焦?fàn)t煤氣制液化天然氣的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

摘要：總結(jié)了焦?fàn)t煤氣制液化天然氣技術(shù)的工藝流程以及國內(nèi)外甲烷化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；分析原料來源、工藝技術(shù)及市場環(huán)境三方面因素對焦?fàn)t煤氣制液化天然氣發(fā)展的影響；指出了焦?fàn)t煤氣制液化天然氣后續(xù)產(chǎn)品的利用途徑以及今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；液化天然氣；甲烷化合成；后續(xù)產(chǎn)品；發(fā)展方向

      我國是焦炭生產(chǎn)大國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的一半以上，而焦炭的副產(chǎn)物主要是焦?fàn)t煤氣，2015 年我國焦炭產(chǎn)量4.5 億t，焦?fàn)t煤氣總產(chǎn)量約1900 億m³，除50% 回爐外，其余的總量也已經(jīng)超過了2015 年西氣東輸累計輸氣量的1.5 倍（590 億m³）。目前焦?fàn)t煤氣的利用主要分為民用和工業(yè)用兩方面。民用方面主要用作居民燃?xì)?；工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域一是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)在煉鋼、燒結(jié)、軋鋼等過程中用焦?fàn)t煤氣作為燃料，二是將焦?fàn)t煤氣送至電廠作為發(fā)電用燃料，三是對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行深加工后生產(chǎn)附加值更高的化工產(chǎn)品如甲醇、合成氨、氫氣、天然氣等。除此之外，還有一部分焦?fàn)t煤氣被直接燃燒后排空。

      鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦化廠可利用其工藝流程長的特點，基本上將富余焦?fàn)t煤氣全部消化；而眾多的獨立焦化企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相對單一，產(chǎn)業(yè)鏈短，每年可利用的焦?fàn)t煤氣約600 多億m³。充分高效利用這些焦?fàn)t煤氣已成為獨立焦化企業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵因素之一，也是焦化行業(yè)節(jié)能減排的重要措施和途徑。

      隨著我國對環(huán)境質(zhì)量、資源綜合利用水平要求的逐漸提高，人們對焦?fàn)t煤氣的回收利用關(guān)注程度越來越大。目前較為成熟且經(jīng)濟(jì)的方式是以焦?fàn)t煤氣為原料生產(chǎn)甲醇，但由于受甲醇市場持續(xù)低迷的影響，同時國家對發(fā)展甲醇汽車的不明朗態(tài)度，規(guī)劃生產(chǎn)甲醇的企業(yè)均停止了進(jìn)展。而在合成氨產(chǎn)業(yè)中，產(chǎn)能過剩，其下游產(chǎn)品已經(jīng)嚴(yán)重供過于求，價格下滑明顯。此外，雖然氫氣提取較為簡單，但其貯存和運輸?shù)陌踩?、?jīng)濟(jì)性等因素嚴(yán)重制約了它的發(fā)展。

      近幾年，天然氣作為國際公認(rèn)的清潔能源逐漸走進(jìn)人們的視野，焦?fàn)t煤氣制液化天然氣（LNG）也逐漸成為焦化行業(yè)投資中的一項熱門技術(shù)。2012 底，隨著世界首家焦?fàn)t煤氣制LNG裝置—內(nèi)蒙古恒坤化工有限公司焦?fàn)t煤氣制LNG項目的順利投產(chǎn)，標(biāo)志著我國焦?fàn)t煤氣制LNG開始快速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2016 年底，內(nèi)蒙古、山西、河北、山東、云南、貴州、黑龍江、江蘇等地已有20 多家企業(yè)陸續(xù)建成、投產(chǎn)焦?fàn)t煤氣制LNG 項目，同時在建和擬建項目的企業(yè)還有20 來家。

1 焦?fàn)t煤氣制備液化天然氣工藝

      焦?fàn)t煤氣制LNG 工藝主要為兩種：一種是脫碳；另外一種是甲烷化合成。脫碳是將焦?fàn)t煤氣中的一氧化碳和二氧化碳直接脫除；而甲烷化合成則是將一氧化碳和二氧化碳與氫氣反應(yīng)，生產(chǎn)甲烷。顯然甲烷化合成與脫碳相比更為經(jīng)濟(jì)，以下主要介紹甲烷化合成工藝的主要工藝流程。

1.1 焦?fàn)t煤氣壓縮

      焦?fàn)t煤氣壓縮主要是通過壓縮機將焦?fàn)t煤氣壓至一定的壓力，這樣做一方面保證氣體的輸送，另一方面可以促進(jìn)變溫變壓吸附、加氫脫硫反應(yīng)以及甲烷化反應(yīng)的順利進(jìn)行。一般焦?fàn)t煤氣制LNG 企業(yè)采用兩種以上的大型壓縮機對煤氣進(jìn)行壓縮。

