煤制天然气甲烷化技术研究

煤制天然气甲烷化技术研究

邓永斌

（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司025350）

摘要：煤制天然气技术实施过程中具有流程复杂、控制难度大的特征，同时其中对于温度的掌控要求很高。其中，甲烷化技术在煤制天然气中最为关键。结合煤制天然气甲烷化技术的基本定义与特征，首先分析了我国煤制天然气甲烷化技术的发展现状，其次对煤制天然气技术的实现流程进行了解析，并在最后对煤制天然气甲烷化反应技术的优化策略进行了探讨，希望可以进一步提升甲烷化反应技术在煤制天然气中的应用效果，促进行业的发展。

关键词：煤制天然气；甲烷化反应；技术研究

引言

我国是一个多煤少气的国家，由于煤炭资源十分丰富，所以利用煤制天然气的方式来补足能源方面的缺口就显得尤为关键。随着我国商品经济的快速发展，目前经济因素与环保因素都在很大程度上促进了煤炭行业的规范化，许多地区都出台了本地的行业标准与环保技术要求，这也使得煤制天然气的生产技术更加复杂，需要做好技术引导与创新，适应国家可持续发展的要求。为了进一步阐述煤制天然气甲烷化技术的应用优化策略，现就其基本特征介绍如下。

一、煤气甲烷化技术概述

煤制天然气甲烷化是一种通过将二氧化碳、硫化氢脱除后剩余的部分气体中所含的氢气、一氧化碳及少量二氧化碳在镍催化剂的影响作用下形成甲烷的反应方式，该反应方式的基本原理就是通过甲烷较高的热值来为能源行业提供丰富的功能需求。在甲烷化的制作过程中，不同类型的热值产品能够适应不同的工业、生产与生活需要。其中甲烷化后的气体的热值往往可以达到原煤制气的2~3倍，资源的综合利用效率得到了显著的提升。其中，由于热值整体水平与天然气接近，甚至理化性质也几乎相同，所以可以与天然气进行混合使用，大大拓宽了技术应用的规模与范围。在煤制气甲烷化处理过程中，能够将煤制气体中的有毒物质转化为无毒物质，这样一来在燃烧过程中出现“煤气中毒”的类似问题的概率也会大大降低，通过将煤气的热值提升数倍，也可以在相对有限的城市管网运输环境中完成更高热值的传递与运输，相当于在一定程度上降低了输气的成本，减少了制气环节的理论压力，更是提升了产品的附加值，对于企业而言也可以获得更为丰厚的报酬。煤气甲烷化技术可以与常规天然气的理化性质十分接近，同时热值也可以调整到相同的水平，这样一来两者就可以充分混合后使用。相比于传统的纯天然气而言，煤制天然气具有原材料来源广、成本低的特征，所以实用性很强，国内大多数地区都可以采用。

二、我国煤制气甲烷化技术发展现状

煤制气甲烷化技术在我国已经有数年的应用历史，其中包括有大唐、苏新能源以及汇能等企业都采用了进口的技术，其中进口技术在市场中的占比也相对比较高。除此之外，国外的企业中许多也在进行煤制气甲烷化技术的研发，而国内的许多机构在催化剂、工艺方面取得了显著的研究成果，所以从全球范围上来看，中国煤制气甲烷化技术大有达到、赶超发达国家煤制气甲烷化技术的趋势。

所谓甲烷化反应，实际上就是将煤气中的氢气、一氧化碳转换为甲烷的过程，不但会放出大量的水，同时也会生成一定的热量。根据实验研究结果来看，甲烷化技术的技术水平将受到反应活性、催化剂的选择等多种因素的影响，而判断的主要标准就是工艺热量的附加值。

在国际化的过程中，大唐研究院研究的甲烷化技术取得了突破性的进展，该技术于2014年的1月份开始适用于工业生产当中，同年5月份，国际化技术研究院研制成功催化剂的多孔异型结构，该结构在很大程度上提升了催化剂的催化接触面积，进而提升了系统的催化效率与催化能力。借助于颗粒化处理、温度层控制处理，进一步提升了系统的综合应用率。

