煤制天然气（SNG）技术现状.docx

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煤制天然气（SNG） 技术现状

钱 卫1'黄于益1,2'张庆伟1'杜铭华2'解 强1

（1. 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083;

2.中国神华煤制成有限公司，北京 100011）

摘要：

对国内外现有煤制天然气技术进行综述性评价的基础上，分析、比较了各项技术的工艺流程、技术特点，根据中国煤炭资源及能源生产和消费的特点，对煤制天然气技术的发展提出了建议。

关键词：

煤制天然气；气化炉；甲炕化

钱卫等：

煤制天然气（SNG）技术现状

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中图分类号：

TD94;TQ54 文献标识码：

A

天然气是一种使用安全、热值高的清沽能源，其主要成分是甲炾，与相同质量的煤炭相比，燃烧排放的CO2仅为煤炭的40%,没有废水、废渣产生。

因此，天然气被广泛应用于发电、化工、城巾燃气、汽车燃料等行业，是世界上主要的清洁能源之一。

但是，中国的天然气资源稀少，“富煤、贫油、少气”是中国的能源分布特点I-3]。

随 若中国国民经济的迅速发展，对天然气资源的需求也持续增加，截止到2008年全国天然气缺口为100亿m3左右，至“十一五＂末缺口将达到200亿m3[4J。

要解决中国天然气的供求矛盾问题除了要立足国内现有资源外，还必须多渠道、多方式扩大资源供给，满足B益增长的市场需求。

中国煤炭资源丰富，尤其是低变质程度煤的储屈大，这部分煤不适宜长距离运输，需要就地加工利用，发展煤制天然气既是清洁加工利用煤炭资源的有效途径[5]'也可以有效补充中国天然气资源的供给。

煤制天然气与其他煤化工技术相比，具有设备流程简单、技术成熟可靠、单位热值投资成本低、生产过程污染物较少、生产效率高以及废热循环利用等优点。

早在20世纪50年代国外就展升了煤制天然气技术的研究，有些已经正式投产，中国在20世纪80年代也开始了煤气甲烧化的研究，但主要集中

文章编号：

1006-6772（2011）01-0027-06

在甲炾化催化剂的研发方面。

笔者对国内外现有煤制天然气技术进行综述性评介的基础上，分析、比较了各项技术的工艺流程、技术特点，以期掌握国内外煤制天然气技术的发展现状，指导国内煤制天然气的生产实践。

1煤制天然气技术路线

传统的煤制天然气技术是以煤炭为原料，气化生产合成气，经净化和转化以后，在催化剂的作用下发生甲皖化反应，生产热值符合规定的替代天然气（SubstituteNaturalGas）,也被称为煤气化转化技术。

近年来，也出现了直接合成天然气技术，是将煤气化和甲炾化合并为一个单元直接山煤生产富甲烧气体，典型工艺有加氢气化工艺和催化气化工艺2种。

相比直接合成天然气技术，煤气化转化技术需要的设备较多，投资较高，但技术非常成熟，甲烧转化率高，技术复杂度略低，因此应用更加广泛，是煤制天然气中的主流工艺。

煤制天然气技术主要使用固定床反应器和流化床反应器，其中，固定床甲烧化技术比较成熟，应用也更加广泛。

催化剂以锦系催化剂为主，这种催

收稿日期：

2010-10-27

作者简介：

钱卫（1982—），男，山东济宁人 ，中国矿业大学（北京）化学与环境 工程学院在读痔士研究生，助理工程帅，主要从事煤化工万面的研究。

逄讯作者眙强，E-mail:

dr-xieq@cumtb.edu.en

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一－

化剂活性高，寿命长，但容易被硫毒化。

近年来出现了以铝系催化剂为代表的耐硫催化剂，节约了合成气脱硫成本，但活性没有铢系催化剂高。

2煤气化转化技术制备天然气

一般情况下，经煤气化得到的合成气的H/CO比达不到甲烧化的要求，因此需要经过气体转换单元提高H/CO比。

有些工艺有单独的气体转换单元，提高H2/CO比后再进入甲烧化单元，称为两步法甲烧化工艺；有些工艺将气体转换单元和甲烧化单元合并为一个部分同时进行，称为一步法甲烧化工艺。

2.1 两步法甲皖化工艺

（1）Lurgi工艺

19世纪六七十年代，固定床甲烧化气化单元普遍使用的是德国的Lurgi气化炉。

Lurgi公司和SA­

SOL公司在南非的Sasolburg建立了一家试验工厂，另一家试验工厂由Lurgi公司和澳大利亚EL.Paso天然气公司建立[6-7]。

在Lurgi和SASOL的基础上，第一家煤制天然气工厂 大平原合成燃料厂在美国的北达科他州建立。

工艺包括14个Lurgi

MarkN固定床气化炉，日处理褐煤18000t,使用的

气化剂为氧气和水蒸气。

生产的气体中含有8%-

10%的甲烧，经过分离工艺可得到富甲烧气体

（SNG）,剩余气体富含有效合成气（CO+H2）,这部分气体有1/3进入气体转换单元提高H2/CO比，再经过低温甲醇洗除去经类和硫化物，此时硫化物的含量可以控制在2X10-8以下，可以保证催化剂的寿命维持在4a左右，然后合成气进入甲烧化单元，该单元由2个绝热固定床反应器组成，第一个反应器入气温度300"C,出气温度450"C,第二个反应器

