合成天然气液化技术及其影响因素分析

合成天然气(synthetic natural gas,SNG)是指根据甲烷化反应原理,利用相应的设备将含碳资源(包括煤制合成气和焦炉煤气)转化为甲烷的技术。

近年来,我国对天然气的消费需求正在不断增长。从我国能源资源存储情况来看,通过煤炭气化将部分煤炭转化成天然气加以利用是一项重要的战略选择。尤其是将一些低热值褐煤、禁采的高硫煤或地处偏远地区运输成本高的煤炭资源就地转化成天然气加以利用,将是一条很好的煤炭利用途径。

我国基础能源格局的特点是“富煤贫油少气”,长期以来,煤炭在我国能源结构中一直占有绝对主导地位,在我国一次能源的生产和消费总量中占有率分别为76%和69%^[95]。随着我国国民经济的快速发展,对能源的需求量将不断提高,而我国“富煤贫油少气”的能源结构特点决定了煤炭资源将在未来很长一段时期内继续作为能源主体被开发和利用。然而,煤炭中含有的硫、氯、氮等有害物质在直接燃烧后被排放到环境中,会引起严重的环境污染。有关资料表明,以煤为主的能源结构是形成以城市为中心的大气污染的重要原因,排入大气中90%的SO₂、70%的烟尘、85%的CO₂来自于燃煤。目前,我国已成为世界上环境污染最严重的国家之一,这不仅严重地威胁到我国的生态环境,同时也会造成极大的经济损失。从长远的发展观点来看,我国以煤为主的能源消费结构正面临着严峻挑战,如何解决燃煤引起的环境污染问题已迫在眉睫,煤炭工业走可持续发展道路势在必行。我国快速增长的能源和原材料需求,特殊的能源结构,以及经济与环境的可持续发展,都需要大力发展煤炭的有序、清洁和高效利用,其中发展新型煤化工产业是煤炭清洁利用过程中的重要方面,同时也是我国提高煤炭利用率、减少污染的发展方向。

在各种煤炭利用技术,特别是清洁利用技术中,煤制天然气虽然在技术及全生命周期的碳排放上尚有不足之处^[96-98],但也具有很多独到的优势^[99,100]。煤制天然气与煤制甲醇、煤制二甲醚及煤制油技术的对比数据见表9-4。在这四种技术中,煤制天然气能量效率最高,耗水量和CO₂排放量均较低,是煤制能源产品有效的利用方式。

表9-4 几种煤炭利用技术工艺指标^[101,102]

①采用Lurgi气化技术;②采用水煤浆气化技术。(www.xing528.com)

煤制天然气是指将煤气化产生的合成气通过甲烷化制成合成天然气。经过干燥脱水后的主要组成是CH₄和CO₂,以及少量的H₂、CO和N₂,见表9-5。各工艺产品含氢量为0.7%～17.5%。其中得到商业化应用的Lurgi和TREMP工艺生产的SNG含氢量分别为0.9%和3.2%;而后三种工艺的产品含氢量均大于10%,但这三种工艺均未得到工业化应用。TREMP工艺因中间气中含4.4%的N₂,因此其产品含氮量较高。各工艺产品的CO、C₂⁺含量等均相差不大。

表9-5 各甲烷化工艺的产品组成^[103] (单位:%)

注:表中组分为除去水分与CO₂后的值。

焦炉煤气又称焦炉气,是指用几种烟煤配制成炼焦用煤,在炼焦炉中经过高温干馏后,在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体,是炼焦工业的副产品。焦炉煤气的主要成分为氢气和甲烷。我国每年有大量的焦炉煤气直接排放燃烧,经济损失达数百亿元^[104]。由于国家节能减排的政策,焦炉煤气的综合利用受到了越来越多的关注。在焦炉煤气的各种利用方式中^[105],对于焦炉煤气产量小的中、小型焦化企业,不适合生产甲醇。为此,王清涛等^[106-108]多人都提出了利用焦炉煤气甲烷化合成天然气的工艺。可见,煤制天然气和焦炉煤气的组分与常规天然气有所区别,特别是含有氢气,都属于含氢甲烷气。对这种含氢甲烷气进行液化,必须考虑含氢量的影响。