1.2 焦?fàn)t煤氣凈化

      焦?fàn)t煤氣組分復(fù)雜，雜質(zhì)較多，所以在合成甲烷前需要將其中苯、萘、焦油、NH₃、H₂S、有機硫等雜質(zhì)去除。一般除雜工藝分為預(yù)凈化和深度凈化兩部分。預(yù)凈化主要通過變溫變壓吸附（PTSA）技術(shù)除去焦?fàn)t煤氣中的大部分雜質(zhì)。深度凈化是除去預(yù)凈化無法去除的雜質(zhì)，例如有機硫。有機硫是導(dǎo)致甲烷化催化劑失活的主要原因之一，因此煤氣凈化過程中消除有機硫是一個非常重要的環(huán)節(jié)。目前脫除有機硫工藝大多數(shù)采用加氫方法，使有機硫與氫氣反應(yīng)生成H₂S，進(jìn)而被氧化鐵或氧化鋅吸收。

1.3 甲烷化合成

      最早國內(nèi)的焦?fàn)t煤氣制LNG 甲烷化技術(shù)基本采用的是國外丹麥托普索、英國戴維工藝包。但經(jīng)過幾年的發(fā)展，國內(nèi)甲烷化技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步，許多單位都對甲烷化工藝及催化劑進(jìn)行了開發(fā)和試驗，并取得了較好的項目成果，如表1所示。

經(jīng)過凈化后的焦?fàn)t煤氣送入甲烷化裝置，其中一氧化碳和二氧化碳在催化劑表面與氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成甲烷。

      由于此反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，每1% 的CO、CO₂ 的絕熱溫升分別約為72 ℃、60 ℃，而焦?fàn)t煤氣中的CO、CO₂ 含量在10% 左右，所以為防止反應(yīng)過程中溫升過高，甲烷化工藝一般采用多段絕熱固定床技術(shù)，并通過將反應(yīng)出口氣體循環(huán)至入口、補充蒸汽以及分流原料氣等方法稀釋甲烷化反應(yīng)器入口原料氣，從而降低甲烷化反應(yīng)的床層溫度。

      甲烷化催化劑一般采用氧化鋁為載體，鎳作為活性組分，同時添加一些助劑組成。在目前基本成熟的甲烷化工藝流程下，開發(fā)具有耐硫、耐高溫等性能的新型催化劑成為甲烷化技術(shù)的關(guān)鍵。

1.4 深冷液化

      天然氣液化常用的工藝有階式制冷循環(huán)、膨脹機制冷循環(huán)以及混合冷劑制冷循環(huán)。目前大規(guī)模天然氣液化一般采用混合冷劑制冷循環(huán)工藝，雖然投資較大，但能耗較低，適用于長期運行?；旌侠鋭┮话惴譃橹乩鋭┖洼p冷劑兩類，由5~6 種冷劑組成，經(jīng)壓縮機壓縮后送至冷箱，依次經(jīng)過節(jié)流、蒸發(fā)、降溫、制冷，最后使天然氣液化。目前焦?fàn)t煤氣制LNG 工藝的重點并不在于甲烷化合成，而在于液化冷箱的控制，若冷箱的參數(shù)穩(wěn)定，換熱充分，則可以使更多的甲烷液化回收。

2  影響焦?fàn)t煤氣制LNG 發(fā)展的因素

      十二五期間，伴隨著全國鋼鐵需求下降，處于高速發(fā)展的焦化行業(yè)也出現(xiàn)了產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、供需嚴(yán)重失衡、市場無序競爭以及效益持續(xù)下滑等問題。迫于生存環(huán)境及環(huán)保的壓力，整個焦化行業(yè)加快了落后焦炭產(chǎn)能的淘汰，十二五期間全國共淘汰產(chǎn)能8016 萬t。曾經(jīng)處于火熱狀態(tài)的焦?fàn)t煤氣制LNG 項目也隨著焦化行業(yè)的衰退逐漸恢復(fù)平靜，在建成的項目中，真正開工的寥寥無幾，同時許多規(guī)劃建設(shè)的項目也處于長期擱置狀態(tài)。

      焦?fàn)t煤氣制LNG 采用的原料是焦化企業(yè)的副產(chǎn)品，它取決于焦化企業(yè)的主營產(chǎn)品生產(chǎn)裝置能否正常運行，因此，穩(wěn)定的氣源是焦?fàn)t煤氣制LNG 項目正常運行的關(guān)鍵因素。目前焦?fàn)t煤氣制LNG 項目大多數(shù)為焦化廠自建，在焦化行業(yè)不景氣情況下可以通過生產(chǎn)LNG 給予適當(dāng)經(jīng)濟(jì)上的彌補。然而一些獨立的化工能源企業(yè)則較為被動。烏海華油天然氣有限公司，于2011 年投資47 億元在內(nèi)蒙古烏海煤焦化基地建設(shè)了全球規(guī)模最大的焦?fàn)t煤氣制LNG 項目，該項目按照10 家百萬噸級以上焦化企業(yè)的產(chǎn)氣量進(jìn)行設(shè)計，但由于目前開工的焦化企業(yè)較少，氣源不足，一直處于停工狀態(tài)。

