甲烷化等过程。煤、焦炭或者生物质经过气化后生成粗合成气，经过耐硫CO变换，利用低温甲醇洗涤脱除酸性气体CO2和H2S,酸性气体进入焚化炉和SO2转换器生成SO3，经过浓缩塔后冷却，用酸泵打到储罐，脱除后的合成气（温度325℃）进入反应器1（固定床，填有托普索催化剂），第一反应器出口气体温度650℃，CH4含量57%，被两段冷却，一部分循环与原料气混合，另一部分进入反应器2继续甲烷化反应，出口温度342℃，CH4含量80%，经过高压锅炉后进入反应器3，出口温度342℃，CH4含量94%，经过冷凝和压缩可以并入天然气管网。2.3大连化物所常压煤制天然气技术2.3.1概况常压天然气部分甲烷化生产城镇煤气新技术是中国科学院大连化物开发的科技成果。它以常压水煤气为原料，经过净化和甲烷化直接得到3500大卡/m3合格的城市煤气，如增加脱碳工艺可提到4000大卡/m3以上。2.3.2常压煤制天然气工艺特点（1）其发明的3018高硫容改性活性炭精脱硫新工艺。它具有能深度脱除无机硫和有机硫，操作方便，不产生污染等特点，具有世界领先水平。已在全国四大油气作为初脱和精脱。（2）采用抗CO中毒贵金属脱氧剂，已有在高浓CO气源中工业使用8年的业绩，活性高，CO不歧化，该技术获得了辽宁科技进步奖。（3）采用其首创的常压甲烷化催化剂。具有高活性，高选择性，抗结炭等优良特性，具有国际先进水平。（4）导热油沸腾排热效率高，一台反应器即可完成甲烷化反应。2.4两种工艺比较条件托普索工艺大连化物所工艺原料气要求H2/CO为3H2/CO要求不高，在0.5-3内均可反应原理CO+3H2→CH4+H2OCO2+4H2→CH4+2H2OCO+3H2→CH4+H2OCO+H2O→CO2+H2催化剂抗CO中毒贵金属脱氧剂，MCR-2催化剂，需脱硫，需脱碳不耐硫反应条件压力16-80kg/cm2g常压温度250-700℃反应温度400℃工业化程度较高无工业化装置表2-1两种工艺综合比较综上所述，两种工艺各有所长，托普索工艺相对比较成熟，能量利用率相对较高，酸性气体回收系统比较合理，但却受其催化剂技术垄断限制，原料要求也比较严格；大连化物所技术原料气要求较宽，采用热导油移出反应热，反应条件比较温和，但需要进行中试示范，然后再大规模推广。2.5煤制天然气工艺煤制天然气的工艺可分为煤气化转化技术和直接合成天然气技术。两者的区别主要在于煤气化转化技术先将原料煤加压气化，由于气化得到的合成气达不到甲烷化的要求，因此需要经过气体转换单元提高H2/CO比再进行甲烷化（有些工艺将气体转换单元和甲烷化单元合并为一个部分同时进行）。直接合成天然气技术则可以直接制得可用的天然气。煤气化转化技术可分为较为传统的两步法甲烷化工艺和将气体转换单元和甲烷化单元合并为一个部分同时进行的一步法甲烷化工艺。直接合成天然气的技术主要有催化气化工艺和加氢气化工艺。其中催化气化工艺是一种利用催化剂在加压流化气化炉中一步合成煤基天然气的技术。加氢化工艺是将煤粉和氢气均匀混合后加热，直接生产富氢气体。2.6煤制天然气工艺流程煤制天然气整个生产工艺流程可简述为：原料煤在煤气化装置中与空分装置来的高纯氧气和中压蒸汽进行反应制得粗煤气；粗煤气经耐硫耐油变换冷却和低温甲醇洗装置脱硫脱碳后，制成所需的净煤气；从净化装置产生富含硫化氢的酸性气体送至克劳斯硫回收和氨法脱硫装置进行处理，生产出硫磺；净化气进入甲烷化装置合成甲烷，生产出优质的天然气；煤气水中有害杂质通过酚氨回收装置处理、废水经物化处理、生化处理、深度处理及部分膜处理后，废水得以回收利用；除主产品天然气外，在工艺装置中同时副产石脑油、焦油、粗酚、硫磺等副产品。主工艺生产装置包括空分、碎煤加压气化炉；耐硫耐油变换；气体净化装置；甲烷化合成装置及废水处理装置。辅助生产装置由硫回收装置、动力、公用工程系统等装置组成。图2-1煤制天然气工艺流程3煤制天然气项目的潜在风险有关《煤炭深加工示范项目规划》发布后，各地再度掀起了新型煤化工建设热潮。其中，尤以煤制天然气项目最多。但在众多投资者及地方政府为获得项目批条大肆描绘煤制天然气项目美好前景的同时，煤制天然气项目的潜在风险正在增加。煤制天然气至少存在三大风险：一是项目投资大，经济效益难乐观。甲烷化反应器及催化剂主要被鲁奇、戴维、托普索等外国公司掌控,国内科研院所虽也开发出具有自主知识产权的甲烷化反应器及催化剂，但并未经过工业化验证。二是面临较大的安全风险。甲烷化过程是强放热、快速自平衡的反应。实现精准的温度控制和热量转移，是确保装置安全运行和高甲烷化收率的关键。任何一个环节出现差错，都可能引发恶性爆炸事故。对于习惯粗放式管理的企业来说，煤制天然气项目面将临较大的安全风险。三是市场前景难以预料。虽然目前中国天然气缺口巨大，且随着工业及居民用气量的增加，我国天然气供需缺口仍将继续扩大。美国页岩气规模化开发的成功，使美国天然气价格迅速下跌。虽然中国页岩气开发工作才刚刚起步，但不排除快速发展的可能。一旦中国页岩气实现规模化开发，或者国际市场因页岩气产量骤增导致天然气供大于求，价格急挫，那么投资巨大的国内煤制天然气项目，无疑会承受巨大冲击，甚至面临亏损的厄运。4发展建议在未获得国家发改委批准或取得“路条”的情况下，企业务必谨慎上马煤制天然气项目。即便要上项目，也应充分论证项目可行性与不可行性。最好在内蒙古中东部或新疆伊犁、准东等煤炭资源丰富、价格相对较低，又便于与西气东送管网连接的地区适当布局。从长远来看，天然气价格逐步上涨的趋势是确定的，因此煤制天然气项目经济效益的前景是光明的。如果要上项目，应充分论证项目可行性与不可行性。最好在内蒙古中东部或新疆伊犁、准东等煤炭资源丰富、价格相对较低，又便于与西气东送管网连接的地区适当布局。参考文献：1.刘芹.邢涛浅析煤制天然气的工艺流程与经济性[期刊论文]-化工设计2010,20(3)2.苗兴旺.吴枫.张数义煤制天然气技术发展现状[期刊论文]-氮肥技术2010,31(1)3.赵钢炜.肖云汉.王钰.ZhaoGangwei.XiaoYunhan.WanngYu煤制天然气工艺技术和催化剂影响因素的分析探讨[期刊论文]-陶瓷2009(11)4.煤制天然气气化技术选择[期刊论文]-煤化工2009,37(5)5.李大尚.LiDashang煤制合成天然气竞争力分析[期刊论文]-煤化工2007,35(6)6.蔺华林.李克健.赵利军.LinHualin.LiKejian.ZhaoLijun煤制合成天然气现状及其发展[期刊论文]-上海化工2010,35(9)7.汪家铭.蔡洁.WANGJia-min