煤氣化制備天然氣研究及應用

工藝與設備大科技煤氣化制備天然氣研究及應用(陜西省天然氣股份有限公司陜西 西安710061)摘要:隨著(zhù)社會(huì )對天然氣需求的快速增長(cháng)，煤制天然氣技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文綜述了國內外煤制天然氣技術(shù)的發(fā)展概況，結合能源生產(chǎn)和消費的特點(diǎn)對煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展給出了建議。關(guān)鍵詞:煤制天然氣;技術(shù)經(jīng)濟:風(fēng)險中圖分類(lèi)號:TQ546文獻標識碼:B文章編號:1004-7344(2013 )27-0309-021前言然氣儲量并不豐富,供需矛盾越來(lái)越突出,各大供氣公司受氣源單一的近年來(lái)隨著(zhù)天然氣消費市場(chǎng)的迅猛增長(cháng)，多渠道、多方向地擴大天|局限性 影響，調峰能力顯得力不從心。為此,2007年8月國家發(fā)改委出臺然氣資源供給，完善氣源結構成為優(yōu)化我國能源結構的重要戰略。據估了 《天然氣利用政策》,禁止利用天然氣生產(chǎn)甲醇:限制利用天然氣生產(chǎn)計,2015-2020 年我國天然氣需求將分別增長(cháng)為2306x101m和2936x|合成氨、 乙炔、氯甲烷等:天然氣將主要用于城市燃料。至此,煤氣化制備10'm'。 目前，我國天然氣的進(jìn)口途徑主要有2條:①從俄羅斯和中亞國家天然氣正在進(jìn)入- -個(gè)嶄新的階段，各能源單位也紛紛對此給予了很大的通過(guò)長(cháng)輸管道進(jìn)口天然氣:②在東南沿海等地進(jìn)口液化天然氣(LNG)。研究和開(kāi)發(fā)興趣。通過(guò)進(jìn)口天然氣來(lái)補給內需并非長(cháng)久之計,考慮到國內天然氣供應緊張2.2 煤氣化制天然氣優(yōu)勢及國際油價(jià)、天然氣價(jià)格上漲的情況,發(fā)展煤制天然氣(SNG)具有保障SNG就是將煤經(jīng)過(guò)氣化生產(chǎn)合成氣，再經(jīng)過(guò)凈化處理,最后甲烷化我國能源安全的重大意義。合成熱值大于800kcal/Nm2' 的代用天然氣, 1t煤可以轉化為400m?' 合成2我國天然氣供需現狀及煤制天然氣優(yōu)勢天然氣。SNG與煤制其他能源產(chǎn)品相比,競爭優(yōu)勢十分明顯,其轉化率和選擇性高,co和H2的轉化率接近100號。單位熱值投資成本和水耗低，2.1我國天然氣供需現狀據國家統計局數據, 2008年中國能源消費總量為29.1x10t標準煤，廢熱利用率高,總熱效率最高。此外, SNG更為環(huán)保、節能,廢水中不含有比上年增長(cháng)4.0號，僅次于美國居世界第二位。其中天然氣消費量807x害物，易于利用,而煤制甲醇和煤制油需對廢水需做深度處理才可以再10'm',增長(cháng)達10.1號。在200~2008年中我國各類(lèi)一次能 源消費量的年加以循環(huán)利用。表2是煤制各類(lèi)能源產(chǎn)品的能量效率和單位熱值水耗比較。均增長(cháng)率中天然氣以20.1各的增幅明顯高于煤和石油"。表2煤制各類(lèi)能源產(chǎn)品的能量效率及水耗比較表1是對我國近年來(lái)天然氣生產(chǎn)和消費的統計及預測-1。2007年我項目能量效率(各)單位熱值水耗(/GJ)國天然氣實(shí)際消費量首次超過(guò)生產(chǎn)量。2008 年天然氣產(chǎn)量為760.煤制天然氣50~50.18-0.2310'm', 比上年增長(cháng)12.3號,但仍有46x10'm2的缺口。