煤制天然氣指以煤為原料生產(chǎn)甲烷作為合成天然氣，其中關(guān)鍵技術(shù)是甲烷化。我國甲烷化研究始于改革開放后的二十世紀八十年代，緣起于合成氨工業(yè)和城市煤氣技術(shù)需要。氨合成工業(yè)中，由于CO和CO2會使氨合成催化劑中毒，在合成氣進合成反應(yīng)器前需將微量的CO和CO2轉(zhuǎn)化掉，甲烷化技術(shù)是利用CO和CO2與H2反應(yīng)完全轉(zhuǎn)化為CH4，使合成氣中CO和CO2小于10ppm。由于甲烷化催化劑使用溫區(qū)較窄（300---400℃），起活溫度較高，為防止超溫，進甲烷化反應(yīng)器的CO＋CO2要求小于0.8％，同時，為防止甲烷化鎳基催化劑中毒，合成氣中硫含量要求小于0.1 ppm。
另外，國內(nèi)城市煤氣運用也比較廣泛，主要有兩種工藝：一是采用碎煤氣化生產(chǎn)城市煤氣，粗煤氣經(jīng)過凈化后直接送城市煤氣管網(wǎng)，其甲烷濃度約15%，CO濃度約35%，典型運用工廠有河南義馬煤氣廠、哈爾濱煤氣廠等。另一種是固定層間歇氣化生產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)過凈化后將半水煤氣中CO為29%，通過等溫移熱的方法，對其實現(xiàn)甲烷化。在上世紀80年代，在缺乏耐高溫甲烷化催化劑的情況下中國五環(huán)工程有限公司最先開發(fā)和研究該甲烷化工藝技術(shù)，并采用中國科學院大連化物所開發(fā)的甲烷化催化劑，將該技術(shù)在湖北沙市、十堰第二汽車制造廠和北京順義等的城市居民用氣和工業(yè)爐用氣的供應(yīng)中實現(xiàn)了工業(yè)化。
大連化物所在合成氣甲烷化催化劑及技術(shù)的研究開發(fā)方面起步較早，早在二十世紀八十年代，課題組在袁權(quán)院士領(lǐng)導下，著眼于高熱值城市煤氣的生產(chǎn)，成功開發(fā)常壓水煤氣部分甲烷化催化劑及技術(shù)。1987年該技術(shù)通過鑒定，并相繼獲得中科院科技進步一等獎，國家發(fā)明三等獎和自然科學獎各一項，催化劑放大獲省市科技進步獎。目前中科院大連化物所在部分甲烷化催化劑及技術(shù)方面擁有3項專利。該技術(shù)的特點是常壓、360℃、水煤氣部分甲烷化，采用單段非循環(huán)固定床反應(yīng)器；采用的M348-2A型甲烷化催化劑具有甲烷化－變換雙功能。依托該項成果于1990年在上海青浦化工廠建設(shè)了我國第一座35000立方米/天的甲烷化煤氣化示范裝置，而后又建設(shè)了遼寧瓦房店、北京防化兵總院等10余個工程。
2005年以后隨著我國天然氣消費量增加，對外依存度不斷提高，利用煤制天然氣滿足國內(nèi)日益增長的天然氣需求受到重視。國家相繼核準了大唐克旗、大唐阜新、新疆慶華、內(nèi)蒙古匯能、浙能伊犁等一批煤制天然氣項目。由于國內(nèi)甲烷化技術(shù)缺乏大規(guī)模裝置運行經(jīng)驗，而國外技術(shù)在美國大平原煤制天然氣裝置上有過成功使用經(jīng)驗，因此國內(nèi)的煤制天然氣項目甲烷化裝置均引進國外技術(shù)。2013年新疆慶華能源集團55億方/年煤制天然氣項目一期裝置和大唐克旗煤化工有限公司40億方/年煤制天然氣項目一期裝置相繼投產(chǎn)，標志著我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)正式邁入產(chǎn)業(yè)化。隨后內(nèi)蒙古匯能化工煤制氣項目和浙能集團伊犁項目投產(chǎn)，我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)初步形成。
經(jīng)過不懈努力，目前我國有四個煤制天然氣項目建成投產(chǎn)，總產(chǎn)能為51.1億方/年。我國煤制天然氣生產(chǎn)規(guī)模情況如下表所示：
我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模情況
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序號 |
企業(yè)名稱 |
廠址 |
規(guī)模 |
備注 |
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1 |
新疆慶華能源集團有限責任公司 |
新疆伊犁州伊寧縣 |
13.75 |
一期建成投產(chǎn)規(guī)模，總規(guī)模55億標方/年 |
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2 |
大唐國際克什克騰煤制氣有限公司 |
內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗 |
13.35 |
一期建成投產(chǎn)規(guī)模，總規(guī)模40億標方/年 |
