煤制天然气（SNG）技术现状.docx

1、L转化利用j中目科技核心期刊全国中文核心期刊矿业类核心期刊煤制天然气 (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27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，

2、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 4 J 。 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

3、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

4、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( Substitute Natural Gas) , 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

5、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. eni1lii,it三 11,一化剂活性高，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

6、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 SASOL 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 E

7、L. 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 LurgiMark N固定床气化炉，日处理褐煤 18000 t, 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2 X 10- 8 以下，可以保 证催化剂的寿命维持在 4 a 左右，然后合成气进

8、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

9、。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 1Lur gi 法制备 SNG 工艺流程(2) TREMP 工艺19 世纪七八十年代 ，德国的 Kernforschungszen trum Jiilich 公司和 Rhe

10、inische Braunkohlewerke 公司以及丹麦的 Haldor Tops0e 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 Haldor Tops0e 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 -700C, 压力达3 MPa 。 在高温甲烧化的过程中使用的是 HaldorT

11、op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 8000 h , 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

12、 - 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 - 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L转化利用j中OO科技核心期刊 全国中文核心期刊 矿业类核心期刊钱 卫等：煤制天然气(S NG ) 技术现状33用于商业化。Haldor Tops e 和德国的 Union Kraftst off Wesseling ( UKW ) 已经建 立了中试设备，处千工业化推广阶段，还没有

13、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 2 TREMP 工艺制备 S NG 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

14、 Bi - Gas 工艺l 10J 。 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 H

15、2 / 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l 11l 。HI COM 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 Thyssengas GmbH 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 1 2 。 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