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煤制天然气气化技术选择

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1煤制替代天然气的主要工艺过程

煤制替代天然气由以下４个主要工艺过程构成：（１）煤气化；（２）空分制氧；（３）粗煤气净化；（４）甲烷

化。煤制替代天然气有粗煤气间接甲烷化和直接甲

烷化两种工艺流程，如图１所示。

2煤气甲烷化技术现状与评述

2.1煤气甲烷化技术开发及现状

煤气甲烷化技术发展可以追溯到２０世纪７０年

代，由于石油危机使得当时的美、英等国开始了替代

能源的应用研究，包括煤制高热值城市煤气和替代天

然气的技术研发。ＨＩＣＯＭ技术就是英国燃气公司在２０世纪８０年代初提出来的，而美国１９８４年利用鲁奇气

化技术在北他州建设了第一座大型工业化替代天然

气（ＳＮＧ）工厂。近年来，煤制替代天然气的技术又重新在美国升

温，并有多项大型ＳＮＧ项目进入实施或合同谈判阶

段。而拥有甲烷化和ＳＮＧ技术的国外工程公司主要有

英国的戴维公司和丹麦的托普索公司。我国自２０世纪８０年代，包括中科院大连化物所

和西北化工研究院等单位也开始了煤气甲烷化的研

究，并取得了中试成果和小规模的工业应用。其中，中

国科学院大连化学物理研究所开发的常压水煤气部

分甲烷化生产城镇煤气新技术，以常压水煤气为原

料，经过净化和甲烷化直接得到１４６３０Ｊ／ｍ３合格的城

市煤气。该技术于１９８７年７月通过了由中国科学院

主持的专家鉴定，并由国家计委确定分别在上海市青

浦县和辽宁省瓦房店市建设规模为日产３万ｍ３~４万ｍ３管道煤气示范厂。其中青浦县甲烷化煤气工程于１９９０年１０月一次开车成功，连续运行一年以后，于１９９１年９月通过了由国家计委和中国科学院联合主

持的示范工程技术鉴定。其后在北京阳坊、辽宁瓦房

店化肥厂、辽宁瓦房店轴承厂、湖北二汽十堰、湖北襄

樊、福建三明、山东枣庄、山东泰安、江苏仪征等建立

了１０个煤气厂，并于１９９７年先后开工。近年来又将

水煤气甲烷化扩展为加压煤气甲烷化、弛放气甲烷化

（ＣＯ２甲烷化）。而西北化工研究院从２０世纪８０年代开展了城

市煤气甲烷化催化剂的研究，于１９８７年完成了耐硫

甲烷化催化剂立升级试验运行，通过了城建部的技术

鉴定。并于１９８８年完成了规模为１２００ｍ３／ｄ

的耐高温煤制天然气气化技术选择

田基本

（华陆工程科技有限责任公司，西安710054）

摘要介绍了煤制天然气的主要工艺过程及煤气甲烷化技术现状。以褐煤为原料生产替代天然气，对ＧＳＰ、Ｓｈｅｌｌ、ＢＧＬ、Ｌｕｒｇｉ４种煤气化技术进行了主要技术经济指标分析对比，认为对于煤制天然气来说，采用碎煤移动床气化优于气流床粉煤气化技术，综合指标以熔融排渣的ＢＧＬ技术性能最好。关键词煤制天然气煤气化甲烷化

