煤制替代/合成天然氣技術(shù)的研究

劉文靜

摘要：本文主要分析了煤制替代/合成天然氣技術(shù)的流程工藝，其中主要包含煤制替代/合成天然氣技術(shù)的傳統(tǒng)兩步法、煤加氫氣化法、煤催化水蒸氣氣化法等。并根據(jù)各個(gè)煤制替代/合成天然氣技術(shù)的不同工藝技術(shù)特點(diǎn)以及各個(gè)工藝條件和相應(yīng)的反應(yīng)器和催化劑的使用等進(jìn)行介紹。分析使用不用的反應(yīng)器以及煤制替代/合成天然氣技術(shù)的工藝條件不同使用的基本選擇原則。

關(guān)鍵詞：甲烷化；煤制氣；甲烷化催化劑

一、前言

煤制替代/合成天然氣技術(shù)作為一種新型的能源發(fā)展模式，其不單單可以解決我國當(dāng)前的能源壓力問題，還能實(shí)現(xiàn)煤炭資源制品的合理應(yīng)用，煤制替代/合成天然氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在我國很多煤炭資源豐富但是水資源極度匱乏的地區(qū)表現(xiàn)的極為突出。[1]

二、傳統(tǒng)兩步法制備煤制替代/合成天然氣

（一）傳統(tǒng)兩步法的工藝條件分析

傳統(tǒng)兩步法的多種工藝中比較突出的是典型的 氣化工藝，這種典型的工藝需要的投資成本往往較低，且反應(yīng)中所生產(chǎn)的煤制替代/合成天然氣時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)反應(yīng)規(guī)模的有效控制，并減少反應(yīng)工藝中的消耗。該反應(yīng)中往往使用褐煤作為反應(yīng)的主要原料，同時(shí)加入具有 含量的甲烷氣體，而粗煤氣中的氫氣和一氧化碳的含量比值在2左右。[2]為了有效的提高煤的使用效率，并起到降低反應(yīng)成本的作用，水煤漿以及干煤粉氣化技術(shù)在保護(hù)環(huán)境方面也有較高的使用優(yōu)勢(shì)。[3]氣體的甲烷化是一種強(qiáng)放熱反應(yīng)，第一步的反應(yīng)需要在高溫下實(shí)施，在反應(yīng)的過程中做好溫度的控制，并使得反應(yīng)的速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而第二步的低溫反應(yīng)則可以使一氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化成為甲烷氣體。在反應(yīng)的過程中輔助蒸汽的加入可以改善合成氣體的組成。甲烷化工藝的主要差別在于反應(yīng)中的溫度控制方式的差異性。

（二）反應(yīng)器

在制備煤制替代/合成天然氣的反應(yīng)過程中所使用的反應(yīng)容器有固定床絕熱反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、三相流化床或漿態(tài)床反應(yīng)器等。其中固定床絕熱反應(yīng)器在使用的過程中為了使得甲烷化的溫度得到有效控制，并充分的利用反應(yīng)的熱量則需要實(shí)施分步反應(yīng)，并對(duì)原料氣進(jìn)行稀釋。流化床反應(yīng)器的傳熱效率相對(duì)較高，因此整個(gè)反應(yīng)器中的整體溫度的控制相對(duì)較為簡(jiǎn)便。

（三）催化劑

現(xiàn)在比較成熟的甲烷化工藝中大范圍的應(yīng)用非耐硫甲烷催化劑。而鎳系的催化劑往往對(duì)工藝流程的要求較多，所以投資的成本相對(duì)較大。綜合多種功能和優(yōu)勢(shì)為一體的耐硫甲烷催化劑可以使得粗煤氣實(shí)現(xiàn)甲烷化，因此對(duì)于整個(gè)工藝的要求也相對(duì)較低，是一種應(yīng)用十分廣泛的催化劑。

三、煤加氫氣法制備煤制替代/合成天然氣

傳統(tǒng)的兩步來紙杯煤制替代/合成天然氣雖然發(fā)展的時(shí)間較久，且工藝相對(duì)較為成熟。為了解決傳統(tǒng)兩步法所面臨的問題，所以開發(fā)了煤加氫氣法來進(jìn)行煤制替代/合成天然氣的制備。利用煤加氫氣法來紙杯煤制替代/合成天然氣時(shí)，首先需要把煤炭制成煤粉，然后把粉狀的煤和氫氣一起通入到氣化爐子內(nèi)部。然后在煤氣化的階段和活性炭進(jìn)行反應(yīng)，最終得到甲烷氣。煤加氫氣法制備煤制替代/合成天然氣時(shí)，氫氣可以在汽化爐的半焦化過程中產(chǎn)生。利用供氧燃燒的作用使得原料處于預(yù)熱狀態(tài)，輔助內(nèi)部含有高壓的反應(yīng)器保證整個(gè)反應(yīng)過程中的甲烷濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。利用煤加氫氣法中的技術(shù)工藝主要有流化床工藝以及氣流床工藝。

