煤制天然气工艺技术选择原则的分析与探讨

2022-12-09

煤制天然气工艺在中国并不是新型项目, 对这一工艺技术的研究始于上世纪七十年代, 从整体上分, 可划分为煤气化转化技术和直接合成天然气技术。

我国开展对煤制天然气工艺技术的研究, 是在一定的能源背景下展开的, 我国的能源结构是:煤多、气少、油缺。这种能源分布结构在一定程度上影响了经济发展对能源的利用手段, 而煤炭资源的大量使用, 也会对自然环境产生恶劣的影响。

煤制天然气工艺技术研究, 本质上是对煤气化转化技术的研究, 是将煤炭能源转化成一种新的清洁的天然气能源。这一工艺技术的优点就在于, 减少直接燃煤造成的污染、节约了运输成本、提高煤炭利用效率等。

煤制天然气工艺技术, 简单地说, 就是以煤炭为原料, 经过一系列的化学和物理反应过程, 在催化剂的作用下产生天然气的主要成分——甲烷。

煤制天然气的直接合成理论非常简单, 主要利用煤炭能源中的碳和氢, 但实际的转化工艺却十分复杂, 从现实角度来说是无法形成纯粹的甲烷气体 (CH4) 的, 因此煤制天然气本质上是得到了一种“富甲烷气体”, 即一种甲烷成分较高的混合型燃烧气体;总体来说, 煤制天然气技术属于是新型技术, 主要利用燃烧值比较低的褐煤作为材料, 其中催化剂工艺是转化的关键。

本文以下通过介绍煤制天然气项目的特征和工艺技术选择的原择, 结合对煤气化技术的分析, 为我国煤制天然气项目工艺技术的选择提供参考和依据。

1 煤制天然气项目发展的相关问题

从市场角度来说, 发展煤制天然气项目的主要原因来自于需求。一方面, 我国的工业现代化发展越来越快, 对于能源的多样性有诸多要求, 另一方面, 随着我国城镇化发展的步伐加快, 能源消耗的种类和比例也在变化。以普通居民对能源的需求, 以往以煤炭作为生活能源的方式, 逐渐被清洁、廉价和高效的天然气能源所代替, 这也是促进社会对天然气需求增长的主要原因。

考虑到我国天然气自然储量人均并不多, 供给不平衡等原因, 我国逐年放开了对天然气的进口力度, 2013年曾经达到对外依赖度的峰值, 全年进口天然气比例高达30%, 但这依然无法满足社会需要。

煤制天然气技术是当前最值得研究的能源技术之一, 它具有强大的生命力。煤制天然气项目的一般特点是:满足资源密集型、技术密集型、资金密集型, 这也就意味着, 一个煤制天然气项目, 首先要具有丰富的原煤资源作为后盾, 同时需要针对煤炭技术、自动化设备技术、煤气化技术等相应的工艺技术人才, 最后一项也是最关键的, 需要大量的资金作为支撑, 资金一旦无法紧密的供应, 整个项目的建设周期和效益周期就会延长。

2 煤制天然气项目工艺技术选择原则

要充分满足社会生产生活对天然气能源的需求, 就需要大产量的生产企业, 当前我国煤炭资源丰富的中西部地区, 已经出现了多个大型煤制天然气项目。而对于选择使用的工艺, 又要具体根据实际的生产情况才能够判定, 如煤质优劣、水资源、气候环境等, 不能一言蔽之。总体而言, 选择工艺技术有如下的原则:

首先, 所选用的工艺技术具有可靠性。所谓可靠性原则, 是指整个项目运行而言, 而非针对原煤供应。煤制天然气涉及的投资规模很大, 项目一旦开工就意味着将持续不断地运转下去, 以在最短的时间内得到投资回报, 所以, 大部分设备和机器的运行几乎是全天候的、满负荷的、长周期的, 要在这样一种状态下保持安全、稳定生产, 生产工艺必须可靠、稳定, 否则一旦出现问题就会影响整个企业的生产, 在维修方面耗时过长。