文章编号：１００５－９５９８（２００９）－０５－０００８－０４中图分类号：ＴＱ５４文献标识码：Ａ

收稿日期：２００９－０６－１２作者简介：田基本（１９４３—），男，１９６５年毕业于天津大学，教授级高工，华陆工程有限公司原副总工程师

。第５期（总第１４４期）２００９年１０月煤化工CoalChemicalIndustryNo.5（TotalNo.144）Oct.2009空分

图1煤制替代天然气两种工艺流程示意图氧气

煤气化原料煤粗煤气净化合成气甲烷化ＳＮＧ

粗煤气

脱硫（变换+脱硫脱碳）

甲烷化ＳＮＧ脱碳

水蒸气（间接法）

（直接法）２００９年１０月

甲烷化催化剂及多段固定床甲烷化工艺中间试验，通

过了国家科委和化工部的技术鉴定。同时，采用该院

的甲烷化技术，建设了北京顺义１０万ｍ３／ｄ煤气甲烷

化项目；１９９８年~１９９９年由该院开发的ＪＲＥ型耐高温

煤气甲烷化催化剂在换热式工业甲烷化反应装置上

也获得成功应用。近几年，由于受国家实施能源多元化发展战略的

影响，国内也兴起了一股规划上煤制替代天然气项目

的热潮；其中，大唐国际在内蒙的煤制替代天然气项

目得到了国家发改委同意，正在积极实施之中。2.2甲烷化反应原理和工艺评述

（１）粗煤气间接甲烷化

第一步：粗煤气通过ＣＯ部分变换反应，得到Ｈ２／ＣＯ略大于３的合成气。ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２＋ＣＯ２（１）

第二步：合成气经过净化，即完全脱硫和脱除大

部分ＣＯ２后，（ＣＯ、ＣＯ２和Ｈ２）发生下面的甲烷化反应，

绝大部分ＣＯ和ＣＯ２转化成甲烷。ＣＯ＋３Ｈ２＝ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（ｇ）（２）