      除氣源外，裝置能否長期安全穩(wěn)定生產(chǎn)也是一項重要影響因素。雖然焦?fàn)t煤氣制LNG 的技術(shù)難度在整個化工行業(yè)來說并不高，但相對于粗放型的煉焦行業(yè)來講在操作方面還是較為精細(xì)的，同時由于該技術(shù)近幾年剛剛興起，因此國內(nèi)建成較早的項目中，由于設(shè)備、工藝以及人才等方面的原因，有不少裝置不能穩(wěn)定、長周期運行，甚至還有企業(yè)在開車后的近一年時間里都處于停產(chǎn)改造狀態(tài)。由于焦?fàn)t煤氣制LNG 工廠開車較為耗時且費用較高，對于不能穩(wěn)定生產(chǎn)的企業(yè)造成了較高的成本。

      此外，該項目也深受LNG 市場的影響。近幾年由于國際原油價格持續(xù)低位，導(dǎo)致進(jìn)口LNG價格也持續(xù)降低，從而擠占了國產(chǎn)LNG 的市場份額。同時LNG 市場供應(yīng)充足，而需求卻持續(xù)疲軟，新能源替代以及國內(nèi)天然氣管道布置加速等原因的影響使國內(nèi)LNG 的價格從2013 年的5000~6000 元降至目前的3000 元以下。

3 焦化行業(yè)今后發(fā)展方向

      2014 年工信部發(fā)布《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件（2014 年修訂）》在焦化行業(yè)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定焦?fàn)t煤氣利用率要大于98%，同時在《焦化行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃綱要》中也明確提出了焦?fàn)t煤氣利用率達(dá)到98% 以上的目標(biāo)，迫使企業(yè)不得不為焦?fàn)t煤氣尋找更好的去處。同時隨著2016年第四季度焦化行業(yè)逐漸回暖、天然氣價格小幅度攀升等利好消息，焦?fàn)t煤氣制LNG 的春天可能會再次來臨。

      經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，焦?fàn)t煤氣制LNG 工藝技術(shù)越加成熟。單純的焦?fàn)t煤氣制LNG 會產(chǎn)生大量的氮氫尾氣，以往的工藝中一般直接將其作為燃料燃燒，而較為純凈的氮氫尾氣正是合成氨工業(yè)中很好的原料。河北中翔能源有限公司利用120000 m³/h 焦?fàn)t煤氣補轉(zhuǎn)爐氣甲烷化制備LNG，同時將液化后的氮氫尾氣用來制液氨，該裝置已于2016 年順利投產(chǎn)。此外，山東日照山鋼集團(tuán)的焦?fàn)t煤氣制LNG 項目也采用了將液化后尾氣制液氨工藝，該項目預(yù)計2017 年下半年投產(chǎn)。由此可見，這種充分利用焦?fàn)t煤氣中每種組分的工藝已經(jīng)成為焦?fàn)t煤氣制LNG 的一種新模式。

      焦?fàn)t煤氣中H₂ 含量高達(dá)55%~60%，經(jīng)甲烷化反應(yīng)后還有一定富余H₂，為提高甲烷合成量，在甲烷化工藝允許情況下可以適當(dāng)向焦?fàn)t煤氣中增加CO 或CO₂，考慮到成本因素，此部分碳可以利用其他工廠的尾氣。早在2013 年末中海油菏澤焦?fàn)t煤氣制LNG 項目就嘗試了將當(dāng)?shù)鼗蕪S的CO₂ 廢氣與焦?fàn)t煤氣混合后經(jīng)甲烷化合成天然氣，這對于有氣源的工廠來說是一個很好盈利渠道。而針對沒有氣源而有市場的工廠則可以選擇煤制氣項目，但煤制氣的組分與焦?fàn)t煤氣組分差異較大，因此需要結(jié)合原有的工藝流程綜合考慮。

      此外，在《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確了要提高天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，以及研究制訂天然氣車船支持政策，這對LNG 整個市場的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。目前處于規(guī)劃階段的焦?fàn)t煤氣制LNG 項目要充分考慮周邊市場情況，加強與政府溝通，利用好相關(guān)支持政策，合理布置LNG 加氣站，發(fā)展LNG 下游產(chǎn)業(yè)，為LNG 的銷售尋找更好的出路。

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