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無(wú)須甲烷化制天然氣技術(shù)

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史惠元
（南京金爐新能源科技有限公司，南京210036）
摘要：煤制天然氣必須經(jīng)過(guò)甲烷化，但甲烷化投資通常高達(dá)百億元人民幣。生物質(zhì)項(xiàng)目受運(yùn)距制約規(guī)模不大，甲烷
化不適用于生物質(zhì)項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)外無(wú)生物質(zhì)制天然氣先例。而“二元反應(yīng)”法制天然氣無(wú)須甲烷化，使合成天然氣比“費(fèi)托
反應(yīng)”法節(jié)省投資70%，降低運(yùn)行成本55%。它使生物質(zhì)合成天然氣總投資幾千萬(wàn)元就可以生產(chǎn)出合格天然氣，熱利用
率由垃圾發(fā)電的13%提高到48%，由秸稈直燃發(fā)電的17%提高到74%，經(jīng)濟(jì)效益好，投資回收期為3～4 年，而且高溫焚
燒無(wú)煙囪，無(wú)二噁英，不產(chǎn)生NOx 和SO2，焦油比現(xiàn)有氣化技術(shù)約低1 萬(wàn)倍。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；制天然氣；無(wú)須；甲烷化
中圖分類號(hào)：TK01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
文章編號(hào)：1001-5523（2017）05-0044-03
合成甲烷無(wú)須催化劑，制天然氣無(wú)須甲烷化。這在
過(guò)去被業(yè)界認(rèn)為“這不會(huì)是真的”，現(xiàn)已變成“這的確
是真的”， 且秸稈制天然氣8 000 萬(wàn)m3/a 示范工
程已啟動(dòng)?！岸磻?yīng)”產(chǎn)出的天然氣燃燒后硫化物、氯化物
和煙塵將比燃煤鍋爐排放減少99.99%， 有助于解決霧霾問(wèn)
題，但需要尋找戰(zhàn)略伙伴謀全局發(fā)展，主導(dǎo)重大戰(zhàn)略性新興
產(chǎn)業(yè)話語(yǔ)權(quán)。另外，還需要尋找分布式能源的合作方。
1 技術(shù)背景
1923 年德國(guó)2 位化學(xué)家發(fā)明了人工合成CH4 的學(xué)說(shuō)，
簡(jiǎn)稱“費(fèi)托反應(yīng)”。90 多年來(lái)各國(guó)均沿襲費(fèi)托路線至今。其理
論核心是：CO+3H2 經(jīng)甲烷催化劑，合成CH4+H2O；甲烷催
化劑遇硫會(huì)中毒失效，原料氣硫含量應(yīng)小于0.1×10-6。
目前氣化爐燃燒秸稈、生活垃圾和煤等產(chǎn)出的氣體含硫
量均大于2×10-3，即氣化爐內(nèi)不能放置甲烷催化劑，不能合
成甲烷。甲烷須由甲烷化工程合成。甲烷化投資巨大，不適合
生物質(zhì)項(xiàng)目。所以世界上無(wú)生物質(zhì)制天然氣先例。
史金麟等在新加坡實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了“二元反應(yīng)”規(guī)律：在一
定溫度和壓力的還原性氣氛下反應(yīng)一定時(shí)間，C+2H2可合成
CH4，C+2H2O 可合成CH4+O2，而無(wú)須甲烷催化劑。該發(fā)現(xiàn)
已由氣化生活垃圾31 t/d 的中試證實(shí)（“合成甲烷無(wú)須催化
劑中試”主體是1 臺(tái)氣化爐，中國(guó)科學(xué)院“制天然氣無(wú)須甲烷
化中試”主體是1 條生產(chǎn)線，兩者不同）。本人在新加坡隨史
金麟做實(shí)驗(yàn)，傳承了“合成甲烷無(wú)須催化劑”的研究成果，回
國(guó)后將該研究成果發(fā)展成“制天然氣無(wú)須甲烷化”工藝技術(shù)。
2 中試工程
目前對(duì)該技術(shù)有不同見(jiàn)解，主要是二種：1）認(rèn)為教科書(shū)
和各國(guó)煤制天然氣工程都是CO+3H2， 經(jīng)催化反應(yīng)生成
CH4+H2O，不需要催化劑可生成CH4不太好強(qiáng)解。2）認(rèn)為合
成CH4 需要甲烷化工程，但甲烷化投資巨大，導(dǎo)致生物質(zhì)制
