我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析 (1)

·２８·中外能源ＳＩＮＯ—ＧＬＯＢＡＬＥＮＥＲＧＹ第１５卷第６期２０１０年６月

．．替代能源与新能源◆

摘要

关键词我国天然气供需现状及煤制天然气

工艺技术和经济性分析

付国忠。陈超

（液化空气工程咨询（上海）有限公司，上海２００２３３）

我国天然气消费市场持续增长，２００８年天然气消费量达８０７ｘ１矾ｎ３，比上年增长ｌＯ．１％；２０２０年天然气需求将增至２５００ｘｌ帆ｎ，，供应缺口达１０００ｘｌＯ钳。与国际天然气价格相比。我国天然气价格水平仍然偏低。煤制天然气可以作为

液化石油气和常规天然气的替代和补充．缓解我国天然气供应缺口。其竞争力主要源于可采用低价劣质煤，需要选择的主要是煤气化及甲烷化技术。含水含灰高、低热值的褐煤比较适于碎煤加压固定床或流化床气化。鲁奇煤气化工艺是煤制天然气项目首选的煤气化技术，此外还有流化床气化炉技术、ＢＧＬ块／碎煤熔渣气化技术。鲁奇甲烷化技术是世界上首个商业化业绩．此外还有托普索公司甲烷化循环工艺技术和Ｄａｖｙ甲烷化技术。以某年产ｌＯｘｌ０Ｓｍ３（标准）煤制天然气项目为例。其投资利润率１６．１６％（平均）。全部投资内部收益率１６．２１％（所得税后），投资回收期７．７２年，在经济上是可行的。目前一些地方和企业对煤制天然气项目的风险认识不足。首先应正确评价煤制天然气的能源效率和Ｃ０２排放，过分强调和夸大煤制天然气这个单一过程的高能源效率是不客观的；其次应认识到原料煤及产品价格是制约煤制天然气项目的关键因素；同时此类项目产品关联度低，并会受到天然气管网建设和管理的制约。

天然气需求煤制天然气劣质煤煤气化技术甲烷化技术经济性能源效率

１前言

近年来我国经济持续稳步增长．能源需求量不断增大。随着国内可持续发展战略和环境保护政策

的实施，作为优质高效的清洁能源，天然气消费市

场持续增长，加之“富煤、缺油、少气”的资源禀赋，

我国天然气供需矛盾日益突出。多渠道、多方式地

扩大天然气资源供给，完善气源结构成为优化我国

能源结构的重要战略。煤制天然气作为液化石油气和天然气的替代和补充，可以拓展清洁能源生产的

新途径，优化煤炭深加工产业结构。丰富煤化工产

品链，符合国内外煤炭加工利用的发展方向，对于

缓解国内天然气供应短缺．保障我国能源安全具有

重要的意义。２我国天然气供需现状及煤制天然气的必要性

据国家统计局数据。２００８年中国能源消费总量

为２９．１×ｌＯＳｔ标准煤，比上年增长４．Ｏ％，仅次于美国居世界第二位。其中煤炭消费量２７．４ｘ１０ｓｔ．增长

３．０％；原油消费量３．６ｘｌＯＳｔ，增长５．１％；电力消费

量３４５０２×１０８ｌ【Ｗ·ｈ，增长５．６％；天然气消费量８０７ｘ１０８ｎ１３，增长达１０．１％。图１为２０００。２００８年我国各类一次能源消费量的年均增长率，其中天然气的增

幅明显高于煤和石油。

孕静出磐露廿

图１２０００。２００８年中国一次能源消费年均增长率

数据来源：ＢＰ世界能源统计２００９

从消费结构上看。煤炭所占比例仍然较大，比

世界平均水平高４１．０个百分点，而石油和天然气

则分别低１５．３个百分点和２０．７个百分点，见图２。

作者简介：付固忠。高级工程师。煤化工专家．曾先后在中国石化洞庭氮肥厂、神华煤翻油项目、神华包头煤制烯烃项目等从事煤化工工作．现任液化空气工程咨询（上海）有限公司高级技

术顾问。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｕｇｚｈ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．嗍

万方数据

万方数据·３０·中外能源ＳＩＮＯ—ＧＬＯＢＡＬＥＮＥＲＧＹ２０１０年第１５卷

加强天然气勘探开发，增加从国外购买管道天然气

和液化天然气以外。发展煤制天然气也是一条现实

可行的途径。２００９年５月，国家出台《石化产业调整和振兴规划》，也将煤制天然气列为煤化工的５

类示范工程之一。

裹１加０７年中国主要城市天然气价格元／ｍ３

民用公共工业用车用城市天然气服务业用天然气天然气北京２．０５２．５５２．３５上海２．５３．３２．９３．５８广州３．４５沈阳２．４３．６３南京２．２３２．３３．２８济南２．４２．８２３．０８郑州２．４３．３２武汉２．３３．２８２．２重庆１．４２．２１１．２４１．９８成都１．４３１．７２１．６６２．７南宁４．１９西安１．７５１．７５１．７５３．０８呼和浩特１．５７１．９２１．６７２．１７鄂尔多斯１．５２１．６７１．４２乌鲁木齐１．３７１．８８２．０８

