我国煤制天然气现状与前景分析.pdf

No ．1 0， 2 01 4 煤炭加工与综合利用 C OA L P RO CE S S I N G ＆ C OMP R EHE N S I VE UT I L I Z A T I ON 我国煤 制天然气现状与前景分析 李安学 ，李春启 ，左玉帮 ，刘永健 1 ．中国大唐集团公司 煤炭产业部 ，北京1 0 0 0 3 1 ； 2 ．大唐 国际化工技术研究院有限公司，北京1 0 0 0 7 0 ； 3 ．大唐能源化工有限责任公司 ，北京1 0 0 0 3 1 摘要介绍了我国煤制天然气产业的发展现状和发展趋势 ；重点分析 了空分、气化、变 换、净化、 甲烷化等间接煤制天然气技术的工作原理及各技术在我国的应用 情况 ；提 出了该技 术在工厂大型化、厂址选择及管网建设、二氧化碳排放及环保等方面的问题。 关键词 煤制天然气；项 目现状 ；技术现状 ；发展前景 中图分类号 F 4 2 6 ． 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 ． 8 3 9 7 2 0 1 4 1 0 ． 0 0 0 1 ． 1 0 我国 “ 少油、贫气、煤炭资源相对丰富” 的能 源特点决定了煤炭在我国能源结构中的主导地位在 今后较长时间内不会改变 ，同时 日益严格的环保要 求以及持续增加的天然气需求促使人们寻找煤炭利 用与天然气供应新渠道 J 。这使得煤炭洁净转化为 天然气成为一项重要的战略选择，煤制天然气成为 我国优化能源结构和保障能源安全的一种重要手段 ， 也成为国内投资发展的热点之一 。 1 我国煤制天然气项 目发展现状 1 ． 1 现 状． 天然气 “ 十二五 ”规划提 出，2 0 1 5年天 然气消费量将达到 2 3 0 0亿 m ，届时进 口量将达 到近 8 0 0亿 13 q 。 能源发展 “ 十二五”规划也 提出，到 2 0 1 5年天 然气要 占到一次 能源消费量 的7 ． 3 ％。此外 ，住建部发布的 全 国城镇燃气 发展 “ 十二 五”规 划提 出 ，至 “ 十二五” 期 末城镇燃气供应总量计划达到约 1 7 8 2亿 m ，较 “ 十一 五”期末增 加 1 1 3 ％ ，其 中天然气供应 规 模约 1 2 0 0亿 m ，占全部气源的 2 ／ 3以上。在 国 内有限的天然气供应、未满足的天然气需求和气 价增长的背景下 ，近年来我国煤制天然气产业 日 收稿日期 2 0 1 4 ． 1 0 1 6 作者简介 李安学 1 9 6 4 一 ，男，黑龙江青冈人 ，2 0 0 4年 毕业于哈尔滨工业大学管理科学与工程专业，管理学博士，中国 大唐集 团公 司煤炭产业部副主任 、大唐能源化工有限责任公 司副 总经理 ，教 授级高级 工程师 。 趋被人们看好。截止 2 0 1 4年 8月，国家发改委 核准和给予启动前期工作的煤制天然气项 目共 1 2 个 ，总产能共计 8 7 3亿 m ／ a ；其中已核准在建项 目4个 ，合计产能 1 5 1 亿 m ／ a ；获准启动前期工 作项 目共 8个 ，合计产能 7 2 2亿 m ／ a ，详细情况 见表 1 。 根据国家 天 然气发展 “ 十二五 ”规划， 2 0 1 5 年 国 产 天 然 气 的 供 应 能 力 要 达 到 1 7 6 0亿 m 。 ／ a 左右 ，其中煤制天然气年产量将达 到 1 5 0～1 8 0亿 I n 。 ，即占国产天然气的 8 ． 5 ％ ～ 1 0 ％ 。尽管 目前开工项 目进展较为迅速 ，从 目前 项 目进度来看 ，实现上述 目标仍不容乐观。 经过几年工程建设 ，目前已核准的煤制天然 气项 目部分已投入生产运营 ，包括 内蒙古大唐 国 际克什克腾煤制天然气工程 I 系列装置、新疆庆 华煤制天然气一期工程 。其 中，我 国首个煤制天 然气示范项 目克旗煤制天然气示范项 目 I系 列装置两个单元 气化 、变换 、净化等装 置为两 个单元 ，甲烷化装置为一个单元 分别于 2 0 1 2年 7月，2 0 1 3年 7月打通全部流程 ，并进行了大负 荷试车 ，最大生产负荷达到 8 0 ％ 以上 ，所产煤制 天然气产 品 中甲烷 体积分数 最高达 到 9 8 ． 