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煤制替代/合成天然气技术的研究

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刘文静

摘要：本文主要分析了煤制替代/合成天然气技术的流程工艺，其中主要包含煤制替代/合成天然气技术的传统两步法、煤加氢气化法、煤催化水蒸气气化法等。并根据各个煤制替代/合成天然气技术的不同工艺技术特点以及各个工艺条件和相应的反应器和催化剂的使用等进行介绍。分析使用不用的反应器以及煤制替代/合成天然气技术的工艺条件不同使用的基本选择原则。

关键词：甲烷化；煤制气；甲烷化催化剂

一、前言

煤制替代/合成天然气技术作为一种新型的能源发展模式，其不单单可以解决我国当前的能源压力问题，还能实现煤炭资源制品的合理应用，煤制替代/合成天然气技术的优势在我国很多煤炭资源丰富但是水资源极度匮乏的地区表现的极为突出。[1]

二、传统两步法制备煤制替代/合成天然气

（一）传统两步法的工艺条件分析

传统两步法的多种工艺中比较突出的是典型的气化工艺，这种典型的工艺需要的投资成本往往较低，且反应中所生产的煤制替代/合成天然气时可以实现对后续反应规模的有效控制，并减少反应工艺中的消耗。该反应中往往使用褐煤作为反应的主要原料，同时加入具有含量的甲烷气体，而粗煤气中的氢气和一氧化碳的含量比值在2左右。[2]为了有效的提高煤的使用效率，并起到降低反应成本的作用，水煤浆以及干煤粉气化技术在保护环境方面也有较高的使用优势。[3]气体的甲烷化是一种强放热反应，第一步的反应需要在高温下实施，在反应的过程中做好温度的控制，并使得反应的速度达到标准。而第二步的低温反应则可以使一氧化碳气体转化成为甲烷气体。在反应的过程中辅助蒸汽的加入可以改善合成气体的组成。甲烷化工艺的主要差别在于反应中的温度控制方式的差异性。

（二）反应器

在制备煤制替代/合成天然气的反应过程中所使用的反应容器有固定床绝热反应器、流化床反应器、三相流化床或浆态床反应器等。其中固定床绝热反应器在使用的过程中为了使得甲烷化的温度得到有效控制，并充分的利用反应的热量则需要实施分步反应，并对原料气进行稀释。流化床反应器的传热效率相对较高，因此整个反应器中的整体温度的控制相对较为简便。

（三）催化剂

现在比较成熟的甲烷化工艺中大范围的应用非耐硫甲烷催化剂。而镍系的催化剂往往对工艺流程的要求较多，所以投资的成本相对较大。综合多种功能和优势为一体的耐硫甲烷催化剂可以使得粗煤气实现甲烷化，因此对于整个工艺的要求也相对较低，是一种应用十分广泛的催化剂。

三、煤加氢气法制备煤制替代/合成天然气

传统的两步来纸杯煤制替代/合成天然气虽然发展的时间较久，且工艺相对较为成熟。为了解决传统两步法所面临的问题，所以开发了煤加氢气法来进行煤制替代/合成天然气的制备。利用煤加氢气法来纸杯煤制替代/合成天然气时，首先需要把煤炭制成煤粉，然后把粉状的煤和氢气一起通入到气化炉子内部。然后在煤气化的阶段和活性炭进行反应，最终得到甲烷气。煤加氢气法制备煤制替代/合成天然气时，氢气可以在汽化炉的半焦化过程中产生。利用供氧燃烧的作用使得原料处于预热状态，辅助内部含有高压的反应器保证整个反应过程中的甲烷浓度达到标准。利用煤加氢气法中的技术工艺主要有流化床工艺以及气流床工艺。

四、煤催化水蒸气气化法制备煤制替代/合成天然气

与煤加氢气法相互比较，煤催化水蒸气气化法制备煤制替代/合成天然气可以在温度较为温和的环境下进行，且反应的条件也较为便捷。经过大量的实践分析可以了解到，催化水蒸气气化反应来制备煤制替代/合成天然气中，反应的热效率比较高，且和氧气水蒸气气化集成反应相互比较，其制备的煤制替代/合成天然气的效率高达70%以上。反应的过程中并不需要额外的甲烷化反应器，投资的效果也较低。整个过程中所使用的催化剂需要和最终的反应灰渣相互分离，并实现催化剂的回收再利用。

（一）煤催化水蒸气气化法制备煤制替代/合成天然气的工艺条件以及反应容器的选择分析

美国的一家公司开发研制了催化气化工艺，这种工艺所使用的是比较常规的流化床反应器。整个反应的温度严格控制在700到750摄氏度，压力值为3.5兆帕。反应中会在硫化床底部排除一定的半焦以及灰粉。生产出的气体经过除尘处理之后，脱去其中的酸性砌体，最终在低温下精馏得到最终的产物煤制替代/合成天然气。反应过程中所分离出来的一氧化碳气体和氢气的混合物经过预先的热处理之后会重新流通到气化反应容器中，并和水蒸气一起当作反应中的气化剂进行使用。煤矿物质中所含有的粘土会和钾盐催化剂发生反应最终生产硅酸铝钾。而生成的硅酸铝钾和催化剂相互作用，影响催化剂活性。

（二）煤催化水蒸气气化法制备煤制替代/合成天然气的工艺的催化剂使用

使用该种办法制备煤制替代/合成天然气所使用的催化剂碱金属催化剂。比较常见的有氢氧化物、甲酸盐以及重碳酸盐等等。催化剂的作用机理是利用碱金属盐以及含有碳的固体化