1 煤制合成天然气概述
广义上说, 天然气泛指自然界中存在的一切气体。从能源应用角度出发, 天然气主要是指可以用作燃料功能的油田气、煤层气、气田气等, 主要由可燃烧的低分子烃类和非烃类气体混合而成。
由于天然气能源的种种优势, 不仅在日常的生活中广泛应用, 在汽车工业、化工产业等领域同样有巨大的需求量。但由于我国的自然界天然气储量较少, 无法满足社会正常的需要, 因此采用人工合成制气的手段就成了必然。以储量丰富的煤炭作为原料, 发展煤制合成天然气工艺, 这是未来我国的主要能源产业方向。
2 甲烷化合成技术原理分析
经过化学工艺分析不难发现, 煤制天然气的主要目的是将煤炭资源经过一系列的转化后, 获得主要的成分甲烷。其工艺路线并不复杂, 相关的方程式如下所示:
其中, 煤制合成天然气原料H2、CO、CO2等物质来源于煤炭, 通过原料煤与煤气化装置中的纯氧、高压蒸汽、催化剂等反应得到粗煤气, 在经过一系列的转换、脱酸 (硫回收工艺) 、空分等流程, 最终实现甲烷化 (SNG) 。如此一来, 可以有效提高煤炭的利用率, 在应用的过程中, 通过化工工艺减少内部蕴含的有害物质, 减少空气污染, 一举多得。
甲烷化反应是煤制合成天然气工艺中的关键环节, 在催化剂的作用下产生强烈的放热反应, 因此具有很高的燃烧值。甲烷反应热的释放量几乎是甲醇液体的两倍, 这对反应设备也提出了更高的要求。
3 煤制合成天然气工艺中典型的甲烷化合成技术
以煤炭为原料的甲烷化合成技术出现于上世纪70年代, 受到世界石油危机的冲击, 德国鲁奇公司开发了煤制合成天然气的实验设备, 引发了新的能源技术革命。
就国内而言, 并没有完善的天然气合成技术, 但是在低浓度一氧化碳甲烷化以及城市煤气技术方面十分成熟, 与现代煤化工联合生产结合紧密。例如, 在煤化工业制造合成氨的过程中, 需要脱除一氧化碳、二氧化碳以减轻对催化剂的负面影响, 通过酸性气体脱离技术之后, 加入蒸汽、氢气等物质实现CH4的转化。
城市煤气化需求是我国进行煤制合成气开发的主要动力, 尤其是近年来随着中国城市化进程加快, 对生活用煤气的消费量不断提升。国内开展的煤制合成天然气城市化使用技术, 主要依赖于鲁奇工艺, 生产的粗煤气经过净化之后, 可以直接用于煤气管道的输送;相对于自然开发天然气而言, 城市煤气的甲烷含量比例只有15%左右, 一氧化碳的浓度为35%-40%。
为了进一步满足天然气工业需求, 我国煤制合成天然气工艺中的甲烷化技术不断发展, 在引进的甲烷化合成技术中各有特点。
3.1 Davy甲烷化技术特点
上世纪60年代, 英国Davy公司开发了CRG技术并进行经济性城市煤气生产, 主要采用的是价格低廉的烃类馏分形式, 将煤炭资源中容易获取的液体馏分作为生产富甲烷气体原料 (早期主要为石脑油) , 需要利用低温环境;上世纪80年代, Davy甲烷化技术转向煤制合成天然气领域, 并研制成功渣气化炉、CRG催化剂等工艺。
Davy甲烷化技术做大的特点是反应稳定, 在反应中采用的是CRG高镍催化剂, 最佳活性温度为300-600摄氏度, 反应跨度很大。总体而言, 英国Davy甲烷化技术采取中压合成条件 (1-6MPa) , 可以实现完全甲烷化、不需要调节氧气和氢气的比例、催化剂稳定等优点。
3.2 鲁奇甲烷化工艺特点
德国鲁奇公司是世界上第一家以煤炭为原料进行合成气 (SNG) 工艺研发的企业, 该装置有三个固定床反应器组成, 其中两个用来实现高温反应, 第三个用来实现CO和CH4的转化, 也被称为“大量甲烷反应器”;两个高温反应器的应用是不断循环的, 为大量甲烷反应提供必要的原料, 保障整个工艺的完整性、连续性。
3.3 TREMP甲烷化技术特点
TREMP技术特点简单地说包括两个方面:第一, 热回收率高。TREMP技术采用的是MCR-2X催化剂类型, 可以有效加速甲烷化反应速度, 提高热回收率, 大约84.4%的高压蒸汽能量得到回收;第二, 催化剂的活性优越。TREMP催化剂系列在700摄氏度的情况下依然可以保持较高的活性, 对减少气体循环、降低压缩机功率、节约能源消耗等有重要的作用。
4 结语
随着我国经济的发展和城市化进程推进, 社会对能源的多样化需求日渐强烈, 天然气的应用范围也逐渐扩宽。积极发展煤制合成天然气技术, 可以有效地弥补我国能源结构的缺陷。同时, 在甲烷化合成技术方面, 除了引进、借鉴国外先进技术外, 还应该加快研发具有自主知识产权的技术, 推动国内煤化工产业的完善。
摘要：天然气是一种高效、优质、清洁的能源, 近年来随着我国城市化发展和环保政策的实施, 对天然气的消费量大幅度提升;但从实际角度出发, 我国的三大能源形势是“煤多、油缺、气少”, 自然界天然气的开采无法满足市场需求, 利用煤制合成天然气就成了重要的获取途径。从物理构成角度来说, 天然气是一种混合气体, 主要成分是甲烷, 因此, 甲烷合成技术是煤制合成天然气工艺中的重要组成部分。
关键词：煤制合成天然气,甲烷化合成技术,煤化产业,人工制气
参考文献
[1] 张晓.煤制天然气甲烷合成工艺对比和流程模拟[J].天津化工, 2014, 03:24-26.
[2] 周华群, 张谦温, 陈静, 张天釜.煤制合成天然气中甲烷化过程的分析与计算[J].石油化工, 2014, 05:498-504.