煤制合成天然氣工藝中甲烷化合成技術

李興忠（伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊寧 835000）

1 煤制合成天然氣概述

廣義上說，天然氣泛指自然界中存在的一切氣體。從能源應用角度出發，天然氣主要是指可以用作燃料功能的油田氣、煤層氣、氣田氣等，主要由可燃燒的低分子烴類和非烴類氣體混合而成。

由于天然氣能源的種種優勢，不僅在日常的生活中廣泛應用，在汽車工業、化工產業等領域同樣有巨大的需求量。但由于我國的自然界天然氣儲量較少，無法滿足社會正常的需要，因此采用人工合成制氣的手段就成了必然。以儲量豐富的煤炭作為原料，發展煤制合成天然氣工藝，這是未來我國的主要能源產業方向。

2 甲烷化合成技術原理分析

經過化學工藝分析不難發現，煤制天然氣的主要目的是將煤炭資源經過一系列的轉化后，獲得主要的成分甲烷。其工藝路線并不復雜，相關的方程式如下所示：

其中，煤制合成天然氣原料H2、CO、CO2等物質來源于煤炭，通過原料煤與煤氣化裝置中的純氧、高壓蒸汽、催化劑等反應得到粗煤氣，在經過一系列的轉換、脫酸（硫回收工藝）、空分等流程，最終實現甲烷化（SNG）。如此一來，可以有效提高煤炭的利用率，在應用的過程中，通過化工工藝減少內部蘊含的有害物質，減少空氣污染，一舉多得。

甲烷化反應是煤制合成天然氣工藝中的關鍵環節，在催化劑的作用下產生強烈的放熱反應，因此具有很高的燃燒值。甲烷反應熱的釋放量幾乎是甲醇液體的兩倍，這對反應設備也提出了更高的要求。

3 煤制合成天然氣工藝中典型的甲烷化合成技術

以煤炭為原料的甲烷化合成技術出現于上世紀70年代，受到世界石油危機的沖擊，德國魯奇公司開發了煤制合成天然氣的實驗設備，引發了新的能源技術革命。

就國內而言，并沒有完善的天然氣合成技術，但是在低濃度一氧化碳甲烷化以及城市煤氣技術方面十分成熟，與現代煤化工聯合生產結合緊密。例如，在煤化工業制造合成氨的過程中，需要脫除一氧化碳、二氧化碳以減輕對催化劑的負面影響，通過酸性氣體脫離技術之后，加入蒸汽、氫氣等物質實現CH4的轉化。

城市煤氣化需求是我國進行煤制合成氣開發的主要動力，尤其是近年來隨著中國城市化進程加快，對生活用煤氣的消費量不斷提升。國內開展的煤制合成天然氣城市化使用技術，主要依賴于魯奇工藝，生產的粗煤氣經過凈化之后，可以直接用于煤氣管道的輸送；相對于自然開發天然氣而言，城市煤氣的甲烷含量比例只有15%左右，一氧化碳的濃度為35%-40%。

為了進一步滿足天然氣工業需求，我國煤制合成天然氣工藝中的甲烷化技術不斷發展，在引進的甲烷化合成技術中各有特點。

3.1 Davy甲烷化技術特點

上世紀60年代，英國Davy公司開發了CRG技術并進行經濟性城市煤氣生產，主要采用的是價格低廉的烴類餾分形式，將煤炭資源中容易獲取的液體餾分作為生產富甲烷氣體原料（早期主要為石腦油），需要利用低溫環境；上世紀80年代，Davy甲烷化技術轉向煤制合成天然氣領域，并研制成功渣氣化爐、CRG催化劑等工藝。

Davy甲烷化技術做大的特點是反應穩定，在反應中采用的是CRG高鎳催化劑，最佳活性溫度為300-600攝氏度，反應跨度很大。總體而言，英國Davy甲烷化技術采取中壓合成條件（1-6MPa），可以實現完全甲烷化、不需要調節氧氣和氫氣的比例、催化劑穩定等優點。

3.2 魯奇甲烷化工藝特點

德國魯奇公司是世界上第一家以煤炭為原料進行合成氣（SNG）工藝研發的企業，該裝置有三個固定床反應器組成，其中兩個用來實現高溫反應，第三個用來實現CO和CH4的轉化，也被稱為“大量甲烷反應器”；兩個高溫反應器的應用是不斷循環的，為大量甲烷反應提供必要的原料，保障整個工藝的完整性、連續性。

3.3 TREMP甲烷化技術特點

TREMP技術特點簡單地說包括兩個方面：第一，熱回收率高。TREMP技術采用的是MCR-2X催化劑類型，可以有效加速甲烷化反應速度，提高熱回收率，大約84.4%的高壓蒸汽能量得到回收；第二，催化劑的活性優越。TREMP催化劑系列在700攝氏度的情況下依然可以保持較高的活性，對減少氣體循環、降低壓縮機功率、節約能源消耗等有重要的作用。

4 結語

隨著我國經濟的發展和城市化進程推進，社會對能源的多樣化需求日漸強烈，天然氣的應用范圍也逐漸擴寬。積極發展煤制合成天然氣技術，可以有效地彌補我國能源結構的缺陷。同時，在甲烷化合成技術方面，除了引進、借鑒國外先進技術外，還應該加快研發具有自主知識產權的技術，推動國內煤化工產業的完善。

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