2013年，低碳清洁能源研究技术取得了突破性进展，研究所开发的酸性甲烷催化剂经过了实验测试，其寿命、应用稳定性都得到了验证，其中密云基地采用长时间稳定实验进行了测试，经过两个月的分析，对固定床反应器的应用情况进行了探讨，并提出了相应的优化解决方案。不久后，西南化工研究院通过技术开发的方式对甲烷化技术的流程装置进行了研发，并通过签订甲烷化技术合作协议对项目进行了寿命试验、测试，也取得了良好的测试结果，目前该技术在许多项目中得到了良好的应用。上海华西化工科技公司发布的消息中提到了公司开发的建设项目日处理量为20.4万，该技术采用了一段等温甲烷化处理技术，经过稳定性、寿命测试后通过考核评价验收。除此之外，国内的一些其他的研究机构、企业研究部门都在甲烷化技术的研发方面取得了不错的研究进展，这不但有效推进了我国煤制天然气甲烷化技术的应用水平，同样也在很大程度上解决了能源短缺、结构不合理的问题，为我国的社会主义工业化、现代化发展提供了新的思路与技术支持。

三、煤制天然气甲烷化技术流程

煤制天然气的技术实现方式多种多样，其中最为常用的就是煤气化、低温甲醇处理以及甲烷化等方面，其中整个工序中温度可能需要根据实际要求而不断的变换、调整。在甲烷化的反应过程中，温度需要根据生产负荷进行调整控制在一定的范围内，经过甲烷化反应，出气的温度会显著降低，而气体也会取得干燥分离的处理。经过数次干燥分离与系统压缩后，煤制天然气的反应基本完成，其经历多次加热降温后综合利用效率会显著增加，此时能源的获取率也会有所上升。

甲烷化催化剂活性组分为镍，各种有机硫、无机硫会使催化剂永久性中毒。根据催化剂床层温度变化趋势分析判断，有机硫超标（催化剂中毒）会造成催化剂活性下降，床层热点温度下移，使用周期大大缩短。为了保证催化剂的安全，通过分析脱硫槽进出口取样分析数据来确定更换脱硫剂、改变脱硫槽操作工况等控制措施，建立了与催化剂和产品质量相适应的氢气、一氧化碳模值比控制体系，保证了催化剂的安全运行，从而确保了全系统的稳定连续高负荷运行。在催化剂研发上，从实验室小试、工业侧线验证、中试放大到工业化生产，完成了甲烷化催化剂制备技术的开发工作，同等条件下的催化剂活性、甲烷选择性、稳定性和抗积碳性能均达到或超过进口催化剂水平。

四、煤制天然气甲烷化反应技术优化策略

1.耐硫一氧化碳与耐硫甲烷结合

在进行一氧化碳的转变时，为了提升转变效率，需要将氢碳比调整到一个合适的比例，此时反应的氢碳比会成为影响转换率的主要因素。在反应开始之初，氢气的总量相对比较低，所以导致甲烷化反应的速率也会比较慢，这样的情况下可以通过一氧化碳与水蒸气反应的方式来获取充分的氢气，然后在继续进行甲烷化反应，并做好二氧化的脱除工作，就能够有效提升正反应的反应效率并抑制副反应的发生率。在进行甲烷化催化剂的应用时，可以在不进行脱硫脱碳的基础上进行反应，这个时候需要在碳水含量达到一定的标准后再进行反应控制，其核心在于不断的反应过程中体积得到压缩，同时可以通过脱硫脱碳的方式对其进行控制，形成SNG。这样的技术流程不但能够简化生产流程，同样对于促进整个生产活动的效率与效果也具有一定的帮助。

