杜 雄 偉

太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

0 引言

我國能源賦存的特點(diǎn)是“煤炭資源比油氣資源豐富”，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量的增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及消費(fèi)量的增速，供氣缺口逐年加大，天然氣對外依存度逐步攀升[1]。在焦?fàn)t煤氣的多種利用方式中，焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)天然氣技術(shù)備受關(guān)注。這主要是緣于通過該技術(shù)轉(zhuǎn)化得到的天然氣可以作為常規(guī)天然氣的重要補(bǔ)充，既能緩解國內(nèi)天然氣的供需矛盾，又能實(shí)現(xiàn)焦化行業(yè)副產(chǎn)物——焦?fàn)t煤氣的清潔高效利用，因此成為了一種競爭力較強(qiáng)的焦?fàn)t煤氣綜合利用新技術(shù)[2-3]。為此，筆者分析了國內(nèi)外焦?fàn)t煤氣制天然氣技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合山西華陽燃?xì)庥邢薰窘範(fàn)t煤氣制合成天然氣項(xiàng)目的運(yùn)行情況，探討了焦?fàn)t煤氣制合成天然氣項(xiàng)目長期穩(wěn)定運(yùn)行的條件，以期為推廣應(yīng)用該技術(shù)提供借鑒。

1 焦?fàn)t煤氣制備天然氣技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

焦?fàn)t煤氣甲烷化制備天然氣的工藝原理為焦?fàn)t煤氣通過凈化脫除苯、萘、硫化物等雜質(zhì)后，在催化劑作用下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，將CO、CO2與H2轉(zhuǎn)化成富甲烷氣，然后采用氣體分離技術(shù)將富甲烷氣中的H2分離出來，然后再經(jīng)過脫水干燥，制得CH4體積含量85%以上的合成天然氣（SNG）。SNG進(jìn)一步壓縮處理后得到壓縮天然氣（CNG），或者液化處理后得到液化天然氣（LNG）。

國外甲烷化工藝及甲烷化催化劑的研究可追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時主要用于脫除合成氣中少量殘留的碳氧化物(CO、CO2)，而真正發(fā)展時期是從20世紀(jì)70年代初開始[4]。國外從事甲烷化催化劑和工藝研究的單位很多，如美國煤氣化研究所、法國煤氣發(fā)展公司、德國Lurgi公司、英國DAVY公司和丹麥TOPSOE公司等，其中Lurgi公司、DAVY公司和TOPSOE公司的甲烷化技術(shù)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛[5]。該3家公司技術(shù)推廣的重點(diǎn)是大規(guī)模煤制天然氣項(xiàng)目，但其技術(shù)在焦?fàn)t煤氣制天然氣項(xiàng)目也同樣適用。目前，國內(nèi)焦?fàn)t煤氣制天然氣項(xiàng)目中引進(jìn)最多的是DAVY公司和TOPSOE公司的甲烷化技術(shù)[6]。

國內(nèi)從2006年開始，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國科學(xué)院大連化物所、西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司、太原理工大學(xué)、新奧集團(tuán)等十多家單位先后開展了焦?fàn)t煤氣制天然氣技術(shù)的研究試驗(yàn)，分別開發(fā)出了焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)、新型甲烷合成反應(yīng)器、甲烷合成催化劑、富甲烷產(chǎn)品氣分離提純及液化技術(shù)或者各具特色的焦?fàn)t煤氣制天然氣成套技術(shù)[6-8]。其中，以新奧集團(tuán)新地能源工程技術(shù)有限公司和西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司兩家的工藝技術(shù)商業(yè)化推廣最為成功[9-10]。

目前，國內(nèi)焦?fàn)t煤氣制天然氣項(xiàng)目中采用的工藝技術(shù)主要有甲烷化合成法和物理深冷分離法技術(shù)兩種。甲烷化合成工藝的技術(shù)提供單位主要有丹麥TOPSOE公司、新地能源工程技術(shù)有限公司、北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司、西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司等多家單位，掌握深冷分離技術(shù)的有遼寧中集哈深冷氣體液化設(shè)備有限公司、四川天一科技股份有限公司以及太原理工天成科技股份有限公司、中國科學(xué)院過程工程研究所等單位[11-12]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在山西、內(nèi)蒙、云南、河北、河南、山東等地已建成30多套焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目裝置，在建、擬建及規(guī)劃的項(xiàng)目則至少60項(xiàng)以上。2016—2018年建成投產(chǎn)的部分焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