據《世界能源導報》預測，我國2015年和2020年的天然氣需求將增長(cháng)到1800x10m2和2500x煤制油34.80.38煤制二甲醚0.7710m',而相應的供應缺口分別為300x10'm'、650x10'mi和100x10*mi.表1 2009-2020年中國天然氣供需預測煤制甲醇41.80.78年份需求量(億m)供給量 (億m)進(jìn)口量(億m)3 煤制天然氣主要工藝200989083SNG工藝過(guò)程主要包括煤氣化和甲烷化兩個(gè)部分,煤氣化生成合成120090200-300氣后經(jīng)過(guò)凈化和一氧化碳變換反應后通過(guò)甲燒化過(guò)程生成合成天然氣。201518001400300-700工藝在技術(shù)上已經(jīng)較為成熟并且己有工業(yè)化的應用實(shí)例，當前學(xué)者們所2020250015700-1100關(guān)注的是技術(shù)的革新和環(huán)保及經(jīng)濟性的優(yōu)化探討。實(shí)現煤氣化制備天然2009~2012年以來(lái),我國--些大中城市出現“氣荒”,表面原因是極端氣的工藝:主要有以下三種:蒸汽-氧氣氣化,加氫氣化和催化蒸汽氣化。氣候導致需求暴增，實(shí)際上是國內天然氣供需矛盾的集中體現。我國天| 3.1 蒸汽-氧氣氣化法(2)烘爐工作-旦開(kāi)始中途不得隨易停止,--旦停止應重新再烘。5結束語(yǔ)(3)爐溫300%以下敞開(kāi)爐門(mén)，300~400半關(guān)閉爐門(mén)用自帶加熱器經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該研究資料,有很大的應用價(jià)值。在實(shí)踐的應用中,在烘烤。它的指導下可以有效的保護爐襯，延長(cháng)爐襯壽命，節約成本。由于投入.(4) 400%以上則全關(guān)爐門(mén)，按照曲線(xiàn)升溫直到曲線(xiàn)結束。小，效果也較明顯，可以廣泛的投入實(shí)踐應用中。(5)烘爐過(guò)程中24h隨時(shí)檢查爐子各部位情況:爐門(mén)、爐門(mén)框有否變形，卡阻:爐墻外表面溫升是否異常;爐殼鋼結參考文獻構是否變形嚴重:爐內砌筑體、澆注料是否有脫落、裂紋等。(1]王秉銓..工業(yè)爐設計手冊，2010.4較長(cháng)時(shí)間停爐升溫曲線(xiàn)[2]曾正明..工業(yè)爐修理手冊, 1998.13)有色冶金爐設計手冊編委會(huì )有色冶金爐設計手冊，2004.10收稿日期:2013-11-900 t作者簡(jiǎn)介:劉超凡(1983-),男,漢族，河南商丘人,大學(xué)專(zhuān)科,機電一體化.專(zhuān)業(yè)，主要從事機械設計和工程管理工作。毛運德(1981-),男,漢族，河南周口人,大學(xué)專(zhuān)科,機電- -體化專(zhuān)業(yè)，機械設備及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),主要從事機械設計以及鋁工業(yè)爐的研究、應用、施工工作。時(shí)間(天，中國煤化工圖3MHCNM HG309大科技2013年12月大科技工藝與設備蒸汽-氧氣氣化法是最為傳統的氣化工藝,目前已經(jīng)相對成熟,也稱(chēng)|萬(wàn) t煤炭轉化為天然氣日?！皟刹椒ā?。圖1為該工藝流程示意圖。該工藝是用氧氣和熱蒸汽將煤氣| 4.2 國內進(jìn)展情況化為含有co、H2、CO2、甲烷、乙烷等碳氫化合物的合成氣。合成氣中各組SNG正是立足于我國“富煤、貧油、少氣”的能源格局特點(diǎn),通過(guò)煤炭分的含量多少主要取決于該工藝過(guò)程的溫度與壓力等氣化因素。