摘　要：介绍国内煤制天然气发展现状，从气化工艺与甲烷化工艺的分类与特点两方面对煤制天然气技术现状进行探讨。

关键词：煤制天然气；  气化；  甲烷化

Analysis on Technology for Production of Syntetic Natural Gas from Coal

Abstract：The current development status for production of synthetic natural gas from coal in China is introduced．The current status of technology for production of synthetic natural gas from coal is discussed in terms of classification and characteristics of gasification and methanation processes．

Keywords：production of synthetic natural gas from coal；gasification；methanation

1　国内煤制天然气发展现状

煤制天然气技术整体上是成熟的，国内除了大型化的甲烷合成技术正在进行示范和产业化研发之外，其他单个单元化技术如气化、空分、变换、酸性气体脱除等，国内均早已实现了产业化运营。与此同时，考虑我国的能源国情“富煤、贫油、少气”，利用国内相对丰富的煤炭资源，特别是劣质煤炭资源，在条件合适的地区适度发展实施煤制天然气项目，作为对我国天然气供应缺口的有效补充，同时也将有利于提升我国在国际市场进口天然气时的议价能力，这对我国的能源稳定供应无疑具有凸显的现实意义。

国家发展改革委、能源局组织公布了《天然气发展“十二五”规划》，规划预计2015年国内天然气消耗量约为2300×10⁸m³，而2015年国产天然气供应能力只能达到1760×10⁸m³左右，缺口达540×10⁸m³。《天然气发展“十二五”规划》明确煤制天然气是“十二五”天然气发展的重要组成部分。规划至2015年，煤制天然气供气能力达到约(150～180)×10⁸m³ 。

目前国家核准的煤制天然气项目共有4个，产能共151×10⁸m³。分别为：①大唐国际克旗40×10⁸m³／a天然气项目，该项目投资257.1×10⁸元，国家发改委2009年8月20日核准，当年8月30日正式开工建设；②大唐国际阜新40×10⁸m³／a天然气项目，该项目投资245.7×10⁸元，国家发改委2010年3月5日核准，当年3月29日正式开工建设；③内蒙古汇能煤化工有限公司鄂尔多斯16×10⁸m³／a天然气项目，该项目投资88.7×10⁸元，国家发改委2009年12月核准；④内蒙古庆华集团有限公司新疆伊宁55×10⁸m³／a天然气项目，该项目投资264.38×10⁸元。

据不完全统计，获得国家发改委路条的煤制天然气项目有：中国电力投资集团公司新疆伊犁霍县2×(60×10⁸)m³／a项目；山东新汶矿业集团公司新疆伊犁100×10⁸m³／a项目；国电集团内蒙古兴安盟乌兰浩特市40×10⁸m³／a项目；内蒙古新蒙能源公司鄂尔多斯40×10⁸m³／a项目；中国海洋石油总公司、山西同煤集团山西大同40×10⁸m³／a项目；中国石油化工股份有限公司、华能新疆能源开发有限公司、新疆龙宇能源准东煤化工有限责任公司、浙江省能源集团有限公司、新疆富蕴广汇新能源有限公司、苏新能源和丰有限公司等企业和新疆生产建设兵团共同建设规模300×10⁸m³／a项目(包含五彩湾120×10⁸m³／a工程、大井40×10⁸m³／a工程、西黑山60×10⁸m³／a工程、喀木斯特40×10⁸m³／a工程、和丰40×10⁸m³／a工程)等。

2　煤制天然气技术

2.1　气化工艺分类与特点

①按固气接触方式分类

气化是煤制天然气技术的龙头^[1]。按固体颗粒和气化介质的不同接触方式，气化工艺基本上可以分为固定床气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化。

a．固定床气化

煤料从炉顶投入，在重力作用下下降，气化介质从炉底导入，两者形成逆流。煤料被气化介质预热，然后气化，气化介质也被灰渣预热，因此热效率较高，操作控制简单。发生炉、水煤气炉和加压气化鲁奇炉(碎煤加压技术)等属于这一类。采用机械化回转炉栅后，床层不断向下移动，因此又称为移动床。使用粒径一般为6～50mm的块煤，细屑过多时，必须限制气流速度，避免增加大量带出物和使床层穿孔，恶化煤气质量。粒径过大，则与气流接触的比表面积减小，就会增加灰渣的含碳量。这种床适用粘结性较弱的褐煤和次烟煤，如用粘结性烟煤，炉内须加搅拌装置。

b．流化床气化

煤料在床层内被上升的气化介质吹动翻滚，使煤粒之间空隙增加，煤层疏松膨胀，犹如沸腾，也称沸腾床气化。煤料粒径一般取5mm以下。由于气化介质在煤粒表面流动的速度大，使介质在固体表面的扩散速度增大，从而增大了气化强度。但煤料被磨成细粉，气流带出物增多，必须设法使之返回炉内。床层温度受灰渣熔点的限制，较适用于采用活性高的年轻煤。如采用液态排渣，床层温度可不受此限制。粘结性强的烟煤，也必须预先破粘。温克勒气化炉属于这一类。