9 6 ％ ， 并于 2 0 1 3年 1 2月 1 8日投运成功 ，正式并人 中 石油管网向北京输送。受气化炉夹套腐蚀影响 ， 该项 目 I系列 装置 于 2 0 1 4年 1月 2 0日停 车检 修 ，检修后于 4月 2日恢复供气 ，目前生产处在 连续稳定运行中_ 3 J 。新疆庆华煤制天然气项 目于 2 煤炭加 工与综合利用 2 0 1 4年 第 1 0期 2 0 1 3年 1 2月 3 0日正式由西气东输霍尔果斯首站 并人西气东输二线主管网，进入商业运行 。 表 1 我国已核准在建和获准启动前期工作的煤制天然气项目 1 ． 2 发展趋势 有专家根据我国天然气市场供需平衡方面预 测 ，到 2 0 1 5年、2 0 2 0年和 2 0 3 0年 ，我 国新建煤 制天 然气 的市场 空间分别 为 2 4 0亿 、4 5 0亿 和 5 5 0亿 m 。也有专家预计 ，到 2 0 2 0年我国煤 制天然气规模将达到 5 0 0亿 m 。 E 6 ] 。 发展煤制天然气是市场的需要 ，在天然气供 应不足的情况下更是环保 的需要用煤制天然 气来代替民用及其它分散用煤。我国煤炭利用方 式 中，民用及其他分散用煤 占 1 0 ％ J ，这些 用 户排放的二氧化硫和氮氧化物无法集中治理 ，或 治理难度很大。按 照国家统计局公布 的 2 0 1 3年 我国煤炭消费总量 2 4 ． 7 5亿 t 标准煤计算 ，则用 于民用和其他分散用煤的量约为 2 ． 4 7 5亿 t 标准 煤 。按标准煤 中含硫量 2 ％计算 ，则完全燃烧后 每年产生 9 9 0万 t 二氧化硫 ，占到 国家统计局公 布的 2 0 1 3年 2 0 4 4万 t 二氧化硫排放 的 4 8 ． 4 ％。 按照生产每千立方米天然气消耗标准煤 2 ． 3 t 折 算 ，2 ． 4 7 5亿 t 标准煤 可生产约 1 0 0 0亿 m ， 硫回收效率按照 9 9 ． 8 ％计算 ，每年将少排放二氧 化硫 9 8 8万 t 。可见替代空间很大。 从天然气市场需求和替代 民用及工业用分散 燃煤来看 ，在 目前获准启动前期工作 的煤制天然 气项 目中，部分项 目应陆续获得核准。 2 煤制天然气生产技术 煤制合成天然气 C o a l t o S N G ，通常被简称 为煤制天然气 ，或煤制气 ，是 指以煤炭为原料 ， 制取的以甲烷为主要成分 、符合天然气热值等标 准的气体。煤制合成天然气也称为煤制替代天然 气、煤 制 代 用 天 然 气 S u b s t i t u t e N a t u r a l G a s ， S N G 或 煤 制 补 充 天 然气 S u p p l e m e n t a l N a t u r a l G a s ，S N G ，也有人称之 为煤 基合成天然气 煤 基替代天然气 、煤基代用天然气 、煤基补充天然 气 ，C o a l b a s e d S N G ，还包括 以焦炉煤气 、兰 炭尾气等为原料制取的合成天然气。 按照化学反应步骤的不同，煤制天然气技术 可分为直接煤制天然气技术和间接煤制天然气技 术 。直接煤制天然气技术也被称为 “ 一步法”煤 制天然气技 术。间接煤 制天然气技术 也被 称为 “ 两步法”煤制天然气技术。其第一步指煤气化 过程 ，第二步指煤 气化产物合成气 经变换 2 0 1 4年第 1 0期 李安 学，等 我 国煤制天然气现状与前景分析 3 和净化调整 氢碳 比后 的净煤气 甲烷化 的过程。 到 目前为止 ，在役或在建的煤制天然气工厂均采 用间接煤制天然气技术 。 2 ． 1 直接 煤制 天 然 气技 术 直接煤制天然气技术主要指加氢气化制天然 气技术和催化气化制天然气技术。加氢气化制天 然气技术利用煤 的快速初始加氢活性 ，以氢气或 富氢气作为气化剂。催化气化制天然气技术是利 用钾盐 如 K C O 对煤气化反应 的强烈正催化作 用开 发 而 来 的 J 。加 氢 气 化 工 艺 主 要 包 括 H y g a s 、H K V、MR S 等 ，催 化 气 化 工 艺 包 括 E x x o n的催 化 气 化 技 术 和美 国 巨点 能 源 公 司 G r e a t P o i n t E n e r g y 的 B l u e g a s 技术等。 