2 山西華陽燃?xì)饨範(fàn)t煤氣制合成天然氣項(xiàng)目運(yùn)行情況

山西華陽燃?xì)庥邢薰?.7h108m3/a焦?fàn)t煤氣制合成天然氣項(xiàng)目（以下簡稱華陽燃?xì)忭?xiàng)目）是太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司為落實(shí)山西省資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，保障省城城市燃?xì)夥€(wěn)定供應(yīng)和環(huán)境改善，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)和社會和諧發(fā)展而投資建設(shè)的新型煤化工項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于山西省清徐經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)梗陽煤焦化工業(yè)園區(qū)內(nèi)，年產(chǎn)合成天然氣1.27h108m3，2015年9月開工建設(shè)，2016年6月底聯(lián)動投料試車，2016年9月17日產(chǎn)品SNG正式進(jìn)入太原市天然氣管網(wǎng)。

2.1 項(xiàng)目原料氣組成

華陽燃?xì)忭?xiàng)目原料氣焦?fàn)t煤氣由太原市梗陽實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司清徐焦化分公司（以下簡稱梗陽焦化）一分廠、二分廠供應(yīng)。由于氣源不同，原料氣成分也不同，原料氣組成及雜質(zhì)成分分別如表2、3所示。

2.2 項(xiàng)目工藝流程概述

華陽燃?xì)忭?xiàng)目以梗陽焦化提供的焦?fàn)t煤氣作為原料氣、商品二氧化碳作為補(bǔ)碳碳源，采用新奧集團(tuán)新地能源工程技術(shù)有限公司的焦?fàn)t煤氣補(bǔ)二氧化碳甲烷化技術(shù)，經(jīng)焦?fàn)t煤氣壓縮、凈化、甲烷化合成、膜分離及脫水等工藝過程得到SNG產(chǎn)品，再經(jīng)加壓輸送至太原市天然氣管網(wǎng)。該項(xiàng)目生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

表1 2016—2018年中國已建焦?fàn)t煤氣制備天然氣項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

表2 華陽燃?xì)忭?xiàng)目原料氣組成表

表3 華陽燃?xì)忭?xiàng)目原料氣雜質(zhì)成分表

如圖1所示，來自界外的焦?fàn)t煤氣經(jīng)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)壓縮并進(jìn)行粗凈化，脫除焦油和萘后送至凈化工序；在凈化工序，壓縮的焦?fàn)t煤氣與CO2混合后凈化進(jìn)一步脫硫，脫硫采用加氫轉(zhuǎn)化串干法脫硫工藝，將原料氣中總硫含量降到0.1 mg/m3以下，然后送至甲烷化工序；在甲烷化工序，焦?fàn)t煤氣中的CO、CO2與H2發(fā)生反應(yīng)生成CH4，反應(yīng)余熱利用廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽；甲烷化后的產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮，然后送至膜分離工序進(jìn)行產(chǎn)品提純，分離出含氫尾氣送至焦化廠回用，非滲透氣甲烷富集后進(jìn)入脫水裝置，脫水工藝采用分子篩脫水，脫水干燥后加臭送至外界天然氣管網(wǎng)。

圖1 華陽燃?xì)忭?xiàng)目工藝流程簡圖

2.3 項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行情況

該項(xiàng)目于2016年9月投產(chǎn)以來，受季節(jié)用戶的影響，非采暖季供氣量約為18h104m3/d。2016年11月以后，隨著太原市進(jìn)入采暖期，天然氣公司接收能力逐漸增加，通過調(diào)整原料氣負(fù)荷，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺壓縮機(jī)達(dá)滿負(fù)荷生產(chǎn)及項(xiàng)目連續(xù)穩(wěn)定供氣。目前，該項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，截至2019年9月30日累計(jì)外供合格天然氣2.095 8h108m3，產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣：GB 17820—2018》[13]二類要求（表4）。

表4 華陽燃?xì)忭?xiàng)目天然氣產(chǎn)品質(zhì)量表

2.4 項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2.4.1 原料氣的穩(wěn)定供應(yīng)