該工藝|的高效 利用和清潔合理轉化制備天然氣有效途徑,符合國家節能減排的是世界上目前唯一被 工業(yè)化的煤氣化技術(shù),缺點(diǎn)是熱效率(原料褐煤的|方針政策。 目前國內規劃和在建的SNG項目10余個(gè),預計年產(chǎn)近200億熱值轉化為天然氣的熱值)較低(61.98)及后期的廢渣處理較為繁復。m3,月,成為繼煤制油之后的煤化工領(lǐng)域投資熱點(diǎn)。神華集團鄂爾多斯年產(chǎn)天然氣20億m2 sNG項目于2009年4月在內蒙古進(jìn)行奠基儀式，主要供應京津塘地區,已建成投產(chǎn)。該項目的實(shí)施可以將“西煤”就地轉化為“西氣”,然后通過(guò)全封閉管道“東輸”,進(jìn)一-步.提高了煤炭清潔利用水平,豐富了“西氣東輸”戰略?xún)群?。遼寧大唐國際阜新利用內蒙古錫林浩特煤炭資源在遼寧阜新建設一套生產(chǎn)能 力為圖1蒸汽-氧氣氣化工藝流意圖1200萬(wàn)m'/d合成天然氣裝置及配套的熱電站和其他公用工程、輔助工3.2加氫氣化法程。生產(chǎn)的天然氣送往沈陽(yáng)、大連等城市輸送天然氣。該項目目前正在進(jìn)加氫氣化是用氫氣將煤氣化，即通過(guò)氫氣與煤反應生成天然氣。行項目的前期可行性研究工作。此外，大唐國際在內蒙古赤峰市克什克可以由外界提供也可以經(jīng)甲烷蒸汽重整后提供。該重整過(guò)程就是將加氫騰 旗投資226億元建設-一個(gè)年產(chǎn)天然氣40x10Nm?項目,項目已開(kāi)工建氣化反應后生成的甲烷轉化為co和H。該工藝具有較高熱效率|設。 其天然氣采用長(cháng)輸管道從內蒙古克什克騰旗站輸送到北京密云,現(79.68),但目前仍處在研究階段。圖2為加氫氣化法工藝流程示意圖。|已建成投產(chǎn)。| 5市場(chǎng)前景及項目風(fēng)險、發(fā)展建議我國天然氣利用領(lǐng)域主要包括城市燃氣、工業(yè)燃料、天然氣發(fā)電和天然氣化工。未來(lái)中國天然氣消費的發(fā)展趨勢:①需求量高速增長(cháng);②利用方向將發(fā)生變化。我國天然氣消費結構逐漸由化工和工業(yè)燃料為主向多元化消費結構轉變。規_.. m!C發(fā)展sNG是非石油路線(xiàn)生產(chǎn)替代石油產(chǎn)品及解決我國天然氣供求矛盾的有效途徑,技術(shù)風(fēng)險主要集中大量技術(shù)配套方面的研究和工程再圖2加氫氣化法工藝流程示意圖開(kāi)發(fā)工作，以及技術(shù)限制、技術(shù)壟斷、產(chǎn)品標準化、技術(shù)的工業(yè)支持能力3.3催化蒸汽氣化法等風(fēng)險。經(jīng)濟性的關(guān)鍵是未來(lái)煤炭和天然氣的價(jià)格可能出現的較大波圖3為催化蒸汽氣化法的工藝流程示意圖。催化蒸汽氣化法工藝中|動(dòng)， 以及水、電、汽、運輸、人力等成本費用的上漲，都會(huì )影響SNG產(chǎn)品的煤氣化和甲烷化在催化劑下可實(shí)現在同一反應器中進(jìn)行,大大降低了設|盈虧平衡。管道建設的龐大投資和終端用戶(hù)的開(kāi)發(fā)也是面臨的市場(chǎng)風(fēng)備投資。同時(shí)可以有效進(jìn)行熱量利用，將甲烷化反應生成的熱量用于煤|險氣化過(guò)程，實(shí)現經(jīng)濟節能。cH,由第三步從合成氣和co2中分離出來(lái),同SNG項目建設應實(shí)現煤的本地化。首先應選擇既有豐富穩定的煤炭時(shí)又將合成氣(co、H)返回到氣化器中,催化反應溫度相對較低(650~|資源，還要保證充足的水資源以及其他原材料的供應渠道的暢通無(wú)阻:750C)。該項技術(shù)是由美國Exxon公司在20世紀70年代開(kāi)發(fā)的，以碳酸|并且要盡可能采靠近終端目標消費市場(chǎng)，以減少管輸費用,同時(shí)還應使鉀作為催化劑，具有較高的熱效率(71.98)用安全可靠、先進(jìn)成熟有成功先例的核心技術(shù)。