入气温度260"C,出气温度315"C。

最初使用的催化剂是BASF公司生产的高锦甲烧化催化剂，co转化率大千98%,后来改用Davy公司生产的CRG催

化剂，co的转化率可达100%,CO2的转化率可达

98%。

得到的气体产品经压缩、于燥除去CO2后就生产出SNG,通过天然气管道输送给用户。

副产

CO2被附近油田用千提高采油率，气化剂氧气是通过分离空气生产的，同时副产N2,Xe和Kr,甲烧化反应后还会副产石脑油和酚。

图1为Lurgi法生产

SNG的工艺流程。

Lurgi工艺投资成本低，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，但是由千此工艺采用的是Lurgi气化＋绝热循环稀释甲烧化技术，而Lurgi气化效率不高，绝热循环稀释要消耗大鼠的能量，相当于甲烧化反应产生的50%的能量，不能做到自身的能量平衡，所以此工艺的能效较低。

图1 Lurgi法制备SNG工艺流程

（2）TREMP™工艺

19世纪七八十年代，德国的Kernforschungszen­trumJiilich公司和RheinischeBraunkohlewerke公司以及丹麦的HaldorTops0e公司联合开发设计了甲烧转换反应和其逆反应合成气甲烧化反应的循环工艺，用于远距离储存和输送核能高温反应器发出的热量[8]。

丹麦HaldorTops0e公司的TREMP™工艺就是为这个目的研发设计的。

在TREMP™工艺中，H/CO比达到3时，煤气化得到的合成气经转换、净化进入3个串联的绝热固定床反应器，第二和第三个绝热反应器也可用1个沸水反应器（BWR）取代，反应器承受温度范围是250-700'C,压力达3MPa。

在高温甲烧化的过程中使用的是Haldor

Top泌e公司生产的MCR-2X和MCR4催化剂，该催化剂可以在600'C的温度下连续运行超过8000h,CO转化率可达100%,CO2转化率99%。

为了回收甲烧化反应放出的热量，工艺中有1个蒸汽循环系统，第一个和第三个固定床反应器生产的产品气与该系统进行热交换，将产品气冷却的同时生产蒸汽，回收甲烧化反应释放的热量。

图2为TREMP™工艺流程。

TREMP™技术的优点是单线生产能力大，根据

气化工艺的不同，生产能力在10万-20万m3/h之间；合成气转化率高；回收过程能耗低，充分利用甲烧化反应放出的热量，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（250-700屯），循环气械仅为其他工艺的

1/10;合成天然气品质高，甲烧体积分数可达94%

-96%,高位热值达37260-38100kJ/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

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用于商业化。

HaldorTopse和德国的UnionKraftst­offWesseling（UKW）已经建立了中试设备，处千工业化推广阶段，还没有进行商业化规模的运营。

但是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。

图2TREMP™工艺制备SNG流程

（3）其他工艺

1952年，前美国矿务局开始了生产管道合成天然气的研究[9]。

研究工程最大的工艺特点是使用了流化床甲烧化反应器和催化剂再生系统。

由于使用了流化床工艺，热措和质量传导率较高，反应器可以保持恒温，催化剂再生系统使催化剂可以连续循环使用，节约了生产成本，但是这项技术还不够成熟，复杂度较高，生产规模较小，目前还处千研发阶段，没有实现商业化运营。

1963年，美国烟煤研究所（BCR）为了生产煤制天然气而着手研发Bi-Gas工艺l10J。

特殊的气化单元是该工艺的一大技术特点。

气化炉利用煤炭气化产生的焦炭作为气化炉的燃料，提高了原料煤的利用率，节约了成本。

工艺另一特点是使用流化床甲皖化反应器，热般和质最传导率较高，甲烧化反应保持在恒温状态，但是技术复杂度较高，技术成熟度较低，CO的转化率还有待提高，目前处于研发阶段，没有得到很好的推广应用。

2.2一步法甲炕化工艺

（1）HICOM工艺

HICOM工艺是由英国煤气公司研发设计。

技术特点是将气体转换单元和甲烧化单元合并为一个单元完成。

气化炉生产的合成气经冷却、净化、脱硫处理以后，和水蒸气一起通入甲烧化单元。

蒸汽除了调节H2/CO比，还可以防止碳沉积，但是水蒸气降低了热效率，可能引起催化剂烧结。

系统的温度通过冷却产品气循环来调节，甲烧化反应放出的热量用于生产高压蒸汽l11l。

HICOM工艺没有气体转换单元，热回收装置

少，减少了设备投资，能效较高，技术成熟度较高，苏格兰的西域发展中心已经建立了半商业化规模的示范性工厂。

但是技术复杂度略高，合成气转化率还有待提高，目前还没有实现完全商业化运营。

（2）Comflux工艺

1975年一1986年，德国的ThyssengasGmbH公司和德国卡尔斯鲁厄大学共同研发了Comflux工艺。

工艺最大特点是气体转换反应和甲烧化反应同时在流化床反应器中进行[12]。

由千没有单独的

气体转换单元和生产高压循环气的空气压缩机，大大降低了设备投资和生产成本，与固定床工艺相比，大约节省了10%的成本。

同时由千使用了流化床工艺，质植和热量传导率高，催化剂的装卸和回收更加便利。

废热得