以 B l u e g a s为例 将煤粉碎 到一定粒度 ，与 催化剂充分混合后进人流化床反应器 ，在催化剂 的作 用 下 与 气 化 剂 水 蒸 汽 等 发 生 反 应 ，生 成 C H 、C O、H2 、C O 、H S等。通 过旋风分 离器 除去 固体颗粒 ，经过净化单元脱除硫化合物 ，经 过气体分离将 甲烷分离 ，得到产品气 S N G_ 1 。 。 。 国内新奥集团也进行 了大量 的研究 ，并获得 了国家科技部等单位和部分企业 的支持 ，建成 了 1 t ／ d 的 P D U装置并成功运行 ，为实现直接 煤制 天然气技术的工业化奠定 了坚强基础⋯J 。 催化气化能效 比较 高、成本优势 比较 大 ， 随着研究 的不断深入 ，预计在不久 的将来会取得 一 定的突破 。 2 ． 2 间接 煤制 天然 气技 术 间接煤制天然气过程是通过煤气化将煤转化 为合成气 主要含 C O和 H 或含一定量低碳烃的 粗合成气 。粗合成气经水蒸汽变换 ，调整氢碳 比 [ 要求 ‘ P H ／ ‘ p C 23 ． 0 ] 、净化 脱硫、脱碳 后进行甲烷化反应 ，得到甲烷体积分数大于 9 4 ％ 的 S N G，流程如图 1所示 。 图 1 间接煤制天然气流程 2 ． 3 煤 制天 然 气质 量 采用 间接煤制天然气技术所生产 的 S N G中 甲烷含量 比较高 ，在热值、C O 、H S总硫等方 面优于 国家 天然气标 准 ，产 品 中几 乎不含 C O， 但含有少量 H ，经过干燥后的产 品水露点也满 足标准要求。到 目前为止 ，国内外还没有煤制天 然气产 品质量标准。为了讨论方便 ，从文献中选 取美 国大 平 原 气 化 厂 G r e a t P l a i n s G a s i f i c a t i o n P l a n t 部分运行数据作 为参 考，与我 国国家天然 气强制性 标准 G B 1 7 8 2 0 --2 0 1 2 天然气 指 标进行对 比，见表 2。 表 2 典型煤 制天然气 产品质量数据与我国国家天然气标准对 比 注 a 一 表中数据气体体积 的标准参 比条件是 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ，2 0 o C； 在天然气交接点压力下，水露点应比输送条件下最低环境温度低 5℃， 一 5℃；进入输气管道的天然气 ， 水露点的压力应是最高输送压力。 b 一 表中数据气体体 积的标准参比 条件是 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ，0℃ ；c 一 在输送条件下 ，当管道管顶埋地温度 为 0℃时 ，水露点应 不高于 3 间接煤制天然气技术现状与发展趋势 分 、驾 、1 ’ 詈 曩 妻 因直接煤制天然气技术 尚未实现工业化 ，在 主装置提供不同等级蒸汽的动力装置。煤制天然 此主要介绍问接煤制天然气技术。 气技术体系以气化技术为龙头 ，大量 甲烷化技术 4 煤 炭加 工与综合 利 用 2 0 1 4年 第 1 0期 为核心 ，是空 分、煤气 化、变换、净化 、甲烷 化、三废处理等技术的系统集成与优化。不同的 煤制天然气项 目，所选具体技术会有所不同，空 分 、气化 、变换 、净化等均是煤化工领域常用技 术 ，只有大量 甲烷化技术是煤制天然气生产特有 的技术。下面仅对主要技术情况作一说明。 3 ． 1空分技 术 空分又称为空气分离 ，是通过物理方法把空 气 中的各组分气体分离 ，生产氧气、氮气等 的一 套工业装置。在煤制天然气工厂中，空分装置用 来为煤制天然气相关装置 的正常运行提供必要的 氧气、氮气、仪表空气 、工厂空气等。 空气分离的方法有几种 ，由于煤制天然气工 厂规模大 ，一般选用低温法。近年来煤化工装置 的规模越来越大，要求配套大容量 的空分装置。 目前 ，国外已经有 1 2万 m 等级的空分设备 ，国 内正在攻克 8～1 2万 m 等级空分设备的技术难 点。预计 “ 十三五”期间，我 国将实现 1 2万 m 等级空分设备和与 6～1 0万 m。 等级空分设备 配 套压缩机组 的国产化 。表 3列 出了国内外 部分空分装置制造商和所用压缩机性能。 