華陽燃?xì)忭?xiàng)目原料氣焦?fàn)t煤氣來源于焦化企業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣。隨著項(xiàng)目的運(yùn)行，原料氣的穩(wěn)定供應(yīng)問題已成為影響該項(xiàng)目能否滿負(fù)荷運(yùn)行的最大難題，尤其是近兩年國家焦化行業(yè)環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，在焦化企業(yè)限產(chǎn)期間該問題尤為突出。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于焦?fàn)t煤氣一半回用于焦?fàn)t自身加熱，只有另一半才能實(shí)現(xiàn)外供。若焦化企業(yè)大量減產(chǎn)后，焦?fàn)t自用氣量減少不多，但外供氣量則會大幅減少。因此，受鋼鐵及煤焦行業(yè)宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和國家環(huán)保政策的雙重影響，若上游鋼鐵企業(yè)減產(chǎn)或淘汰以及中游焦化企業(yè)因安全環(huán)保問題而限產(chǎn)或關(guān)停，將直接導(dǎo)致作為下游產(chǎn)業(yè)的本項(xiàng)目的正常運(yùn)行。此外，原料氣不能穩(wěn)定供應(yīng)還是造成國內(nèi)一些新建成的裝置未能及時投產(chǎn)、在建項(xiàng)目推進(jìn)緩慢或者部分已建裝置處于停工狀態(tài)的一個重要原因[14]。原料氣供應(yīng)困局的應(yīng)對之策在于構(gòu)建多元化的原料氣供應(yīng)體系，提高甲烷化裝置的原料適應(yīng)性。如可以將工業(yè)排放氣的富CO的蘭炭尾氣、轉(zhuǎn)爐氣、高爐氣、電石爐氣、黃磷尾氣、碳化硅爐氣等或富CO2的生物發(fā)酵尾氣、水泥窯尾氣、石灰窯尾氣、煙道氣、生物質(zhì)氣作為碳源氣源，氫氣氣源通過水煤氣變換反應(yīng)制氫或者生物質(zhì)氣化制氫或者外購氫氣解決。

2.4.2 產(chǎn)品方案的選擇

華陽燃?xì)忭?xiàng)目于2016年6月低投產(chǎn)后，一直到2016年的11月份采暖期前，受太原市天然氣管網(wǎng)接收能力影響，非采暖季供氣量僅為18h104m3/d，大部分產(chǎn)品只能放散，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目立項(xiàng)前，產(chǎn)品最終形式的選擇對項(xiàng)目的運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)近年來國內(nèi)已建焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目的不完全統(tǒng)計(jì)（表1），可明顯看出，大部分項(xiàng)目的天然氣產(chǎn)品形式為LNG。這主要是因?yàn)?，焦化行業(yè)屬于重污染工業(yè)，故大部分焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)離用氣負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，且不具備大型儲氣庫條件，而LNG生產(chǎn)與交付則具有較強(qiáng)的靈活性。同時，LNG作為一種液體，儲存和運(yùn)輸相對于氣體的SNG或CNG更方便，其氣化后可以轉(zhuǎn)化為比自身體積大百倍以上的天然氣，在一定程度上能夠滿足城鎮(zhèn)居民的燃?xì)夤?yīng)。因此，大多數(shù)焦?fàn)t煤氣甲烷化制天然氣項(xiàng)目產(chǎn)品形式選擇LNG也是一種客觀要求。此外，目前國內(nèi)天然氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)峰設(shè)施建設(shè)整體滯后，因此，在缺乏大型儲氣庫條件及天然氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)峰能力建設(shè)較為滯后的區(qū)域，規(guī)劃建設(shè)SNG項(xiàng)目配套LNG液化裝置也是實(shí)現(xiàn)儲氣調(diào)峰、應(yīng)急供應(yīng)目標(biāo)的有效措施[15-16]。