c．气流床气化

气流床也称悬浮床。粒径小于0.1mm的煤粉与气化介质混合，同向喷入气化炉。煤粉比表面积大，与气流激烈湍动，煤粒表面气体扩散速度大。一般都采用液态排渣，因此床层温度可提高到1500℃以上，气化反应速度快。煤粉在悬浮床内仅l～2s即迅速气化。这种气化方式的单炉能力高，适用任何煤种，强粘结煤也可使用。KT炉、德士古炉(湿法即采用水煤浆)、谢尔炉(壳牌)等都属于这一类。不过耗氧量大，带出物多，在高温气流中处理困难，而且气化炉耐火衬里容易侵蚀，成为不易解决的问题。气流床生成气含甲烷少，宜作为合成原料，如用作城市煤气，则发热量偏低。

d．熔融床气化

气化炉以熔融状的灰渣、无机盐或金属作为基料，操作条件与气流床相仿，但可用粒径较大(约3mm)的煤料。

②典型气化工艺优缺点与配煤要求

近年来，国内众多煤气化企业纷纷引进各种气化炉，主要分为三种：鲁奇气化炉、德士古气化炉和壳牌气化炉。

a．工艺优缺点

鲁奇气化炉的优点是：生产能力大，以块煤为原料，尤其适应褐煤，碳转化率高，调节负荷方便；缺点是生产的合成气中甲烷含量高，焦油和苯酚等液状物较多，生产流程长，投资大，结构复杂，加工难度大。

德士古气化炉的优点是：水煤浆进料，对煤种的适应较宽，单炉生产能力大，碳转化率高，煤气质量好，甲烷含量低，废物排放少；缺点是：耗氧量大，投资大，技术费用高。

壳牌气化炉的优点是：干粉煤进料，煤种适应广，碳转化率高，甲烷含量低，耗氧量小，单炉生产能力大，运转周期长，气化效率高，气化过程无废气排放；缺点是：投资高，设备造价过高，建设周期较长；配套的干燥、磨煤、高压氮气等加压所需的功耗较大^[2]。

b．配煤要求

鲁奇气化炉：加压鲁奇气化炉最好采用褐煤，水分最好不超过25％，灰分低于l9％较为经济，灰熔点最好高于1250℃。一般要求最大与最小粒径之比不超过5～8，最小粒径最好大于5mm。一般褐煤粒径为6～10mm，烟煤粒径为5～25mm，焦炭和无烟煤粒径为5～20mm。粘结性煤在300～400℃时会出现粘结和膨胀，使气流分布不均匀。对于自由膨胀指数高于1的弱粘结性煤需要机械破粘，破粘装置仅能处理自由膨胀指数小于7的煤。鲁奇气化炉不适用煤粉，不适合处理强粘结性煤。

德士古气化炉：德士古气化炉能气化所有煤种，水煤浆含量必须保证60％以上，煤粉粒径小于0.1mm。

壳牌气化炉：配煤没有特殊要求，但煤粉粒径小于0.1mm。灰熔点小于1500℃，灰分为8％～20％。

2.2　甲烷化工艺分类与特点

①甲烷化反应器分类

甲烷化是煤制天然气技术的核心。由于合成气甲烷化反应是一个强放热反应，因此甲烷化反应器应具有良好的移热性能。因为移热性能不佳不仅会导致催化剂局部过热，造成催化剂烧结、积炭等，还直接影响到反应装置运行的稳定性。另外，催化剂的易装卸也是甲烷化反应器设计的重点。在合成气甲烷化反应中较典型的反应器为固定床、流化床和三相床。

固定床甲烷化反应器最早被用于合成氨中富氢气体中少量CO的净化，以消除对氨合成催化剂的毒害作用。此类反应器一般将气体循环，温升用气体循环比来控制。

流化床甲烷化反应器在质量和热量传递方面比绝热固定床反应器好，适合具有强放热特性的合成气甲烷化反应过程。流化床反应器主要分为两种形式，一种为催化剂循环的反应器，新鲜气和循环气混合后进入第一反应器，从第一反应器出来的气体经部分冷却后与另一部分原料气混合，其混合温度大于起始反应温度，然后进入第二反应器，反应器越多，循环气量就越少，但整个回路的压力降就越大。甲烷化催化剂一般比较昂贵，要尽量减少催化剂的夹带损失。另一种流化床反应器，催化剂保持在反应器中不吹出，无气体循环，合成气甲烷化反应放出的热量通过流化床内部换热管移走。流化床反应具有温度易于控制的优点，但造价较高。