从宏观上讲。以煤为原料生产天然气。可以作为液化石油气和常规天然气的替代和补充，缓解我

国天然气供应缺口，符合国家能源政策。同时。由于

我国天然气的主要用途是城市燃气，冬季用量大，

非采暖期用量少，如北京的峰谷差甚至达到１０倍，调峰问题非常严重，建设调峰储备设施的投资和运

营成本巨大。煤制天然气工厂可以通过调节生产天然气、甲醇、氨及发电．从而成为解决城市天然气调

峰问题的有效手段。

３煤制天然气工艺技术

世界上第一个也是至今唯一一个商业化煤制天然气项目是位于美国北达科他州的大平原合成

燃料厂。该项目始于１９７２年秋，但由于煤资源、用

水许可、环保、贷款担保等问题，拖至１９８０年７月２５日才正式宣布开工建设．业主是大平原气化协

会（ＧＰＧＡ）。项目设计采用１４台直径１４ｆｉ（０４２６７ｍｍｌ的鲁奇固定床气化炉。年消耗褐煤６００×１０４ｔ以上．

每天生产１．２５ｘｌＯＳｆｔ３（标准）的天然气，相当于Ｅｔ产天然气３５４ｘ１０４ｍ３（标准）。１９８４年７月２８日。由褐煤气化生成的高热值

天然气首次从大平原厂通过直径２４ｉｎ（４，６０９．６ｒａｍ）、长３２ｍｉｌｅ（约为５１．５ｋｍ）的管道输入美国州际管道系统。至１９８７年１月，该厂共输出１０００ｘ１０８ｆｔ３（约２８ｘ

１０８ｎ１，）的天然气。运行非常顺利。但由于天然气价格

大幅下降（由最初定价６．７５美元／Ｉ＆Ｂｔｕ下降到２～３

美元／１＆Ｂｔｕ，１Ｂｍ＝１０５５．０６Ｊ），工厂连年亏损。

１９８８年１１月１日，达科他气化公司（ＤＧＣ）购买并正式接管了大平原合成燃料厂。ＤＧＣ通过提高产

量（气化炉由１２开２备改为１３开１备）、降低生产

成本、增加副产品（化肥、苯酚、ＣＯ：和其他化学品）销售收入等措施。在最初的１４个月里就实现了税

后盈利３１００万美元。而到２０００年，由于天然气销

售价格比上年戏剧性地上涨了２倍多，ＤＧＣ因此获

得了可观的利润。由此可见。通过煤气化、一氧化碳变换、酸性气

体脱除、高温甲烷化等工艺生产替代天然气的煤制

天然气工艺技术是成熟可靠的。图５为国内某拟建

年产ｌＯｘｌ０８Ｉｌｌ３煤制天然气项目的流程图。表２、表３列出了该项目原料煤的煤质分析结果和关键物流

点的工艺数据（摘自该项目可行性研究报告）。

图５某煤制天然气项目流程图

裹２某煤制天然气项目原料煤煤质组成及热值

序号项目数据ｌ水分，％（空气干燥基）１１．８２灰分．％（空气干燥基）２９．８３全硫，％（空气干燥基）０．４９４碳，％（空气干燥基）４２．２８５氢，％（空气干燥基）３．００６氧．％（空气干燥基）１１．９３７氯，％（空气干燥基）Ｏ．００４８高热值／（ＭＪ·ｋｇ。１１１６．４９９灰融点Ｆ＂℃＞１５００