2.4.3 整體工藝技術(shù)方案協(xié)同性

目前焦?fàn)t煤氣制天然氣技術(shù)流程中，前端凈化以及后端液化過程技術(shù)都相對成熟。相對于大型煤制天然氣項(xiàng)目而言，焦?fàn)t煤氣制LNG規(guī)模較小，普遍認(rèn)為甲烷化過程較為容易，導(dǎo)致可供選擇的技術(shù)提供單位較多，市場環(huán)境混亂，技術(shù)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目建設(shè)單位選擇可靠的技術(shù)比較困難。根據(jù)市場調(diào)研，國內(nèi)已投產(chǎn)的部分焦?fàn)t煤氣制天然氣項(xiàng)目，在工藝流程、催化劑以及設(shè)備可靠性等方面頻頻出現(xiàn)問題。這些問題主要集中在催化劑失活（包括積炭和活性組分流失）、反應(yīng)塔發(fā)生爆炸以及壓縮機(jī)發(fā)生故障等方面[17]。實(shí)際上，焦?fàn)t煤氣本身成分很復(fù)雜，雜質(zhì)很多，特別是在進(jìn)入合成工序時，硫含量要凈化到0.1 mg/m3以下，過高會讓甲烷化流程中的催化劑失活。因此，焦?fàn)t煤氣制天然氣項(xiàng)目的運(yùn)行，必須注意將生產(chǎn)工藝與裝置設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和使用有機(jī)結(jié)合，才能有效地避免或解決生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題。同時，焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)天然氣是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過程中，必須兼顧各個工段的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)與控制，使得各個工段的工藝技術(shù)指標(biāo)完全無縫順暢對接才能保證項(xiàng)目的達(dá)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[18-19]。

2.4.4 持續(xù)的焦?fàn)t煤氣深度凈化新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

華陽燃?xì)忭?xiàng)目于2013年進(jìn)行可行性調(diào)研及初步設(shè)計(jì)，天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是按照GB 17820—2012[20]進(jìn)行項(xiàng)目工藝技術(shù)方案選擇及工藝控制參數(shù)設(shè)計(jì)，受項(xiàng)目建設(shè)周期的制約，本項(xiàng)目實(shí)際投產(chǎn)時間為2016年。但是，2014年國家啟動《天然氣》國家標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，并于2018年12月13日正式發(fā)布修訂后的新標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2018[13]。新版國家標(biāo)準(zhǔn)對天然氣產(chǎn)品氣的品質(zhì)有新要求，總硫指標(biāo)提升幅度顯著。同時新版《天然氣》國家標(biāo)準(zhǔn)附錄中還特別指出，今后燃?xì)饬蚝恐笜?biāo)的發(fā)展趨勢為——進(jìn)一步降低天然氣中總硫含量，中長期的目標(biāo)是將總硫控制為8 mg/m3。目前，為了延長催化劑壽命及控制天然氣中總硫含量，本項(xiàng)目在裝置中加裝了精脫硫塔，使總硫降至20 mg/m3以下。然而，在反應(yīng)裝置中加裝精脫硫塔無疑會增加工藝流程及運(yùn)行成本。因此，為了滿足新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2018[13]對總硫含量的要求以及今后國家對燃?xì)庵锌偭蚝康闹虚L期發(fā)展控制目標(biāo)，焦?fàn)t煤氣制天然氣生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)地推動有機(jī)硫深度脫除、總硫在線監(jiān)測等天然氣處理新技術(shù)的研究和應(yīng)用，加快天然氣處理裝置和工藝的技術(shù)改造以精簡工藝流程，在裝置提高安全環(huán)保的同時降低生產(chǎn)運(yùn)行成本才是項(xiàng)目長遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，我國正處于全面推進(jìn)能源革命戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵時期，作為典型的資源型經(jīng)濟(jì)省份，山西省正在深入貫徹習(xí)近平總書記視察山西時關(guān)于“爭當(dāng)全國能源革命排頭兵”的重要指示精神和《國務(wù)院關(guān)于支持山西省進(jìn)一步深化改革促進(jìn)資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的意見》（國發(fā)〔2017〕42號文）精神。焦?fàn)t煤氣補(bǔ)CO2制備天然氣技術(shù)，集節(jié)能減排和清潔能源開發(fā)工作于一體，不但能有效緩減國內(nèi)天然氣供需矛盾，有利于焦化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且能實(shí)現(xiàn)焦化行業(yè)副產(chǎn)物焦?fàn)t煤氣的清潔高效利用以及實(shí)現(xiàn)溫室氣體CO2的儲存和循環(huán)利用。華陽燃?xì)饨範(fàn)t煤氣制合成天然氣項(xiàng)目自投產(chǎn)以來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，多元化的原料氣供應(yīng)體系、產(chǎn)品方案的選擇、整體工藝技術(shù)方案協(xié)同性、持續(xù)的焦?fàn)t煤氣深度凈化新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是焦?fàn)t煤氣制備天然氣項(xiàng)目長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

致謝：本課題的研究得到了山西省科技廳煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目基金的支持，論文撰寫過程中，山西華陽燃?xì)庥邢薰纠钣懒?、郭志軍、甄小軍、張政宏、郭宏杰等采集提供了大量詳?shí)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，作者在此一并深表感謝！