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3 |
內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司 |
內(nèi)蒙古鄂爾多斯伊金霍洛旗 |
4 |
一期建成投產(chǎn)規(guī)模，同時配套建成了4億方/年液化天然氣生產(chǎn)線，規(guī)劃總規(guī)模20億標方/年 |
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4 |
浙能集團 |
新疆伊寧 |
20 |
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合計 |
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51.1 |
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根據(jù)建成投產(chǎn)及國家已核準煤制天然氣項目分布情況，我國已初步形成新疆伊犁煤制天然氣基地，內(nèi)蒙古東部煤制天然氣基地和內(nèi)蒙古鄂爾多斯煤制天然氣基地。其中新疆伊犁已投產(chǎn)煤制天然氣能力達33.75億方/年，是我國目前煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的主要基地。新疆煤炭資源豐富，但是距離中東部能源主要消費地區(qū)遙遠，在新疆建設(shè)煤制天然氣基地，將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔能源天然氣輸送至中東部地區(qū)，既有助于新疆轉(zhuǎn)化當?shù)刭Y源、提高經(jīng)濟發(fā)展水平，也有利于保障中東部地區(qū)清潔能源供應(yīng)，取得良好經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
煤制天然氣產(chǎn)業(yè)所采用的關(guān)鍵技術(shù)，包括氣化、變換、凈化、甲烷化、硫回收等早在煤制化肥、甲醇行業(yè)得到充分應(yīng)用和實踐，近幾年來通過示范裝置的建設(shè)和投產(chǎn)，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)等單元技術(shù)已逐漸成熟，且部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有效技術(shù)支撐。在目前投運的煤制天然氣裝置中國產(chǎn)碎煤加壓氣化技術(shù)，國產(chǎn)變換技術(shù)，國產(chǎn)低溫甲醇洗技術(shù)，國產(chǎn)硫回收技術(shù)都不同程度得到應(yīng)用。由于國內(nèi)大規(guī)模甲烷化技術(shù)仍未成熟，煤制天然氣核心技術(shù)甲烷化引進了國外先進技術(shù)。隨著煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動了我國甲烷化技術(shù)研究的熱度，目前我國研究甲烷化技術(shù)的單位包括西南化工設(shè)計院有限公司、中國科學院大連化學物理研究所、北京華福工程有限公司、新地能源工程技術(shù)有限公司、武漢科林精細化工有限公司、上海華西化工科技有限公司等許多單位，這些單位在焦爐氣和煤制天然氣領(lǐng)域開展了大量絕熱床及等溫床相關(guān)試驗研究，并取得了顯著成果。
煤制天然氣示范項目通過優(yōu)化工藝技術(shù)、完善管理，運行水平不斷提高。大唐克旗、新疆慶華、內(nèi)蒙古匯能等示范項目經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)改造，裝置運行時間和負荷正在不斷提高。
隨著煤制天然氣工業(yè)化裝置建成投產(chǎn)，通過改造優(yōu)化，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)全過程技術(shù)路線已基本打通，進一步驗證了煤制天然氣產(chǎn)業(yè)在技術(shù)路線上的可行性。經(jīng)過“十二五”期間的發(fā)展，我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和裝備水平進一步提高，整體處于世界先進水平。
在我國現(xiàn)有建成四個煤制天然氣項目中自主技術(shù)裝備得到廣泛應(yīng)用。煤氣化技術(shù)均采用國產(chǎn)氣化技術(shù)，其中三個項目采用國產(chǎn)碎煤加壓氣化技術(shù)，一個項目采用國產(chǎn)多元料漿氣化技術(shù)。空分、變換、凈化、硫回收等重要工序技術(shù)和裝備也普遍采用國產(chǎn)技術(shù)。目前煤制天然氣技術(shù)中僅甲烷化技術(shù)需要依托國外，采用引進技術(shù)。已建成投產(chǎn)裝置運行實踐表明國產(chǎn)技術(shù)和裝備基本能夠滿足需要。