ＣＯ２＋４Ｈ２＝ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ（ｇ）（３）

反应（２）比反应（３）更容易进行，速度也更快。

（２）粗煤气直接甲烷化（ＨＩＣＯＭ工艺）

粗煤气在经过脱硫后不经变换，由煤气中的ＣＯ

直接在水蒸气存在下发生甲烷化，ＣＯ和水蒸气生成

甲烷的反应如下：４ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ＝ＣＨ４＋３ＣＯ２（ｇ）（４）

以上的反应，包括变换反应都是在催化剂存在下

进行的。直接甲烷化比起间接甲烷化工艺，因为少了

变换工序，能效率较高；由于热回收的设备少，投资相

对略低；但从流程复杂性看，差别不大，直接甲烷化工

艺尽管省了变换单元，但甲烷化前必须脱硫，甲烷化

后还要脱除ＣＯ２；如从技术成熟性上看，间接甲烷化跟

合成氨和制氢所用的甲烷化工艺原理一样，因而优于

直接甲烷化。所以，究竟采用何种甲烷化工艺，要看专

利商的技术方案和报价等方面的因素。不管是那种工艺，甲烷化反应都是分子缩小的反

应，从热力学角度分析，增加反应压力有利于反应进

行；同样，由于是放热放应，及时移走热量有利于反应

进行。鉴于甲烷化反应是一个强放热反应，保持甲烷

化反应器床层的温度在允许的范围内是甲烷化工艺

过程能够持续稳定进行下去的关键。

3煤气化技术选择

3.1选择煤气化技术的几个要素（１）煤种适应性：各种煤气化技术对原料煤质都

有一定的要求，没有哪一种气化技术能对所有煤种都

是最好的气化技术。因而，要根据项目的原料煤条件，选用对路、适宜的煤气化技术。

（２）产品要求：不同的产品对煤气化有不同的要

求，如煤制气用于做合成氨，则粗煤气中含氮也是有

用的，故粉煤气化因有效气含量高占有一定优势；而

如煤制气用于做甲醇、二甲醚、合成油，氮是惰性组

分，粉煤气化的有效气含量高的优势会因此打折扣，使得粉煤气化和水煤浆气化在消耗指标上相差无几；如煤制气用于做合成天然气，则粗煤气里的甲烷和高

碳烃不仅是有效气成分，而且热值更高，还可以减少

甲烷化的负荷，因而，移动床气化应当作为首选。

（３）技术指标：包括有效气含量、氧耗与动力消

耗、冷煤气与热效率等项指标。（４）经济指标－投资：包括配套的空分、备煤、三

废治理等，湿法气流床气化因氧耗高配套空分投资

大，干法气流床即粉煤气化则备煤干燥投资大，移动

床废水处理投资大。消耗：原材料和公用工程的消耗，也包括配套设

施和下游工艺的消耗（变换和净化）。

（５）国产化水平：不仅影响到投资费用，还影响到

建设的进度。就国产化水平而言，移动床最高，尤其是

鲁奇气化装置可完全国产化，ＢＧＬ气化９５％以上也能

国产化，而就气流床气化来说，湿法又远高于干法粉

煤气化，国产化水平最低的数Ｓｈｅｌｌ粉煤气化。

（６）三废与治理：气流床气化不管是干法还是湿

法，三废少且易于处理，对环境友好；而移动床气化三

废问题较严重，尤其是鲁奇气化，不仅废水成分复杂

且量大，处理有一定难度，必须格外加以重视，使三废

治理达到环保的要求。3.2主要煤气化技术的比较

以下以褐煤为原料生产ＳＮＧ，对粉煤气化和移动

床气化技术进行对比，详见下页表１。表１中鲁奇气化的数据出自文献［１］，ＢＧＬ的数

据则参考了与专利商交流的数据。因数据出处不同以

及由于煤质的差别，表中的有些数据难免有偏差，仅

供参考。3.3气化炉和空分装置的配置

（１）生产能力：１０亿ｍ３ＳＮＧ

１０亿ｍ３替代天然气，按年运行８０００ｈ计算，折

小时ＳＮＧ产能１２５０００ｍ３／ｈ。

（２）按以下假设估算粗煤气需要量

（ａ）ＣＯ和Ｈ２按下述反应化学计量，４ｍｏｌ合成１ｍｏｌ田基本：煤制天然气气化技术选择９－－２００９年第５期煤化工

的甲烷，考虑反应转化率和溶解损失，乘以系数０．９９。ＣＯ＋３Ｈ２＝ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ

（ｂ）粗煤气中的甲烷和其他高碳烷烃在净化脱酸

性气时的损失按４％计。（３）气化炉和空分装置的配置

以褐煤为原料生产１２５０００ｍ３／ｈ替代天然气，同

样采用上述粉煤气化和碎煤移动床气化技术所需要

的气化炉和空分装置的配置，见表２。

表1以褐煤为原料生产SNG粉煤气流床气化和移动床气化技术对比气化技术气化压力／ＭＰａ

进料原料煤规格

参考煤种

有效气（Ｈ２＋ＣＯ＋ＣｍＨｎ）体积分数／％

粗煤气组成／％

有效气低热值／ｋＪ·ｍ－３有效气）粗煤气低热值（ｋＪ·ｍ－３粗煤气）需生产粗煤气（ｍ３／１ＭＷ）原料煤耗（ｋｇ／１ＭＷ煤气）收到基干燥无灰基氧耗（ｍ３／１ＭＷ煤气）气化蒸汽耗（ｋｇ／１ＭＷ煤气）

排渣

废水国产化水平相对投资比较ＧＳＰ３~４粒度＜０．２ｍｍ，水分＜１０％褐煤（德）Mar１１．６Ad９．６８８．８Ｈ２３２．５ＣＯ５６．２ＣＯ２６．７ＣＨ４０．１Ｃ２＋０Ｎ２４．１Ｈ２Ｓ０．４

２８６２．５×４．１８２５４１．９×４．１８３３８．６

２０３．２１６０．２１０８．５５０．８液态，渣中几乎不含碳少，易处理关键技术设备引进高Ｓｈｅｌｌ２~４粒度＜１００μｍ，水分＜２％（烟煤），６％（褐煤）褐煤Mad１２．８Aad３．１９１．７Ｈ２２７．７７ＣＯ６３．９４ＣＯ２４．７３ＣＨ４＜０．１Ｃ２＋０Ｎ２３．４９Ｈ２Ｓ０．０７

２８９３．８×４．１８２６５３．６×４．１８３２４．３

１７８．７１５０．３１０１．７副产蒸汽液态，渣中几乎不含碳少，易处理关键技术设备引进最高ＢＧＬ２~４粒度：５ｍｍ~５０ｍｍ制成型煤褐煤Mar３０Ad８９１．３Ｈ２２８．９ＣＯ５５．５ＣＯ２７．８ＣＨ４６．３Ｃ２＋０．６Ｎ２０．４Ｈ２Ｓ０．２