其次, 所选用的工艺技术具有先进性。先进性原则是在任何一种工艺技术中都存在的属性, 技术的先进性包括在两方面上, 第一是生产工艺技术带来的节能高效优势, 这样可以以最少的代价, 来获取最大的收益;第二是生产设备的先进性, 设备的先进性可以延长生命周期, 在正常运转的状态下, 单位时间的工作效率更高。

再次, 所选用的工艺技术具有适应性。所谓的适应性, 主要是指与煤炭资源, 即煤质的适应性。一般来说, 煤制天然气项目都会选择建在煤炭资源较为丰富的区域, 但不同区域的煤质是不同的, 在保持煤炭供应稳定的同时, 必须对地下煤炭资源的成分进行研究, 不同的煤质, 也要采用不同的技术。事实上, 煤气化工艺的发展一直都是建立在煤质调查的基础上的, 也就是说, 先确定煤质, 再确定工艺技术。

第四, 所选用的工艺技术具有匹配性。煤气化的过程不是一蹴而就的, 需要多种设备之间的关联生产, 因此所使用的技术必须能够匹配所有设备产品。

3 煤气化工艺技术选择

煤制天然气项目对煤气化工艺技术的选择, 总结起来因素主要包括:煤质、环境、设备等方面, 就煤气化工艺技术本身而言, 主要有三种, 分别是固定床气化、流化床气化和气流床气化。

下面分别介绍其特点, 煤制天然气项目可以根据实际需要进行选择 (包括改进) 。

第一种, 固定床气化。固定床气化也被称之为移动床气化, 只是相对于煤炭添加方式不同而言的, 但统一的技术原理在于通过底部加入气化剂, 煤炭与气化剂逆流发生作用, 灰渣会从底部排出。

固定床气化也分为两种, 即常压固定床气化和加压固定床气化。

就国内而言, 常压固定床气化的生产规模不大, 如果用于大型煤制天然气项目, 一方面产能不高, 另一方面还会造成管理上的混乱, 因此不建议使用这种工艺。

相对而言, 加压固定床气化更适合大规模的生产, 主要使用的装置是鲁奇炉, 国内最典型的技术为碎煤加压气化, 相对比较成熟。

第二种, 流化床气化。流化床气化的特点是, 将气化剂输入到气化反应炉内部之后, 颗粒细小的煤粉就处于流动状态, 简单地说, 气化剂会吹动煤炭颗粒在高温 (950-1100摄氏度) 下发生气化反应, 在完成能量转化之后, 灰渣自动从底部脱离;由于这种工艺可以充分发挥煤炭颗粒的预处理作用, 所以一些质量和燃烧值并不优秀的煤炭资源, 也可以作为原料。同时, 这种工艺方式还会减少粗煤气中焦油、酚类等有害物质的含量, 是一种非常理想的煤制天然气气化工艺, 也是目前世界范围内广泛研究的技术。

第三种, 气流床气化。就国内而言, 目前气流床气化的应用并不广泛。这种工艺技术以粉煤为原料, 按照输送载体的不同又可以分为“干法进料”和“湿法进料”两种;其工艺特点主要有煤种适应性强、气化温度高 (炉内反应区最高温度可达2000℃) 和气化效率高、气化强度大等特点;同时, 由于炉内反应温度高, 对气化反应炉的冷却方式也提出了较高的要求, 而且整个系统和操作也更为复杂。

尽管这种气流床气化技术的应用并不广泛, 但其优势却很明显, 它可以更彻底的对煤炭资源进行利用, 所生成的物质中, 焦油、芳香烃环化合物等污染物更少, 对环境的破坏程度小。从长远来开, 积极研究这一技术的应用, 对我国的大型煤制天然气项目发展具有重要意义。

摘要：随着中国经济的高速发展, 客观上对能源的利用形式提出了更多的要求, 例如:多元化、环保型、高效率等;积极地发展煤制天然气项目是具有战略意义的;本文分析和探讨了煤制天然气项目的特征和工艺技术选择的原择, 结合对煤气化技术的分析, 为我国煤制天然气项目工艺技术的选择提供参考和依据。

关键词：煤制天然气,煤气化工艺,天然气技术,能源多样性