三相床甲烷化反应器的优点在于可以轻松控制反应温度(可将导热油循环)，缺点在于催化剂的寿命较短，而且催化剂与产物(液固)分离较为困难。

②甲烷化工艺

依据上述三种基本的甲烷化反应器形式，开发出各种甲烷化工艺技术。目前，文献报道^[3]和实际使用的甲烷化工艺主要有DAVY工艺、Lurgi工艺、TREMP工艺等。

a．DAVY工艺

英国伦敦的戴维工艺技术公司开发的DAVY(戴维)甲烷化工艺为两段转化，其中一段大量转化，一段补充转化，每段各有两个反应器，共4个反应器。第二甲烷化反应器出口的部分反应气作为循环气，经一系列换热器换热，在150℃下被循环压缩机加压，然后与新鲜气混合进入第一反应器，以控制一段反应温升，同时利于带走甲烷化反应热。采用相同的CRG催化剂，甲烷化反应后富产过热蒸汽，第一、第二反应器出口温度在600℃左右。

DAVY工艺是建立在CRG-LH高温催化剂的基础之上，其特点是：已经经过工业化验证，拥有美国大平原合成燃料厂的生产业绩；催化剂本身具有变换功能，因而反应器入口合成气不需要调节氢碳比；催化剂使用温度范围宽，在230～650℃都具有高且稳定的活性，这就使甲烷化反应器的操作弹性变大；甲烷化压力高达3.0～6.0MPa，可以减小设备尺寸，极大地提高设备的利用率；每生产1000m³合成天然气副产约3t高压过热蒸汽，因此能量效率高；可以得到高品质的合成天然气，甲烷体积分数可达94％～96％，可以直接进入天然气输送管道。

b．Lurgi工艺

德国鲁奇公司(Lurgi)也拥有甲烷化工艺技术(Lurgi工艺)，该工艺最初采用的是BASF集团的甲烷化催化剂，后改用DAVY公司的甲烷化催化剂。Lurgi工艺是典型的以固定床反应器为核心的工艺。该套甲烷化装置采用3个固定床反应器，前2个反应器为高温反应器，CO转化为CH4的反应主要在这两个反应器内进行，称为大量甲烷化反应器。第三个反应器为低温反应器，用来将前两个反应器未反应的CO转化为CH4，使合成天然气的甲烷含量达到需要的水平，称为补充甲烷化反应器。甲烷化反应温度较低，高温反应器出口温度大于400℃。

Lurgi工艺投资低，单线生产能力大，转化率高，可操作性强，生产的合成天然气品质高，副产品种类多，技术成熟度高，经过商业化规模的验证运行稳定。但是由于此工艺采用的是Lurgi气化和绝热循环稀释甲烷化技术，而Lurgi气化效率不高，绝热循环稀释要消耗大量的能量，相当于甲烷化反应产生的50％的能量，不能做到自身的能量平衡，因此此工艺的能效较低。该工艺采用循环气限制反应器的进口温度，防止积碳。

c．TREMP(托普索)工艺

TREMP工艺是一个多段串联甲烷化反应工艺。与TREMP工艺配套的MCR一2X催化剂能在较宽温度范围内(250～700℃)操作。TREMP实际是一个热回收的概念，即能够产生高压过热蒸汽。在TREMP工艺中，反应均在绝热条件下进行，通过部分气体循环可以控制第一个甲烷化反应器的温度(绝大部分甲烷化反应发生在第一个甲烷化反应器)。MCR-2X催化剂无论在低温(250℃)下还是在高温(700℃)下都具有高的催化活性和稳定性。反应器在高绝热温升下运行的可能性使循环气体量减少，循环机功耗降低。典型的TREMP工艺一般由3个反应器组成。

TREMP工艺的优点是单线生产能力大，生产能力为(10～20)×10⁴m³／h；合成气转化率高；回收过程能耗低，充分利用甲烷化反应放出的热量，生产高压过热蒸汽产品；MCR-2X催化剂寿命长，活性高，副反应少，使用温度范围宽，循环气量仅为其他工艺的0.1倍；合成天然气品质高，甲烷体积分数可达94％～96％，高热值达(37260～38100)kJ／m³，满足了国家天然气标准以及管道输送的要求。同时丰富的操作经验和实质性工艺验证保证了这一技术能够用于商业化。该工艺处于工业化推广阶段，还没有进行商业化规模的运营。TREMP工艺投资大，技术复杂度高，需要具有一定的生产规模才能产生较好的经济效益。

参考文献：

[1]蔡东方，王黎，徐静，等．煤制天然气煤气化技术的研究现状及分析[J]．洁净煤技术，2011，17(5)：44-47．

[2]李积强，盛莉莉，黎菲．煤制天然气工艺的研究与应用[J]．企业技术开发，2012，31(11)：169-171．

[3]钱卫，黄于益，张庆伟，等．煤制天然气(SNG)技术现状[J]．洁净煤技术，2011，17(1)：27-32．

本文作者：杨阳

作者单位：天津市燃气热力规划设计院