３３４２．４×４．１８３０５１．６×４．１８２８２．０

２４７．７１５３．５５０．７４８．９液态，渣中几乎不含碳较少，较难处理国产化率≥９５％最低Ｌｕｒｇｉ２~４粒度：５ｍｍ~５０ｍｍ不需要预干燥褐煤Mar１５~２０Aar１２~２８６６．１Ｈ２３８．３ＣＯ１４．５ＣＯ２３２．０ＣＨ４１２．５Ｃ２＋０．８Ｎ２１．５Ｈ２Ｓ０．２Ｏ２０．２３９６１．３×４．１８２６１８．４×４．１８３２８．７

２８５．９(平均值)１７８．６(平均值)４１．５３００．０干粉，灰渣残碳含量约５％多，难处理全部国产化低

表2以褐煤为原料生产125000m3/hSNG各种气化炉和空分装置配置

气化技术有效气量（Ｈ２＋ＣＯ＋ＣｍＨｎ）／ｍ３·ｈ－１粗煤气量／ｍ３·ｈ－１处理原料褐煤／ｔ·ｄ－１（灰和水质量分数为３８％）单炉处理原煤（收到基）／ｔ·ｄ－１气化炉配置／套氧气用量／ｍ３·ｈ－１空分配置／ｍ３·ｈ－１ＧＳＰ５０５０５０５６８７５１１０４２０２０８４５开１备１８２３２３６６０００×３Ｓｈｅｌｌ５０５０５０５５０７６４９８７３１９７５５开１备１７２７２７６３０００×３ＢＧＬ４１５８４７４５５４７３９５７０１３６７７开２备８１７１６４５０００×２Ｌｕｒｇｉ３２１４６１４８６３２５１０１８８８４９１２开３备（３．８ｍ）６１０８３３４０００×２１０－－

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不能不知道的煤气化技术选择依据和适应煤种情况

不能不知道的煤气化技术选择依据和适应煤种情况

不能不知道的煤气化技术选择依据和适应煤种情况

在众多的煤炭利用技术中，煤气化是煤炭能源转化的基础技术，也是煤化工发展中最重要、最关键的工艺过程之一。如何选择煤气化技术，主要的依据以及误区有哪些，小七在这里进行了整理。

煤气化工艺有几十种，若按煤气化炉的炉型分类，大致有三类：固定床气化工艺；流化床气化工艺；气流床气化工艺。气流床煤气化技术又分为湿法气化和干法气化两种。

就以近年比较热门的加压、气流床粉煤气化技术来说：水煤浆进料的有国外有德士古、E-Gas 等，国内有华东理工大学的多喷嘴、西北院的多元料浆等；干煤粉进料的：国外有Shell、普兰福 (Prenflo)、GSP等，国内有西北热工院的两段进料干煤粉气化炉、航天工业的HT-L航天炉、华东理工大学的SE-东方炉等。

各类气化炉技术信息请从化工707手机APP端查看相关电子书。

煤气化技术的指标因素

某种煤气化技术的热能转换效率、技术的可靠性、可利用率、对环境污染的情况、煤种的适用范围、各项消耗指标的高低、投资、运行、维修费用的多少等，尤其是实际效果，都是对某一种气化技术客观标准条件。

煤气化工艺指标

煤气化技术的工艺指标是评价煤气化技术好坏的一个重要方面，只有指标优良的煤气化技术才能给企业带来良好的经济效益，并且节能环保。通常选择合适的煤气化技术依据得主要工艺指标包括：产气率、有效气含量及组成、碳转化率、冷煤气效率、比氧耗、比煤耗等。

