摘要：隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然氣的需求迅速增長，已成為全球市場消費(fèi)量增長較快的能源之一。為了緩解天然氣市場需求，研發(fā)先進(jìn)的天然氣制備技術(shù)增加天然氣產(chǎn)量已刻不容緩。本文重點(diǎn)分析了我國天然氣制備技術(shù)現(xiàn)狀。

天然氣制備技術(shù)是指利用相應(yīng)設(shè)備，根據(jù)甲烷化反應(yīng)原理，將含碳資源轉(zhuǎn)化為甲烷的技術(shù)。當(dāng)前，我國現(xiàn)有的天然氣合成技術(shù)主要包括煤制天然氣、生物質(zhì)合成天然氣、CO₂甲烷化合成天然氣以及焦?fàn)t煤氣制取天然氣。

天然氣制備技術(shù)種類較多，以焦?fàn)t煤氣制天然氣為主

我國煤炭資源豐富，充分利用煤炭資源制取天然氣，可以有效緩解我國天然氣的供需矛盾。煤制天然氣是以煤為原料，利用氣化、凈化及甲烷化技術(shù)制取天然氣。主要分為“一步法”及“兩步法”。

“一步法”制取天然氣指以煤為原料一步氣化生成甲烷，主要分為加氫氣化工藝和催化蒸汽轉(zhuǎn)化工藝。加氫氣化工藝指以氫氣為氣化劑，煤炭顆粒在一個具有內(nèi)部熱流循環(huán)的流化床反應(yīng)器中與氫氣反應(yīng)生成甲烷。主要反應(yīng)為：

C+2H₂→CH₄

催化蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)指水蒸氣與帶有催化劑的煤炭顆粒在同一反應(yīng)器中同時發(fā)生氣化及甲烷化反應(yīng)，通過吸附的方法將甲烷從混合氣中分離。主要化學(xué)反應(yīng)為：

C+H₂O→CO+H₂

CO+3H₂→CH₄+H₂O

“一步法”制取天然氣技術(shù)不需要氧氣參加反應(yīng)，有效的節(jié)省了空分費(fèi)用，并且氣化反應(yīng)及甲烷化反應(yīng)溫度要求不高，能夠有效節(jié)省成本。但是加氫氣化工藝中氫的引入較為復(fù)雜，催化蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)中催化劑的回收存在困難。

“兩步法”制取天然氣指與氣化劑在氣化爐中接觸，生成的合成氣依次經(jīng)過凈化和甲烷化，最終生成甲烷的技術(shù)。主要反應(yīng)分為兩步：

①C+O₂→CO₂  C+H₂O→CO+H₂  C+CO₂→2CO       

②CO+3H₂→CH₄+H₂O

該技術(shù)是煤制天然氣的核心技術(shù)，為保證催化劑的高活性以及原料的高轉(zhuǎn)化率，該反應(yīng)一般在低溫高壓下進(jìn)行。目前該工藝已有商業(yè)化應(yīng)用，但是該工藝的熱效率較低。

生物質(zhì)合成天然氣技術(shù)指利用生物質(zhì)氣化得到的富氫氣體制取合成天然氣。該工藝能夠大量降低生物質(zhì)因燃燒而排放的CO₂,減輕溫室效應(yīng)，而且能夠提高能源品質(zhì)，屬于新型的合成天然氣技術(shù)。由于生物質(zhì)氣化后產(chǎn)物中含有雜質(zhì)（如液態(tài)焦油、有機(jī)硫等），需對產(chǎn)物進(jìn)行凈化。我國當(dāng)前雜質(zhì)處理技術(shù)尚不完善，所以該項(xiàng)技術(shù)在我國尚未工業(yè)化。

CO₂甲烷化合成天然氣指通過外界加氫等技術(shù)，將CO₂轉(zhuǎn)化為甲烷，并且甲烷可以作為燃料使用，產(chǎn)生的CO₂可以重復(fù)甲烷化，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。主要反應(yīng)為：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O

該項(xiàng)技術(shù)能夠減少環(huán)境污染及有效利用碳資源，CO₂甲烷化合成天然氣途徑多種多樣，但是國內(nèi)外學(xué)者對該項(xiàng)技術(shù)仍處于研究階段。

焦?fàn)t煤氣制取天然氣指將焦?fàn)t氣經(jīng)過凈化脫除硫化物、苯等雜質(zhì)，再經(jīng)壓縮換熱，最后在催化劑的作用下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，生成以甲烷為主的混合氣再經(jīng)過變壓吸附，最后得到合成天然氣。主要反應(yīng)有：

CO+3H₂→CH₄+H₂O

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O

該技術(shù)制取天然氣不僅可以減少廢氣排放對環(huán)境的污染，又提高了能源的利用率，既減少了環(huán)保壓力，又增加了經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)顯示，截止2016年，焦?fàn)t煤氣制天然氣的產(chǎn)能已占天然氣總產(chǎn)能的13%。該技術(shù)已經(jīng)成為合成天然氣的主要方法。

焦?fàn)t煤氣制取天然氣已有技術(shù)突破，并初具市場規(guī)模

我國是重要的焦炭產(chǎn)地，數(shù)據(jù)顯示，2017年我國焦炭產(chǎn)量43142.6萬噸，居世界首位。每生產(chǎn)一噸焦炭，可產(chǎn)生約430立方米的焦?fàn)t煤氣，一半用于回爐助燃，另一半可以用來生產(chǎn)天然氣。

我國焦?fàn)t煤氣制取天然氣的技術(shù)主要有兩種，一是西南化工研究設(shè)計院有限公司“焦?fàn)t煤氣甲烷化制備天然氣”的甲烷化工藝，二是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所“焦?fàn)t煤氣聯(lián)合凈化分離制備天然氣”為代表的工藝。結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)，截止2016年，我國通過焦?fàn)t煤氣制天然氣的工廠已經(jīng)突破30家，其中，項(xiàng)目分布情況如下。

圖1 我國焦?fàn)t氣制取天然氣項(xiàng)目分布情況

（數(shù)據(jù)來源：國際能源網(wǎng)）

表1 目前國內(nèi)焦?fàn)t氣制取天然氣部分項(xiàng)目

（數(shù)據(jù)來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)）

結(jié)語

我國天然氣制備技術(shù)種類較多，一般分為煤制天然氣、生物質(zhì)合成天然氣、CO₂甲烷化合成天然氣以及焦?fàn)t煤氣制取天然氣。各種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)并存，結(jié)合我國焦炭產(chǎn)量高、已有天然氣制備技術(shù)，焦?fàn)t煤氣制取天然氣在我國企業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。