煤制合成天然气工艺中甲烷化合成技术

李兴忠（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 835000）

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。

[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.