产气率

产气率是指气化单位重量的原料所得到煤气的体积数(在标准状态下),通常以m3/kg表示。

有效气含量及组成

煤气中的主要成分是CO和H2,生成粗煤气中有效气含量是指粗煤气中(CO+H2)的量。

碳转化率

碳转化率是指在气化过程中消耗的(参与反应的)总碳量占入炉原料煤中碳量的百分数。

如灰渣中含碳高、飞灰和焦油多,则碳的转化率就低。

冷煤气效率

冷煤气效率是衡量煤炭气化过程能量合理利用的重要指标。

【技术】煤制天然气四种气化技术选型探讨

【技术】煤制天然气四种气化技术选型探讨

【技术】煤制天然气四种气化技术选型探讨

以煤为原料生产化工产品的煤气化技术很多，按照气固相之间相接触的方式不同，可将煤气化工艺分为三类，分别有固定床气化、气流床气化和流化床气化工艺。自20世纪50年代加压煤气化技术实现工业化以来，随着科技的发展，煤气化技术也日趋先进和成熟。目前已成功开发了煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、污染少的多种新一代煤气化工艺。

煤气化技术的选择，必须根据项目所在地的原料特性、技术风险、投资、能耗进行综合比较，通过企业自己的实力与产品定位，通盘考虑、审慎决策。总之，没有最好的气化方案，只有最适合的气化方案。选择成熟、合理的气化方案必将产生更大的经济、环保与节能减排效益。本文选取具有代表性的、工艺成熟、应用广泛的气流床和固定床气化技术：Shell方案、提质+E-gas方案、碎煤加压气化方案以及碎煤熔渣加压气化（BGL）方案，重点从原料适应性、气化规模、技术可靠性、投资及能耗方面进行分析论证，选择合适的煤气化技术方案，以提高项目的技术可靠性、经济性，降低投资风险。

1原料煤适应性比较

不同的煤气化工艺要求有不同煤种特性。项目拟使用的煤种性质见下表。

不同煤种有不同的适应工艺。从上表可以看出，原料煤全水和内水含量较高，煤种特性为灰分适中（空气干燥基灰含量为15.36%，质量分数）、灰熔点较低（流动温度1220℃）。

①Shell气化方案对煤质的适应性较广，本项目的灰含量为15.36%，对采用膜式水冷壁的气化炉来说较为有利。

②E-gas水煤浆气化要求原煤成浆性指标D≤10，根据煤炭成浆性计算得到其收到基原煤成浆性指标，属于较难成浆的煤种。如采用水煤浆气化，可先对原料煤进行提质干燥，得到的半焦产品制得水煤浆的浓度为63%。

③碎煤加压气化供煤条件较苛刻，要求块煤以5～50mm的粒度进料，一般要求热稳定性≥70%，黏结指数≤4。

综上所述，从各气化工艺的要求的煤质来看，除了E-GAS水煤浆气化须采用褐煤提质满足成浆性要求，其他气化工艺均适应该煤种。

国内外煤气化技术概述

国内外煤气化技术概述

国内外煤气化技术概述

煤气化技术的研发已有200多年的历史，根据气化炉所使用的煤颗粒大小和颗粒在气化炉内的流动状态，气化炉总体上分为三类，即以鲁奇为代表的固定床气化炉、以U—Gas、灰熔聚为代表的流化床气化炉和以德士古、壳牌为代表的气流床气化炉。

1．1 鲁奇固定床气化技术

鲁奇固定床气化技术产生于20世纪40年代，由鲁奇公司开发。鲁奇炉以8～50mm粒度、活性好、不黏结的无烟煤、烟煤或褐煤为原料，煤从气化炉的项部加入，而气化剂从炉子的下部供入，因而气固间为逆向流动，随着反应的进行，煤在气化炉内缓慢移动。鲁奇固定床气化的压力可达3．0MPa，气化温度为900～1050℃，单炉投煤量一般为1000ffd(最大可达1920ffd)，采用固态排渣方式。典型的鲁奇固定床气化炉对燃料的要求比较高，尤其不宜使用焦结性煤。由于气化温度较低，产生的煤气中不可避免的含有大量的沥青、焦油，因此需要对粗煤气进行分离净化。为简化复杂的粗煤气净化流程，提高气化效率，英国煤气公司在固作态排渣鲁奇炉的基础上，进一步提高了气化温度，以强化气化过程，发展成液态排渣鲁奇炉⋯。鲁奇气化炉起初主要用于生产城市煤气，后发展到生产合成油、氨、甲醇等，以及燃气。我国云南解化集团等许多单位采用该技术用于合成氨。由于鲁奇气化炉生产合成气时，气体成分中甲烷含量高(8～10％)，且含焦油、酚等物质，气化炉后需要设置废水处理及回收、甲烷分离转化装置，用于生产合成气生产流程长、投资大，因此单纯生产合成气较少采用鲁奇气化炉。