伴隨著我國石油、天然氣對外依存度的一路攀升，以滿足我國天然氣需求為目的的煤制天然氣產(chǎn)業(yè)逐漸興起并發(fā)展。但是隨著近年來國際原油價格的動蕩，特別是2014年以來國際油價的大幅走低，極大影響了我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)競爭力。同時隨著我國經(jīng)濟增長放緩，整體能源需求和天然氣需求增速均放緩，煤制天然氣市場前景不明確。整體上看，我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)定位有待明確，與礦產(chǎn)天然氣關(guān)系也需要研究。
雖然我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線基本打通，單體技術(shù)基本成熟，但是工業(yè)化裝置投產(chǎn)以來的實踐表明，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)化仍需提高。已投產(chǎn)項目全系統(tǒng)仍需進一步優(yōu)化，在建、擬建項目技術(shù)選擇還需要優(yōu)化，尤其是氣化技術(shù)與采用原料煤種的適應(yīng)性需要特別重視研究。目前我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)甲烷化技術(shù)還依賴進口。因此煤制天然氣關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化還需進一步推進。
煤制天然氣作為新興的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，技術(shù)裝備、系統(tǒng)集成復(fù)雜，缺乏可借鑒的經(jīng)驗，部分投資主體缺乏相應(yīng)的能力和經(jīng)驗，低估了項目建設(shè)、運營、管理方面的難度，暴露出工藝選型不合理、原料煤質(zhì)與設(shè)備選型不匹配、廢水處理與主體裝置不匹配、工程造價超概算等問題，造成工藝裝置運行不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。同時天然氣產(chǎn)品具有相對依賴管網(wǎng)輸送的特殊性，煤制天然氣企業(yè)在與管道運營商協(xié)調(diào)價格和調(diào)峰方案時存在較大困難，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。
由于碎煤加壓氣化技術(shù)產(chǎn)品粗煤氣產(chǎn)品甲烷產(chǎn)量高，從目標產(chǎn)品角度考慮，是最適合于煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的煤氣化技術(shù)，但碎煤加壓氣化技術(shù)氣化溫度低，副產(chǎn)品多，廢水產(chǎn)生量大且處理難度高。當前環(huán)保部門對煤化工項目從嚴要求，要實現(xiàn)“近零排放“，而高濃鹽水處理、雜鹽處理技術(shù)瓶頸需要突破。
2017年我國天然氣產(chǎn)量1487億方，進口天然氣量920億方，天然氣消費量2373億方，對外依存度達到38.8%。2020 年全國天然氣消費將繼續(xù)保持快速增長勢頭，預(yù)計2020 年左右我國天然氣年產(chǎn)量可達到2 000億方，進口天然氣達到1100億方，預(yù)計2035 年左右我國天然氣年產(chǎn)量可達到2 500億方，天然氣總消費量將達到4 500億方，天然氣消費將由集中的川渝、長三角、廣東、北京等地擴大到中西部地區(qū)，我國天然氣消費潛力巨大。
我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，是我國大氣污染以及霧霾產(chǎn)生的重要因素，控制煤炭燃燒產(chǎn)生的污染任務(wù)十分艱巨。天然氣是一種清潔能源，對環(huán)境造成的污染遠遠小于煤炭和石油。基于全球氣候變化的形勢發(fā)展，未來將會提高天然氣的消費需求，加快發(fā)展和合理利用各種天然氣，可有效改善大氣環(huán)境，勢必給天然氣及煤制天然氣行業(yè)的發(fā)展帶來機遇。因此，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)符合國際和我國清潔生產(chǎn)、環(huán)保低碳的發(fā)展方向，未來消費總量將不斷加大，為煤制天然氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系研發(fā)新增動力，行業(yè)發(fā)展前景看好。