參考文獻而化氣體分閣]人然氣(1]付國忠,陳超,我國天然氣供需現狀及煤制天然氣工藝技術(shù)和經(jīng)濟性分析(J].中 外能源，2010.12(2):28~33.煤灰分離]12)姚飛.中國發(fā)展煤制天然氣煤層氣戰略意義及相關(guān)政策解讀[A.中國↓煤友煤制天然氣煤層氣(國際)高峰論壇(C1.2009:30~47.圖3催化蒸汽氣化法的工藝流程示意圖[3]Munish Chandel,Eric Wlllams.Synthetite Natural Gas (SNG) : Technology,加氫氣化法和催化蒸汽氣化法目前均處于研究階段,共同的優(yōu)勢是| Envionmental Implications,and EconomicsClimate Change Policy Partner-不需要空分單元，節省了設備投資和和能耗，并且氣化和甲烷化反應溫ship Duke University January 2009.度均較低,可降低過(guò)程成本。催化蒸汽氣化法還存在催化劑的分離和失(4]藺華林，李克健,等煤制合成天然氣現狀及其發(fā)展[01,2010, 35(9):25~活的研究瓶頸。該兩項工藝目前均引起了業(yè)內廣泛認可和高度重視。28.[5]托普索國際公司TREMPTM技術(shù)將煤轉換成替代性天然氣A1.2008中4國內外項目進(jìn)展情況近年來(lái)石油價(jià)格的迅猛飆升造成了國際能源格局微妙的變化。目|國煤炭加工與綜合利用技術(shù)、市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰略研討會(huì )論文集[c].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2008:229-231.前,開(kāi)發(fā)和利用天然氣已引起了各國的高度重視和開(kāi)發(fā)。.1 國外進(jìn)展情況美國Great Plain是將煤氣化裝置進(jìn)行商業(yè)運營(yíng)的第一-家公司,其第收稿日期:2013-11-16作者簡(jiǎn)介:徐康(1987-),女,陜西藍田人，畢業(yè)于西安科技大學(xué),化學(xué)工一期工程設計能力為日產(chǎn) 合成天然氣389m，從1984年投產(chǎn)至今已運 程與工藝專(zhuān)業(yè)， 主要從事天然氣管輸過(guò)程的工藝技術(shù)及設備運行維護的27年。該裝置利用高含水(30號)褐煤生產(chǎn)，日處理褐煤量為1.85萬(wàn)t。該|管 理工作。管理工作。項目長(cháng)期穩定運營(yíng)充分證明煤氣化制備天然氣商業(yè)化的成功。美國 Great Point Energy公司開(kāi)發(fā)出“一步法”sNG工藝,是通過(guò)在煤氣化裝置中加入催化劑，在加壓流化床中在相對低溫的條件下進(jìn)一步制得天然氣的方法。該技術(shù)的特點(diǎn)是用甲烷化過(guò)程所放出的大量熱量來(lái)維持煤氣化過(guò)程的熱量所需,省去了額外對反應器進(jìn)行加熱過(guò)程，從而降低了能耗;同時(shí)采用大量可回收的廉價(jià)金屬催化劑從而大大簡(jiǎn)化工藝并降低了設備成本。此外,美國伊利諾伊州在2006年9月發(fā)布公告,宣布投資-一個(gè)年產(chǎn)500億標準立方英尺的SNG項目。20世紀70年代后期，丹麥托普索公司采用專(zhuān)用催化劑(MCR-2X)制備SNG,其在美國伊利諾中國煤化工斯州杰斐遜建立的煤氣化工廠(chǎng)已于2010 年投入運行，每年可將約400 .MHCNM HG大科技3102013年12月