3 ． 2煤 气化技 术 煤气化是一个热化学过程 ，以煤为原料 ，以 氧气 空气、富氧或纯氧 、水蒸汽等作气化剂 ， 在高温条件下通过化学反应将煤 中的可燃部分转 化为气体的过程。 表 3 国内外 部分 空分装置 制造商及所用压缩机-眭能 尽管开发煤气化工艺是很 困难 的，但 国内外 研究机构在 国家和企业 的支持下 ，经过长期的努 力 ，开发了不少煤气化工艺，其 中有一些工艺 已 经比较成熟 ，有的方法很有成效。装备和工艺逐 步国产化、单元技 术引导 全生产线 “ 安稳 长满 优”地运行 、单炉规模的大型化 、气化炉内操作 压力的提高、原料向低阶煤发展是煤气化技术发 展趋势。表 4列出了国内外主要大型气化技术专 利商和业绩 。 不 同的气化工艺对煤质 的适应性、人炉煤形 态及颗粒大小要求不同，气化工艺参数等也有所 差异 ；不同的气化工艺因其产气能力大小、工业 化程度及投资 等不 同，适用 于不 同的煤 化工项 目。煤制天然气项 目气化技术选择原则应为 定 煤、稳定、经济 、环保 。其 中，定煤是指根据煤 制天然气项 目用煤选择合适的煤气化技术 ；稳定 是指选择的技术成熟、运行稳定 ；经济是指全厂 投资低、运行成本低 ；环保是指对环境影响小。 鉴于气化过程中产生的甲烷越多 ，S N G工厂 能效就越高，因此产物 中甲烷含量高的气化工艺 颇受青睐。粗煤气 中含有一定量 甲烷 的气化技术 包括碎煤加压气化技术／ 鲁奇气化技术、移动床 液态排渣气化技术／ B G L气化技术、K B R的输运 床气化技术 T R I G 、康菲公司的 EG a s 气 化技术、高温温克勒气化 技术 H T w 、S G T气 化技术 UG a s 等。诸 多煤气化 技术 中，固定 床加压气化技术因其粗煤气 中甲烷含量高，装置 投资低 ，被看好 。一些研究者 卜 建议煤制天 然气项 目气化技术选择时优先考虑移动床液态排 渣气化技术 B G L 。在 B G L气 化技术 尚未实现 高负荷 、长周期稳定运行的情况下 ，碎煤加压气 化技术在煤制天然气项 目气化技术选择时颇受青 睐。大唐克旗、大唐阜新、新疆庆华煤制天然气 项 目均选择 了碎煤加压气化技术。但该技术存在 的问题也较大 ，除废水处理成本高外 ，大量的粉 煤如何处理也是选用碎煤加压气化技术 的煤制天 然气项 目要周全考虑的问题 。粗合成气 中甲烷含 量高、煤种适 应性强 、环 境友好 、技术成 熟可 2 0 1 4年第 1 0期 李安学，等我国煤制天然气现状与前景分析 5 靠、投资低的煤气化技术将是煤制天然气项 目优 熟 的 B G L气 化技术将是煤制天然气产业 优先选 选的气化技术 。随着煤化工产业 的发展 ，不断成 择的气化技术之一。 表4 大型煤气化主要技术专利商和业绩 注 1 1 7 0 0∥d在建 ； 2 3 0 0 0 d在建 此外 ，上海泽玛克敏达机械设备有限公司在 B G L技术的基础上开发了粉块一体气化炉 ，粉煤 和氧气 、蒸汽一起喷到气化炉 的中心位置进行气 化 ，块煤／ 粉煤质量 比最大 可达 到 5 7 4 3 I 1 9 J 。此 种技术解决 了粉煤平衡的问题 ，但也存 在污水难 处理的问题 ，只是污水量减少。 具有稳定 运行试烧褐煤经验 ，三废易处理 ， 粗煤气含有 4 ％ ～ 6 ％ 的甲烷 ，实现工业化稳定运 行的 T R I G 气化技术颇有竞争力。赛鼎工程有 限 公司正在开发直径 5 m，操作压力 6 ． 0 M P a的碎煤 加压气化炉 ，其单炉产气量可达1 3万 m ／ h ， 日处 理煤量由8 0 0 t 提高到 2 0 0 0 t 【 1 9 ] 。随着酚氨回收技 术、碎煤加压气化废水处理技术的进步 ，高压碎 煤加压气化技术也将具有很强 的竞争力。但此技 术仍然存在废水处理难度大的问题 。此外 ，实现 高压、大规模、长 周期 稳定运 行后 的 S G T U G a s 、EG a s Ⅲ气化技术也将有一定竞争力。 相对于单一气化技术 ，固定床气化与水煤浆 气化联合技术方案或固定床气化与粉煤气化联合 技术方案有一定的竞争力。固定床气化与水煤浆 气化联合技术方案利用部分碎煤加压气化废水送 入水煤浆加压气化工艺用于水煤浆的制备 ，可减 少碎煤加压气化工艺废水处理某一部分规模 ，降 低废水处理难度 ，提高项 目经济效益。