从单个工艺单元来看。空分、变换及甲醇洗是

在煤制合成氨、煤制甲醇及煤制油等煤化工中已得

到广泛应用的成熟技术。因此对煤制天然气来讲，

需要选择的主要是煤气化及甲烷化技术。

万方数据第６期付国忠等．我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析．３１．

裹３某煤制天然气项目关键物流点工艺数据

图５中物料号ｌ２３４５６相态固相（煤）气相气相气相气相气相Ｃ０Ｏ．００００Ｏ．１２９５０．１１７８Ｏ．１７６４７．６８ｌＥ一０３Ｈ２０．０００００．２５７５０．４３０９Ｏ．６４８５０．０２５３Ｃ０２Ｏ．０００００．１９１９０．３３７３Ｏ．０２０４４．８４Ｅ—０３Ｈ２０Ｏ．Ｏ０００Ｏ．３４２９３．１０Ｅ一０３Ｏ．００（）００．ＯｏｏＯＣＨ４Ｏ．００００Ｏ．０６６９０．０９４８Ｏ．１４０６Ｏ．９５４５Ｈ２ＳＯ．００００２．１４Ｅ－０３３．０２Ｅ－０３Ｏ．０００００．００００Ｎ２４．００Ｅ—０３２．６８Ｅ－０３３．８０Ｅ一０３５．６８Ｅ－０３０．０１５４ＡｒＯ．Ｏ０００Ｏ．００００Ｏ．０００００．０００００．ＯｏｏＯ０２０．９９６０Ｏ．０００００．Ｏ００００．０００００．００００ＮＨ，０．００００Ｏ．０００２总物质的量流量／（ｋｍｏｌ·ｈ。１４８１．９１ｔ／ｈ２６５０．２１９５３１８５６．０３３２２４６２．７７１１４１２９．２９７５４８２．３８４９温度，℃１２０１８ｌ４０３０４０压力／ＭＰａ３．５２．９８２．７９２．４５２．０

３．１煤气化技术煤制天然气的竞争力主要来自于可以采用低

价劣质煤．例如含水含灰高、低热值的褐煤。这种煤

不太适用于干粉或水煤浆的气流床气化。而比较适

于碎煤加压固定床或流化床气化。

鲁奇炉是目前世界上应用最多的碎煤加压固

定床煤气化炉。正在运行中的达到数百台。主要应用于生产城市煤气和化工合成气。鲁奇炉现已发展

到第五代Ｍａｒｋ一５。在南非Ｓａｓｏｌ一共使用了９ｒ７台鲁

奇炉。其中１３台Ｍａｒｋ一３、８３台Ｍａｒｋ一４、ｌ台Ｍａｒｋ一

５。在美国大平原煤制天然气项目中共应用了１４台

Ｍａｒｋ一４。表４给出了不同规格的鲁奇炉的尺寸和生

产能力。

袭４鲁奇炉规格

炉型Ｍａｒｋ－３Ｍａｒｋ－４Ｍａｒｋ－５炉径／ｍｍ一３８００—４２００—５０００进煤ｍ／（ｔ·ｈ一１１２８５４７５粗煤气（标准）产量／（ｍ３·ｈ。）３４０００６５０００９００００

鲁奇煤气化工艺在国内经过消化、吸收、创新，

无论设计还是运行。都已积累了相当的经验。其气

化效率较高，氧耗低；煤种适用范围广。可使用高灰

分、高水分、高灰融点、低热值的劣质煤：煤气组成

中ＣＨ。含量高（见表５），当用于煤制天然气时，可以大大减轻甲烷化单元的负荷。节约建设投资和运行

成本：同时气化污水达标排放近年也取得了重大进

展。因此，鲁奇煤气化工艺是煤制天然气项目首选

的煤气化技术。表Ｓ褐煤作原料时鲁奇炉典型煤气组成（干基）％序号项目数据ｌＣ０１４．５２Ｈ２３８．３３Ｃ０２３２．０４Ｃ｝Ｌ１２．５５Ｎ２１．５６０Ｏ．２７Ｃ。Ｈ，ｌＯ．８８Ｈ芦Ｏ．２

当然，流化床气化炉（如Ｕ—ｇａｓ及ＫＢＲ等）技术也适用于劣质煤气化，但由于操作压力的限制，其

单炉生产能力较小。难以应用于煤制天然气这样大

规模的煤气化项目。另外还可以考虑ＢＧＬ（Ｂｒｉｔｉｓｈ

Ｇａｓ—Ｌｕｒｓｉ英国燃气一鲁奇）块／碎煤熔渣气化技术，它是在原鲁奇固定床加压气化炉技术的基础上开

发出来的新型煤气化技术。ＢＧＬ熔渣气化技术将高温熔渣气化与加压固定床气化技术结合在一起，兼

具双方的优势，克服各自的一些缺点，是一种既高

效又经济的气化技术。目前，ＢＧＬ技术已完成大规模中试和工业化示范。２００５年。中国云南煤化工集

团与Ａｄｖａｎｔｉｃａ公司合作．在其下属的云南解化集

团改造了一台固定床加压气化炉。并作为示范炉，

试烧当地高含水量（约３５％）褐煤。但总体来说，目前该技术还缺少商业运行的业绩。

３．２甲烷化技术合成气甲烷化技术是鲁奇与南非Ｓａｓｏｌ在２０

世纪７０年代开发的，ＣＯ转化率达１００％，Ｃ０２转化

率达９８％。通过甲烷化制备的天然气中甲烷含量高

万方数据