2.低温甲醇清洗补给

生产环节中的粗煤气量的调整对于更好的完成氢碳比的控制十分重要，不过由于这种技术具有许多风险和问题，再加上控制起来难度较大，所以逐渐被遗弃。目前，最为常见的净化处理技术手段是采用低温甲醇对其进行清洗。通过低温甲醇来进行煤的处理，可以将主要的杂质二氧化碳去除，这得益于低温甲醇强大的二氧化碳吸收能力，这样在稳定的环境中也可以有效去除大量的二氧化碳气体。在生产过程中我们还会发现，低温甲醇对于二氧化碳尽管有一定的吸收能力，这种吸收能力却容易受到许多外界因素的影响和限制，同时其本身也存在一个重要的缺陷，那就是平衡浓度并不算太低，所以不可能彻底去除掉二氧化碳。目前，国内许多地区的煤制天然气的生产设备的整体生产水平不高，在原料气的处理中如果含有大量的二氧化碳气体随着一氧化碳进入到反应容器中，整个反应容器波动率就会比较大。在波动、氢气变化以及二氧化碳的含量调整过程中，会逐渐经历粗洗、副产品补充等环节，在这个过程中每一个步骤都可以去除一部分二氧化碳的气体体积，最终将其控制在一定的含量条件下，这个时候可以采取一些其他技术方法来对甲烷化的过程中所需要的二氧化碳进行补充，这样就可以在合适的环境压力条件下生产出更多的氢气，随之而来的就是更多的甲烷产品。

3.清洁能源与甲烷化反应技术融合

煤制天然气技术的反应生产效率最关键的影响因素就是氢气，这是由于氢气在补给过程中往往处于缺乏的状态。在进行流程控制时，如果出现氢气缺乏严重的情况，可以根据实际情况来选择补充氢气还是进行脱硫处理，通过脱硫处理后可以有效促进氢气、一氧化碳的反应效率，这是由于硫化氢的生成率得到了控制，这样就不需要提供大量的氢气。除此之外，在煤炭资源的利用过程中，甲烷化补充氢气可能会带来负荷加重的情况，要想解决该问题，需要对负荷进行调整，根据实际生产需要来完善氢碳比，这样才能够获取最佳的经济效益。

随着清洁能源技术的不断发展，目前清洁能源与甲烷化反应技术的融合也逐渐成为行业发展的新趋势。其中，太阳能作为清洁能源的代表，其可以与甲烷化技术相互结合，通过太阳能技术获取的能源来参与到甲烷化的反应当中，不但可以提供化学反应所需要的能源，也可以利用太阳能获取的光能来调整产物的比例，从而使得整个反应向着正反应的方向倾斜，该技术融合方法能够取得良好的应用理论效果。但是，由于太阳能技术大多采用晶体硅来作为能源获取方式，其加工十分繁琐，所以成本相对较高，效率的稳定性不强，所以在实际的使用方面还具有一定的局限性，需要继续加强技术研发，稳定供需，从而使得整个研究工作能够取得进一步的成果，有效提升工艺技术水平。

总结

综上所述，煤制天然气甲烷反应技术的应用与推广对于整个行业的发展都具有重要的价值。立足于现状，首先分析了耐硫一氧化碳与耐硫甲烷结合的技术背景，其次对低温甲醇清洗二氧化碳的优化策略进行了讨论，并对清洁能源与甲烷化反应技术的融合途径进行了探讨，希望可以有效提升煤制天然气甲烷化反应技术的优化途径，通过技术发展与推广来提升甲烷化反应的效率，降低反应控制成本，从而为企业的发展创造良好的条件。

参考文献：

[1]王亚龙.煤制天然气甲烷化催化剂的开发及应用现状[J].煤炭加工与综合利用，2018（10）：7-11+42.

[2]李会，杨超.煤制天然气工艺中无循环甲烷化技术的研究[J].山东化工，2018，47（17）：144-145+154.

[3]覃军，邢承治.煤制天然气调峰方式探讨[J].煤化工，2018，46（04）：16-19.

[4]安文忠，田普州，齐凯.中国煤制天然气产业现状、发展机遇与挑战[J].煤化工，2018，46（03）：7-11+44.

[5]牛宝玉，梁进仓，王希奋.煤制天然气干燥后水露点高的原因分析及应对措施[J].中氮肥，2018（03）：73-76.

[6]郭建民，李永亭.煤制天然气低温甲醇洗工艺改进与优化探讨[J].煤化工，2018，46（02）：10-12+16.

[7]何良波，姜丽娜.基于甲烷化反应原理与特点的煤制天然气技术链优化构想[J].化工设计通讯，2018，44（03）：16.

[8]雪小峰，田秀山，刘岗.大型煤制天然气项目试运行中存在的问题及应对措施[J].煤炭与化工，2018，41（01）：148-150.