碎煤加压 气化采用块状低阶褐煤 ，可利用剩余 的大量煤粉 或通过与本地煤种配煤 ，分级研磨制浆用于水煤 浆气化 ，提高原料煤 的利用率 ，降低 运行成本 ， 提高项 目整体经济效益 。这种方案 的关键是有成 浆性好 的原料 煤或配 煤和确定用 哪部分废 水制 浆 ，影响项 目的能效。固定床气化与粉煤气化联 合技术方案 明显降低 了煤制天然 气项 目的废水 量 ，可有效减少废水处理投资 ，节约废水处理成 本。粉煤气化可以消耗原料煤 中的粉煤 ，解决采 用碎煤加压气化技术带来的粉煤过剩 的问题 ，降 低运行成本 ，提高项 目的整体经济效益。但不同 的粉煤气化技术也将影响项 目的能效。 煤制天然气气化技术的选择要综合考虑煤种 适应性、能耗、投资、技术成熟度 、工业应用案 例、副产物处理难易程度 、与上下游的配合等因 素 ，进行详细 比较 ，确定合适 的气化技术或者气 化技术组合 。 3 ． 3变换技 术 目标产 品的不同对原料气 中 H ， ／ C O体积 比 的要求也不 同，如 甲醇合成要求 H ／ C O体积 比 在 2 ． 0左 右 ，甲烷 合 成 要 求 模 值 M H 一 C O ／ C OC O 在 3 ． 0左右。粗煤 气 的组成 与气化炉型和煤质的关系很大。不同的气化炉得 到的煤气组成不一样 ，因此需要将气化粗煤气通 过变换反应调整到后续工序的需求。根据粗煤气 来源和 目标产品的不同 ，所选择的变换工艺流程 也不同。在以煤为原料制取合成气工艺 中，依据 煤种、气化工艺及上下游流程配置的特点 ，主要 选择耐硫变换工艺。对于选择废锅流程粉煤气化 技术的煤化工项 目，一般选用低 串、中水／ 气 比 变换工艺 ；对于选择激冷流程气化技术 包括水 6 煤炭加工与综合利用 2 0 1 4年第 1 0期 煤浆和粉煤气化 的煤化工项 目，多选用高水／ 气 比耐硫变换工艺 ；碎煤加压气化技术／ 鲁奇气化 技术 ，一般选用耐油 、耐硫变换工艺。大唐克旗 煤制天然气项 目、大唐阜新煤制天然气项 目、新 疆庆华煤制天然气项 目均选用 了耐油、耐硫变换 工艺。另外 ，随着等温变换 技术的发展 ，煤 化工装置变换技术又增加 了一个新的选择。 3 ． 4 净化技术 煤经过气 化得 到 的粗 煤气 主要 成分 是 H 、 C O、C O 2 、H2 O 及 H 2 S 、C O S 、C H3 S H、C S 2等 ， 其中 H S 、C O 、C O S 、C H S H、C S 等 酸性 气体 对装置生产是不利的，特别是硫化物会造成下游 的甲烷化催化剂 中毒，必须将其脱 除和 回收。脱 除酸性气体过程被称为净化。常用的净化技术为 低温甲醇洗和 N H D法。低温甲醇洗以冷 甲醇为吸 收溶剂，利用 甲醇 在 低温 下对 酸性 气体 C O 、 H S 、C O S等 溶解度较大的特性 ，脱除原料气中 的酸l生气体 ，是一种物理吸收法。N H D法 聚乙 二醇二甲醚法 利用 N H D对酸性气体 的溶解度的 差异 ，将粗煤气 中的酸性气体脱除，也是一种物 理吸收法。但是 ，N H D法在大型装置上还存在一 定工程困难 。低温甲醇洗法在国内具有丰富的 经验，除部分低温材料需 引进外 ，设备设计和制 造均能在国内解决。已经投产或正在建设 的煤制 天然气项 目均选择了低温甲醇洗技术。 目前 ，低温甲醇洗技术国外以德 国林德和鲁奇 的工艺最为成熟；国内赛鼎工程公司、大连理工大 学和上海国际化建工程咨询公司开发的低温甲醇洗 技术也实现了工业化 ，设备也已实现国产化，并且 在工业化生产中不断完善。鲁奇、林德单套装置最 大规模为粗煤气处理量 7 8万 m ／ h ，国内低温 甲醇 洗单套装置最大粗煤气处理量约 3 3万 m ／ h 。“ 十三 五”期间，国内低温甲醇洗技术在大型化、关键设 备国产化方面将取得明显进步。 对于煤制天然气项 目，要根据原料煤特点 、 气化炉选型及 甲烷化进 口气体要求选择合适的低 温甲醇洗技术 。目前 ，大唐克旗 、大唐阜新 、内 蒙古庆华均选用了国内的低温甲醇洗技术。 3 ． 5 甲烷 化技 术 甲烷化主要是将满足氢碳 比为 3左右 的合成 气进行 甲烷 化反应 ，生产含 甲烷 9 4 ％ 以上 的产 品。