四、煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣

與煤加氫氣法相互比較，煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣可以在溫度較為溫和的環(huán)境下進(jìn)行，且反應(yīng)的條件也較為便捷。經(jīng)過大量的實(shí)踐分析可以了解到，催化水蒸氣氣化反應(yīng)來制備煤制替代/合成天然氣中，反應(yīng)的熱效率比較高，且和氧氣水蒸氣氣化集成反應(yīng)相互比較，其制備的煤制替代/合成天然氣的效率高達(dá)70%以上。反應(yīng)的過程中并不需要額外的甲烷化反應(yīng)器，投資的效果也較低。整個(gè)過程中所使用的催化劑需要和最終的反應(yīng)灰渣相互分離，并實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。

（一）煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣的工藝條件以及反應(yīng)容器的選擇分析

美國的一家公司開發(fā)研制了 催化氣化工藝，這種工藝所使用的是比較常規(guī)的流化床反應(yīng)器。整個(gè)反應(yīng)的溫度嚴(yán)格控制在700到750攝氏度，壓力值為3.5兆帕。反應(yīng)中會(huì)在硫化床底部排除一定的半焦以及灰粉。生產(chǎn)出的氣體經(jīng)過除塵處理之后，脫去其中的酸性砌體，最終在低溫下精餾得到最終的產(chǎn)物煤制替代/合成天然氣。反應(yīng)過程中所分離出來的一氧化碳?xì)怏w和氫氣的混合物經(jīng)過預(yù)先的熱處理之后會(huì)重新流通到氣化反應(yīng)容器中，并和水蒸氣一起當(dāng)作反應(yīng)中的氣化劑進(jìn)行使用。煤礦物質(zhì)中所含有的粘土?xí)外淃}催化劑發(fā)生反應(yīng)最終生產(chǎn)硅酸鋁鉀。而生成的硅酸鋁鉀和催化劑相互作用，影響催化劑活性。

（二）煤催化水蒸氣氣化法制備煤制替代/合成天然氣的工藝的催化劑使用

使用該種辦法制備煤制替代/合成天然氣所使用的催化劑堿金屬催化劑。比較常見的有氫氧化物、甲酸鹽以及重碳酸鹽等等。催化劑的作用機(jī)理是利用堿金屬鹽以及含有碳的固體化合物相互混合，最終經(jīng)過干燥處理后，在加熱情況下提高炭和堿金屬的活性物，進(jìn)而起到一定的催化效果。催化劑在反應(yīng)過程中不單單可以實(shí)現(xiàn)煤氣化的催化效果，還可以實(shí)現(xiàn)甲烷化的反應(yīng)。

五、解耦氣化集成甲烷化法制備煤制替代/合成天然氣

這種反應(yīng)辦法是把氣化過程、水煤氣的變化過程以及甲烷化過程集中在一個(gè)反應(yīng)容器中進(jìn)行。但是，每一個(gè)反應(yīng)的優(yōu)化條件相差較多，所以各個(gè)反應(yīng)在耦合的過程中并不能夠在各自比較適合的反應(yīng)下實(shí)施。此外，還該反應(yīng)還受到熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相互限制，最終導(dǎo)致煤炭的轉(zhuǎn)化效率較低，因此與規(guī)模相同的傳統(tǒng)兩步法相互比較，其產(chǎn)生的甲烷含量也比較少。由于解耦氣化集成甲烷化法制備煤制替代/合成天然氣工藝和傳統(tǒng)模式的氣化反應(yīng)相互比較，解耦氣化制備煤制替代/合成天然氣分離了某些反應(yīng)，給反應(yīng)提供了一定的優(yōu)化環(huán)境，并在優(yōu)化環(huán)境的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的集成，導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)效率大大提高。

六、結(jié)語

合理的使用煤制替代/合成天然氣的制備工藝可以使得我國的能源結(jié)構(gòu)得到改善，并保證我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的長(zhǎng)久發(fā)展。所以，我們需要對(duì)制備煤制替代/合成天然氣的各種工藝流程進(jìn)行研究和探討，并尋找其中的工藝技術(shù)突破點(diǎn)。在保證煤制替代/合成天然氣制備系統(tǒng)的高效率同時(shí)減少制備煤制替代/合成天然氣的制備成本，保障煤制替代/合成天然氣應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，借鑒國外制備煤制替代/合成天然氣的相關(guān)技術(shù)工藝，并實(shí)現(xiàn)我國煤制替代/合成天然氣制備技術(shù)的革新。

參考文獻(xiàn)：

[1]王光永，徐紹平.煤制替代/合成天然氣技術(shù)的研究進(jìn)展[J].石油化工，2016， 45（1）：1-9.

[2]李瑤，鄭化安，張生軍，付剛，趙鶴翔.煤制合成天然氣現(xiàn)狀與發(fā)展[J].潔凈煤技術(shù)，2013， 19（6）：62-66.

[3]藺華林，李克健，趙利軍.煤制合成天然氣現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].上?；?，2010， 35（9）：25-28.