1．2 GSP气流床气化技术

GSP工艺技术由前民主德国的德意志燃料研究所开发，始于20世纪70年代末。GSP气化炉由烧嘴、冷壁气化室和激冷室组成。烧嘴为内冷多通道的多用途烧嘴，冷却水分别在物料的内中、中外层之间和外层之外，冷却方式比较均匀，可以使烧嘴温度保持在较低水平。固体气化原料被碾磨为不大于0．5mm的粒度后，经过干燥，通过浓相气流输入系统送至烧嘴。气化原料与气化剂经烧嘴同时喷入气化炉内的反应室，在高温(1400-1600℃)、高压(2．5～4．0MPa)下发生快速气化反应，产生热粗煤气。高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室，被喷射的高压激冷水冷却，液态渣在激冷室底部水浴中成为颗粒状，定期的从排渣锁斗中排入渣池，并通过捞渣机装车运出。从激冷室出来的达到饱和的粗合成气经两级文氏管洗涤后，使含尘量达到要求后送出界区。GSP气化工艺能获得较高的碳转化率，气化炉操作弹性大、负荷可灵活调节。

煤气化技术简介

煤气化技术简介

煤气化技术简介

我国是富煤炭、缺油气、可再生能源总量有限的国家，在我国的煤炭储量中劣质煤占总储量的80%以上。近些年，煤化工在全球范围内得到了迅速发展；生产合成气的原料主要有煤、石油焦、石油和天然气，但石油焦、石油和天然气在当地无资源，相比较而言，煤炭资源丰富，对于我国这样一个煤炭资源相对丰富的国家，煤化工在我国化学工业中将占有越来越重要的地位。煤气化生产的合成气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气等多种产品的原料，煤气化工艺技术的进步带动着煤化工技术的整体发展，可以保证以煤为原料生产合成气制作下游产品的可靠性和稳定性。

煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤气化是煤化工的“龙头”，也是煤化工的基础。煤气化工艺是生产合成气产品的主要途径之一，通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气，同时副产蒸汽、焦油、灰渣等副产品。

一、 煤气化技术分类及概况

目前以煤为原料生产合成气的煤气化技术按照气化炉内物料流动方式来划分，主要有三大类：固定床（或称为移动床）、流化床和气流床。其中具有代表性的煤气化技术如下：

各种气化技术已经发展多年，但在目前的情况下，并没有一种气化技术可以适用于所有的工程项目。气化技术的选择要综合从原料煤种、装置规模、产品方案、业主的详细要求，从整个工厂的角度具体分析确定气化方法。

固定床气化的煤质适应范围较广，除黏结性较强的烟煤、热稳定性差的煤以及灰熔点很低的煤外，从褐煤到无烟煤均可气化。固定床气化的缺点是单炉产气量略小，反应温度较低，蒸汽的分解率低，气化装置需要大量的蒸汽。气化装置所产生的废水中还含有大量的酚、氨、焦油，污水处理工序流程长，投资高大。由于出气化炉的煤气中的甲烷含量较高，对于煤制城市煤气或天然气项目，有较高的优势。碎煤固定层加压气化采用的原料煤粒度为6～50mm，气化剂采用水蒸汽与纯氧作为气化剂。该技术氧耗量较低，原料适应性广，可以气化变质程度较低的煤种（如褐煤、泥煤等），得到各种有价值的焦油、轻质油及粗酚等多种副产品。该技术的典型代表是鲁奇加压气化技术和BGL碎煤熔渣气化技术。