目前主要的 甲烷化技术有德 国鲁 奇 L u r g i 公 司、英 国戴 维 D a v y 公 司 和 丹 麦 托 普 索 T o p s o e 公司的甲烷化技术，国内也正在加紧开 发具有 自主知识产权的甲烷化技术 ，并取得 了较 大进展 。 2 0世纪 8 0年代初德 国鲁奇公 司结合 巴斯夫 公司 B A S F 的甲烷化催化剂完成 了整套工艺技 术的开发 ，并成功应用于美 国大平原气化厂 引。 传统鲁奇 甲烷化工艺是鲁奇气化与绝热低温循环 甲烷化的耦合技术 ，因鲁奇气化效率不高，绝热 循环稀释过程需要消耗大量的能量 ，导致传统鲁 奇甲烷化工艺能效较低。为提高竞争力，鲁奇公 司在 2 0 1 2年推 出了采用高温高压工艺气循环 的 高温甲烷化工艺 。 英国煤气公司 B ri t i s h G a s ，针对 B G L气化炉 的合成气特点开发了 H I C O M 工艺和 C R G催化剂， 并建立 了 2 8 3 2 m。 ／ d的煤制天然气 中试装置 J 。 C R G催化剂 自2 0 世纪 8 0年代中期应用于美国大平 原气化厂，到目前已成功地应用了3 0 a 。2 0世纪 9 o 年代末期，戴维公司获得了 C R G技术的对外许可转 让的专有权。与传统中低温甲烷化工艺相 比，戴维 甲烷化技术采用了高温高水工艺气循环，降低循环 气量并对换热流程进行了优化，提高了甲烷化过程 热利用率。戴维甲烷化技术在大唐克旗、大唐阜新 煤制天然气项目获得了应用。 丹麦托普索公司开发了 T R E MP 甲烷化技术 和相匹配的催化剂 MC R一2 X，并且 MC R一2 X催 化 剂 在 实 验 装 置 累 计 运 行 记 录 超 过 了 4 5 0 0 0 h 。与戴维甲烷化工艺相似 ，采用了高 温高水工艺气循环降低循环气量 ，提升 甲烷化过 程热利用率 。与戴维甲烷化工艺不同之处在于戴 维甲烷化工艺是二段循环 ，托普索 甲烷化是首段 循环并添加少量蒸汽。托普索 甲烷化技术在新疆 庆华 、内蒙古汇能煤制天然气项 目获得 了应用 。 国内中科院大连化学物理研究所、西北化工 研究院、煤炭科学研究总院在 2 0世纪 8 0年代均 开展 了部分 甲烷化技术开发，主要 目的是将煤气 中部分 C O转化成 C H ，提高煤气热值和降低煤 气中 C O含量 ，使人工煤气满足 国家标准的要求。 为推动煤制天然气关键技术的国产化 ，由中国大 唐集 团公司牵头的国家 8 6 3计划重点项 目 “ 煤气 化甲烷化关键技术开发与煤制天然气示范工程” 于 2 0 1 0年获得科技部立项 ，目前各项研 究工作 2 0 1 4年 第 1 O期 李安 学，等 我 国煤制天然气现状与前景分析 7 进展顺利 ，开发的甲烷化催化剂通过 了工业侧线 试验长周期验证 ，且采用 自主甲烷化技术 的半工 业化装置正在建设 ，工业化规模 的工艺包亦正在 编制之 中 。此外 ，国内甲烷化催化剂 、工艺、 设备、控制的专利群 已经形成 ，完全可以打破 国 外专利商对 甲烷化技术的垄断。假 以时 日，从技 术成熟度 、知识产权保护等方 面考虑 ，国内的 甲 烷化技术完全可 以与 国外 甲烷化技术进行竞争 。 预计 “ 十三五 ”期间 ，甲烷化催化剂与工艺技术 将会全部实现国产化。 综合上述分析对比，与传统中低温 甲烷化工 艺和水饱和甲烷化工艺相 比，高温循环 甲烷化工 艺具有操作稳定 ，装置综合能耗较低等优点 。在 甲烷化技术选择时，需要综合考虑投资、运行成 本 、国产化程度、综合能耗、操作性 、催 化剂稳 定性等多方面 ，以确定合适的甲烷化技术 。 3 ． 6煤制 天 然 气工程研 究进 展 鉴于煤制天然气工厂建设可供参考的经验不 多 ，大唐 国际阜新煤 制天然气 公司组 织开 展 了 “ 面向城镇用 户的现代煤制天然气工厂概念设计 研究 ” l 1 。该研究 已经通过 了中国石油和化 学工业联合会组织的评审。研究认 为，煤 制天然 气工厂可分为三类 一是 面向工业用户 含大管 网 ；二是面向城镇用 户 主气 源，含局 域 网 ； 三是面向综合用户。