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)各個煤制替代/合成天然氣技術(shù)的不同工藝技術(shù)特點以及各個工藝條件和相應(yīng)的反應(yīng)器和催化劑的使用等進行介紹。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前的能源壓力問題，還能實現(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/合成天然氣時可以實現(xiàn)對后續(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)在保護環(huán)境方面也有較高的使用優(yōu)勢。[3]氣體的甲烷化是一種強放熱反應(yīng)，第一步的反應(yīng)需要在高溫下實施，在反應(yīng)的過程中做好溫度的控制，并使得反應(yīng)的速度達到標準。而第二步的低溫反應(yīng)則可以使一氧化碳氣體轉(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)的熱量則需要實施分步反應(yīng)，并對原料氣進行稀釋。流化床反應(yīng)器的傳熱效率相對較高，因此整個反應(yīng)器中的整體溫度的控制相對較為簡便。

（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工藝流程的要求較多，所以投資的成本相對較大。綜合多種功能和優(yōu)勢為一體的耐硫甲烷催化劑可以使得粗煤氣實現(xiàn)甲烷化，因此對于整個工藝的要求也相對較低，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)展的時間較久，且工藝相對較為成熟。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，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，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)器保證整個反應(yīng)過程中的甲烷濃度達到標準。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)境下進行，且反應(yīng)的條件也較為便捷。經(jīng)過大量的實踐分析可以了解到，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。整個反應(yīng)的溫度嚴格控制在700到750攝氏度，壓力值為3.5兆帕。反應(yīng)中會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氣體和氫氣的混合物經(jīng)過預(yù)先的熱處理之后會重新流通到氣化反應(yīng)容器中，并和水蒸氣一起當作反應(yīng)中的氣化劑進行使用。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現(xiàn)煤氣化的催化效果，還可以實現(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反應(yīng)容器中進行。但是，每一個反應(yīng)的優(yōu)化條件相差較多，所以各個反應(yīng)在耦合的過程中并不能夠在各自比較適合的反應(yīng)下實施。此外，還該反應(yīng)還受到熱力學(xué)和動力學(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)上實現(xiàn)了反應(yīng)的集成，導(dǎo)致整個反應(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)濟社會的長久發(fā)展。所以，我們需要對制備煤制替代/合成天然氣的各種工藝流程進行研究和探討，并尋找其中的工藝技術(shù)突破點。在保證煤制替代/合成天然氣制備系統(tǒng)的高效率同時減少制備煤制替代/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，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：

[1]王光永，徐紹平.煤制替代/合成天然氣技術(shù)的研究進展[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].上海化工，2010， 35（9）：25-28.