近年來我國天然氣需求量快速增加，大大超過同期石油消費增速。2017年我國天然氣消費量是2010年的2.2倍，天然氣進口量是2010年的5.4倍，呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢頭。2017年底以來出現(xiàn)的大范圍氣荒和天然氣漲價說明保障天然氣安全供應(yīng)的重要性。
2017年中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于深化石油天然氣體制改革的若干意見》，明確了深化石油天然氣體制改革的指導思想、基本原則、總體思路和主要任務(wù)。其中專門提出要改革油氣管網(wǎng)運營機制，提升集約輸送和公平服務(wù)能力。分步推進國有大型油氣企業(yè)干線管道獨立，實現(xiàn)管輸和銷售分開。完善油氣管網(wǎng)公平接入機制，油氣干線管道、省內(nèi)和省際管網(wǎng)均向第三方市場主體公平開放。天然氣管道體制改革的方向有利于煤制天然氣企業(yè)直接面對用戶，對提升煤制天然氣項目的經(jīng)濟性有重要幫助，有利于煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
隨著國際原油價格大幅下挫，國際天然氣價格也跌入低谷，我國國內(nèi)天然氣價格也隨著調(diào)低。大大影響了產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟型。根據(jù)2015年國家發(fā)改委天然氣價格最新調(diào)整結(jié)果，對于非居民用天然氣，新疆門站價為1.15元/標方，內(nèi)蒙古門站價為1.34元/標方，給已投產(chǎn)煤制天然氣項目帶來巨大經(jīng)濟壓力。
我國常規(guī)礦產(chǎn)天然氣供不足需，2017年產(chǎn)量為1487億立方米，占總消費量（2373億立方米）的比例為62.7%，大量消費需要依靠進口滿足。我國常規(guī)礦產(chǎn)天然氣增產(chǎn)潛力十分有限，預(yù)計到2025年最多能達到2500億立方米，屆時我國天然氣消費量至少在4000億立方米左右，缺口達1500億立方米左右。到2025年我國煤制天然氣產(chǎn)能可能達到360億方/年，產(chǎn)量達到300億方，占總天然氣消費量的比例達到7.5%，占總?cè)笨诘谋壤_到20%，煤制天然氣將成為我國常規(guī)天然氣的重要補充，成為保障我國天然氣供應(yīng)的重要力量之一，也能夠增加進口天然氣的議價能力，成為進口天然氣價格談判的重要籌碼。
在未來很長一段時期內(nèi)，煤炭將一直是我國能源消費的主力軍，煤炭資源的清潔高效利用是我國能源發(fā)展長期的課題。煤制天然氣能夠?qū)⒚禾客ㄟ^清潔的方式轉(zhuǎn)化為清潔能源天然氣，是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用的重要途徑。預(yù)計到2025年我國煤制天然氣產(chǎn)能可能達到360億方/年，年高效轉(zhuǎn)化利用1.25億噸煤炭，占2025年煤炭消費量的3%，使煤炭清潔高效利用比例提高3%。
近年來我國部分地區(qū)不時出現(xiàn)大范圍霧霾天氣，除氣象條件外，主要原因是這些地區(qū)能源消費量大，污染排放強度高，污染物排放量大，機動車、燃煤采暖污染嚴重，造成嚴重大氣污染。提高清潔能源消費比例是解決大氣污染的根本措施之一。2013年6月，國務(wù)院提出防治大氣污染防治的十條措施，其中明確提出“加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大天然氣、煤制甲烷等清潔能源供應(yīng)”。煤制天然氣產(chǎn)品為合成天然氣，是清潔能源，使用煤制天然氣代替分散燃煤，能夠顯著削減污染物排放，是污染排放強度高、人口密度大的中東部地區(qū)降低大氣污染的重要抓手。預(yù)計到2025年通過煤制天然氣將使約1.25億噸煤炭得到清潔高效利用，相比較于直接分散燃煤燃燒減排126萬噸SO2，216萬噸NOx，相比較于發(fā)電減排5.1萬噸SO2，8.7萬噸NOx。煤制天然氣將對防治大氣污染，減少霧霾做出貢獻。
在目前的現(xiàn)代煤化工關(guān)鍵技術(shù)中，煤制天然氣甲烷化技術(shù)是少有的國內(nèi)尚未完全掌握的的技術(shù)之一。國內(nèi)對甲烷化研究也十分活躍，北京低碳清潔能源研究所、西南化工研究設(shè)計院、大唐國際化工技術(shù)研究院、華能集團清潔能源技術(shù)研究院、華福工程公司等都在甲烷化催化劑、甲烷化工藝等方面取得不同程度的進展。隨著研發(fā)工作的深入，我國完全掌握大規(guī)模甲烷化技術(shù)指日可待，將為我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強大助力。
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