针对面 向城镇用户的煤制天 然气工厂 ，提出了自 “ 煤矿到煤制天然气工厂再 到城镇用户”这个供应链 系统 上存在着 “ 用户 用气量不均衡性与煤化工装 置要 求安、稳 、长、 满 、优运行之间的矛盾” 以及 “ 用户要求供气不 间断性与煤 化工装 置存在 阶段性停 产之 间的矛 盾” 。保证连续稳定供气是煤制天然气工厂 的关 键 ，解决方式取决于工厂定位 分类 。在此基础 上 ，提出了煤制天然气工厂应 以保证用户安全稳 矛盾为前提 ，以追求工厂可持续发展和经济效益 最大化为主要 目标的相应技术策略。该项研究部 分成果已应用到大唐阜新等 国内部分煤制天然气 工厂设计 中。 3 ． 7煤制 天然 气相 关技 术进展 煤制天然气项目剩余物质量大，建议加强剩 余物质 的管理和处理技术 的研究 ，尽可能使之资 源化 ，在达到废物 最小 化 的同时 ，降低运 营成 本 。粗酚精制技术 、煤焦油加氢技术 均取 得 了进步 ，为提高煤制天然气项 目效益奠定 了基 础。立足于解决碎煤加压气化废水处理难题 的国 家 8 6 3计划重点项 目课题 “ 碎煤加压气化废水处 理与回用技术 ”顺 利结题 ，开发 的新型 活性焦 吸附 生化处理 技术在大唐克旗煤制天然气示 范项 目获得了应用 ，正在调试之中 。 为了降低煤制天然气项 目 C O 排放 ，提高项 目整体能效 ，大唐阜新煤制天然气公司与中国石 油大学 北京 合作开展了煤制天然气工厂节能减 排研究 卜 J ，部分研究成果 已应用在阜新煤 制 天然气项 目上。 由煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院牵 头 ，大唐 国际化工技术研究院有 限公司等 5家单 位参与起草 的 G B 3 0 1 7 9 --2 0 1 3 煤 制天然气单 位产品能源消耗限额于 2 0 1 3年 1 2月 3 1日发 布 ，并将于 2 0 1 4年 1 2月 1日实施 。由中海油研 究总院承担 “ 煤制天然 气产 品质量标 准前期研 究”通过 了专家审查 ，为最终形成煤制天然气产 品质量行业标准奠定 了基础 。由大唐能源化工有 限责任公司承担的 “ 煤制天然气取水定额标准” 正在编制 中。 在关键设备 国产化方面 ，相关企业也做 了大 量工作并进行 了有益探索。其 中，辽 宁大唐 国际 阜新煤制天然气公 司与国内部分厂家进行联合攻 定用气为首要任务 ，以缓解或解决供应链上主要 关，其关键设备全部实现了国产化㈣ ，见表 5 。 表 5 阜新煤制天然气项 目关键设备情况 8 煤炭加工与综合利 用 2 0 1 4年第 1 0期 4 我国煤制天然气发展前景分析 4 ． 1 发展煤制天然气是我 国资源特 点和 可持续 发展 的 需要 基于我 国 “ 少 油、贫气 、煤炭 资源相 对丰 富” 的资源特点，煤炭在我 国能源结构 中的主导 地位较长一段时间内不会改变。 日趋渐长的煤炭 运输费用促使人们 寻找煤炭利用 和传 输 的新途 径 ；日益严格的环保要求促使人们寻找煤炭利用 中减少对环境的危害的新方式 ；持续增加 的天然 气需求促使人们寻找天然气供应新渠道。使得煤 炭洁净转化为天然气成 为一项重要的战略选择 ， 成为我国优化能源结构和保障能源安全的重要手 段 ，用煤制天然气来替代 民用及其它分散用煤也 是环境保护 的需要。从 资源 、政策 和经济性 上 讲 ，采用低阶煤生产天然气是低阶煤利用的一种 有效方式。从运输成本上讲 ，煤制天然气是偏远 地 区煤炭利用 转换成天然气再输送 的一种有效 途径。从市场供需上讲 ，煤制天然气有一定 的市 场空间。 4 ． 2煤制 天然 气生 产技 术 已 日趋成 熟 煤制天然气生产技术已 E t 趋成熟。美 国大平 原气化厂 3 0 a的运行经验证明了煤制天然气工艺 路线是可行的。煤制天然气关键技术 中，空分、 气化 、变换 、净化等国内外均有成功的设计 和运 行经验。从设备制造的角度来讲 ，目前我 国基本 具备了大型关键设备的国产化条件 ，只有合成气 甲烷化技术 及极少部分关 键设备需要从 国外引 进 ，并且国内已在甲烷化技术方面开展 了重点研 究并取得了阶段性成果 ，即将具备工业化应用条 件。三废处理技术也在不断发展 ，以满足不断提 高的环保要求。