2022 年 8 月 10 日，中國海油下屬的中海石油氣電集團有限責(zé)任公司（以下簡稱氣電集團）與西南化工研究設(shè)計院有限公司（以下簡稱西南院）聯(lián)合研制的甲烷化催化劑，在新疆慶華大型煤制天然氣項目中首次實現(xiàn) 110% 滿負(fù)荷平穩(wěn)運行，獲得的甲烷濃度為 61.7%，高于國外引進(jìn)技術(shù)近 3 個百分點，這標(biāo)志著我國自主研制的大型煤制天然氣甲烷化技術(shù)取得重大突破（見中國能源報報道）。
在我國能源安全領(lǐng)域，這是一件非常值得慶祝的大事。它意味著在煤制天然氣催化劑方面，中國已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，成功實現(xiàn)領(lǐng)跑地位。你以為僅僅是這樣嗎？不，讓我們將目光稍稍回望到今年的 3 月份，西南化工研究設(shè)計院有限公司（簡稱“西南院”）與慶華能源集團有限公司簽訂了 15 億立方米 /年煤制天然氣項目 CNGC-2 氣體調(diào)節(jié)劑和 CNJ-8 甲烷化催化劑供貨合同。該合同的成功簽訂標(biāo)志著煤制天然氣項目的核心部分 —— 催化劑首次完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。在短短不到半年的時間里，我國在煤制天然氣催化劑領(lǐng)域又取得巨大突破。
眾所周知，我國擁有豐富的化石能源資源，在能源儲量上具有“缺油少氣富煤”的特點，這使得我國能源消費結(jié)構(gòu)比較固定。除了上海以外，中國的大部分省份均有煤炭資源分布，其中內(nèi)蒙古、陜西、山西等是產(chǎn)煤重地。不過，中國雖然是煤炭大國，但是煤炭儲量中“高硫高灰高熔點”的劣質(zhì)煤炭比例較高，僅山西省這樣的劣質(zhì)煤炭就占總儲量的三分之一。這些劣質(zhì)煤炭長期以來難以清潔利用，因此如何實現(xiàn)對其高效清潔的利用，成為了能源人孜孜以求的目標(biāo)。
而另一方面，目前我國在天然氣方面的需求非常大。2021 年，中國天然氣消費量為 3726 億立方米，但產(chǎn)量僅為 2052 億立方米，能源缺口達(dá)到了 1674 億立方米。據(jù)國家能源局預(yù)測，中國的天然氣供需在中短期內(nèi)仍將面臨較大的缺口。很顯然，如果能夠大規(guī)模的將劣質(zhì)煤轉(zhuǎn)化為天然氣，不但有助于縮小能源缺口，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，更重要的是能夠為環(huán)保提供更大的助力。
目前，將煤炭轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品的利用方式有煤發(fā)電、煤制油、煤制甲醇和二甲醚、煤制天然氣等。在這些利用方式中，能量轉(zhuǎn)化效率最高的便是煤制天然氣。
那么，煤制天然氣是如何生產(chǎn)出來的呢? 主要是經(jīng)過以下幾個步驟：
① 原煤在氣化爐中與來自空分裝置的氧氣以及蒸汽進(jìn)行反應(yīng)后得到粗合成氣。粗合成氣的主要組成為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫、油和高級烴等。
② 粗合成氣經(jīng)急冷和洗滌后送入變換單元，經(jīng)過部分變換和工藝廢熱回收后進(jìn)入酸性氣體脫除單元，脫除硫化氫和二氧化碳及其他雜質(zhì)。
③ 之后將煤氣送入甲烷化單元。在甲烷化單元內(nèi)得到合格的天然氣產(chǎn)品，再經(jīng)壓縮干燥后送入天然氣管網(wǎng)。
④ 在這個過程中的還會產(chǎn)出硫磺、粗酚等副產(chǎn)品。
簡而言之，煤制天然氣是以劣質(zhì)煤為原料，經(jīng)歷了氣化、變換、凈化等工序，使合成氣達(dá)到合成甲烷的氫碳比，再經(jīng)甲烷化生產(chǎn)而得到的。如流程圖所展示，甲烷化的過程既是流程的終端，也是最關(guān)鍵、最重要的部分。如果甲烷化做得好，所轉(zhuǎn)化的天然氣就多，商業(yè)價值就高。因此甲烷化所需的催化劑就成了重中之重 —— 只要催化好，氣氣少不了！
近年來，中國一直致力于煤制天然氣生產(chǎn)全技術(shù)鏈的國產(chǎn)化，在煤氣化、變換、脫酸等技術(shù)上都已實現(xiàn)國產(chǎn)化，不過，甲烷化技術(shù)開發(fā)難度大，多年來一直未取得突破。截至 2019 年，投入運行的商業(yè)化煤制天然氣工程已達(dá)四個（本文新聞中的慶華工程就是其中之一），但它們的甲烷化工藝均采用國外技術(shù)，為此中國付出了巨額的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費。2010 年，西南院開始對煤制天然氣項目進(jìn)行立項，到了 2022 年，煤制天然氣才完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，其中的艱辛可想而知。而國產(chǎn)甲烷化技術(shù)的出現(xiàn)，將會對未來商業(yè)化煤制天然氣項目起到推動作用。
雖然我國在煤制天然氣技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但還存在著一些亟待解決的問題。例如，在能耗方面，煤制天然氣生產(chǎn)中的二氧化碳排放量依舊很高，對于水的需求同樣很大，而我國產(chǎn)煤重地多為缺水地區(qū)。這些矛盾限制了煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別在雙碳背景下，問題變得更加尖銳。我們?nèi)绾卧趪a(chǎn)化技術(shù)的道路上更進(jìn)一步，如何去解決生產(chǎn)中所暴露出來的問題，并將實驗室的已有成果應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，這是煤制天然氣工程師們即將面對并踏上的新征程。
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨
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