尽管 由于各种原因还没有达到长 周期满负荷生产 ，但大唐克旗煤制天然气项 目和 新疆庆华煤制天然气项 目的投运也证明了煤制天 然气生产技术 日趋成熟。 4 ． 3 煤制天然气项 目具有一定经济竞争力 煤制天然气生产成本主要包含原煤成本 、投 资的财务费用以及运行费用。原料煤性质决定 了 气化炉的选型 ，而气化炉选型将影响原料煤的用 量 ，也将影响各装置的规模及投资和运行费用 ， 进而影响煤制天然气 的成本。原料煤和燃料费用 所 占煤制天然气生产成本比例约 6 0 ％左右 ，是影 响天然气生产成本的最敏感因素 ，其次是折旧和 修理费 ，所 占比例约为 2 2 ％ ～ 3 0 ％ ，表明投资对 生产成本 的影响也较大 。煤制天然气价格 高 于国内矿产天然气 ，但与中亚进 口管道天然气和 进 口L N G相 比，煤制 天然气则具有一定 的竞 争 力[ 3 3 - 3 4 ] 。当然 ，影响煤 炭价格、项 目投 资等因 素较多，但通常情况下 ，趋势是相同的。 4 ． 4煤制 天然 气发展 面临 的挑 战 尽管国际上煤制天然气工厂已有 多年运营经 验 ，但我国现阶段大规模建设煤制天然气项 目还 有很多工作要做 ，需要进一步探讨 。 4 ． 4 ． 1 关于工厂大型化问题 美国大平原气化厂设计规模为 3 5 4万 m ／ d ， 而我国在建或规划建设的工厂大多在 1 2 0 0 m ／ d 4 0亿 m ／ a 或 以上。工厂大型化所带来的是单 装置规模放大或装置数量增多、资源 消耗量大、 产品产量大、剩余物质多、新技术应用多。这些 都给工厂 的建设 与运 行带 来很 大 的不确 定性 。 “ 量变引起质变”，在大规模煤制天然气项 目中要 引起高度重视。气化、变换 、低温 甲醇洗、甲烷 化 、三废处理、中水回用等技术 ，在化肥厂、甲 醇厂或煤气厂、炼化厂等都有应用 ，但将这些技 术组合成如此大规模 的工厂 ，国内还没有 ，世界 上也不多见。规模放大就存在一定的风 险。工厂 大型化所引发 的问题 比较复杂，有些是有利的， 有些是不利的，有些还有待于检验 ，还有些需要 提出新 的思路。工厂的大型化也给环 境、市场、 资源带来了很大的压力和挑战。 4 ． 4 ． 2 关于厂址选择及管网建设问题 煤制天然气产业刚刚兴起 ，生产的天然气如 何输送到 目标市场将会影响产业发展。我 国现有 的天然气管网主要 由中石油、中石化、中海油等 公司所有，刚刚开始开放，煤制天然气如何入网， 如何定价和调峰还有待于解决。当然 ，煤制天然 气工厂也可以 自己建立区域网，但这种模式还要 自己考虑调峰设施 ，如生产、储存 L N G等。建议 以政府为主导 ，按市场规律统筹企业网络建设和 运营，调峰设施统一考虑。这样做可 以降低社会 成本。 厂址的选择需要考虑的因素固然很多，但资 2 0 1 4年第 1 0期 李安 学，等 我国煤制天然气现状与前景分析 9 源容量 煤源、水源、土地资源 、市场容 量 包 括管 网 和环境容量 包括剩余物质资源化 特别 重要 。按 照生 产 1 k m 天然 气 消耗 2 ． 0～2 ． 3 t 煤、5 ． 0 ～ 6 ． 9 t新 鲜 水 计 算 ，对 于 一 个 4 0亿 m。 ／ a 1 2 0 0万 m ／ d 的煤制天然 气工 厂 ， 每年 的煤炭用量 、用水量都 以千万 吨计 ，产生 的 剩余物质 以万 吨计 ，生产的天然气还要通过管 网 销售出去 。因此 ，选择 一个 具有 合适 的资源 容 量 、市场容量和环境容量的煤制天然气厂址并不 容易。 4 ． 4 ． 3 关于二氧化碳排放 问题 煤制天然气 工 厂 的产 品 S N G属 低 碳 能源 ， 但是在生产过程 中只有约 1 ／ 3的碳 含锅炉用煤 进入了天然气产品 ，其余约 2 ／ 3的碳以 C O ，的形 式排 出工厂。一般生产 1 m 的天然气 已折合标 准状态 约排出4 k g C O 。对于一个 4 0亿 m ／ a的 煤制天然气工厂 ，每小时排放 2 0 0 0 t C O 。这个 数字是十分庞 大的 。大量 的 C O ， 排放要求 企 业在发展煤制天然气项 目时需在 中长期规划 中考 虑碳捕集、利用 和封存 C C U S ，否则一旦 实施 碳税 ，有可能增 加额 外成 本 ，甚 至 打破赢