天然氣成本太高，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益差，技術(shù)不夠成熟。歸根到底
仍是基于“費(fèi)托反應(yīng)”學(xué)說(shuō)，不能理解“二元反應(yīng)”的科學(xué)性。
2012 年8 月12 日， 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境納米材料研究室在
灤縣裝備產(chǎn)業(yè)園區(qū)成立中試基地，旨在對(duì)“制天然氣無(wú)須甲
烷化”進(jìn)行中試，該項(xiàng)目規(guī)模：處理秸稈150 t/d（可產(chǎn)出天然
氣5 萬(wàn)m3/d）。2014 年8 月12 日中試結(jié)束，中試支出經(jīng)費(fèi)累
計(jì)約1 300 萬(wàn)元。《中試工作報(bào)告》結(jié)果為：
1）氣化爐尾合成氣焦油≤40 mg/m3，比同類先進(jìn)工藝低
2 000 倍。
2）合成氣含CH4、乙烷和丙烷等，C2
+為37.69%（《檢測(cè)報(bào)
告》單位為清華大學(xué)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)中心），其熱值占合成氣熱
無(wú)須甲烷化制天然氣技術(shù)
44 能源研究與利用
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
·2017年第5期
J節(jié)能科技
IENENGKEJI 能源研究與利用 45
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
2017年第5期·
J節(jié)能科技
IENENGKEJI
值20 519 kJ/m3的76%。合成氣中的CH4及C2
+由中國(guó)科學(xué)
院大連化學(xué)物理研究所提取出來(lái)成為天然氣，熱值達(dá)
39 774 kJ/m3；氣化爐秸稈制氣的氣化效率為86.2%；中試除
氣化爐是新技術(shù)外，其他各種設(shè)備均為成熟技術(shù)。氣化爐累
計(jì)運(yùn)行3 000 h（單次連續(xù)運(yùn)行不超過(guò)15 d）；技術(shù)已趨成熟，
可以實(shí)施產(chǎn)業(yè)化推廣。
可生產(chǎn)天然氣5 萬(wàn)m3/d 的中試，實(shí)屬較大規(guī)模的中試。
中國(guó)科學(xué)院中試基地作為中試的組織單位， 不可謂不權(quán)威。
該《檢測(cè)報(bào)告》數(shù)據(jù)表明：不用催化劑，無(wú)須甲烷化，氣化爐產(chǎn)
出的合成氣含CH4等烷烴， 熱值占合成氣總熱值的76%以
上。這表明：“二元反應(yīng)”的科學(xué)性毋庸置疑。其實(shí)，在中國(guó)科
學(xué)院中試之前，已通過(guò)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)小試證明。
3 示范項(xiàng)目
示范工程建在江蘇溧陽(yáng)市別橋鎮(zhèn)。該工程總投資
26 000 萬(wàn)元，天然氣產(chǎn)量為27 萬(wàn)m3/d。第一條生產(chǎn)線設(shè)備已
訂貨開(kāi)始制造。該項(xiàng)目核心技術(shù)已獲7 個(gè)發(fā)明專利和5 個(gè)實(shí)
用新型專利。
該示范項(xiàng)目特征是：
1）無(wú)煙囪。示范項(xiàng)目可以燃燒秸稈、生活垃圾或者煤，不
論燒什么均無(wú)煙囪。那么煙到哪里去了呢？ 原因是送入氣化
爐的氣化劑有限，燃燒產(chǎn)生的有限的CO2不排放，CO2在還
原區(qū)與C 反應(yīng)生成燃?xì)猓篊O2+C=2CO。
2）無(wú)固廢。秸稈爐渣含碳量為40%～53%，作為冶金輔料
銷售給鋼廠；煤制天然氣爐渣含碳量約為65%，作為潔凈煤
銷售給居民；生活垃圾制天然氣的爐渣，粉碎后作為水泥原
料供水泥廠。
3）無(wú)生產(chǎn)廢水排出廠外。生物質(zhì)烘干的水蒸氣，回收為
凝結(jié)水，包括合成氣冷卻回收的凝結(jié)水，都經(jīng)過(guò)0.3 MPa 壓
力的過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，得到清澈的中水補(bǔ)充為循環(huán)冷卻水（需適
量補(bǔ)充自來(lái)水）。
4）焚燒生活垃圾無(wú)煙囪和二噁英。氣化爐內(nèi)安裝有爆燃
閃速裝置，垃圾從400～700 ℃的溫升時(shí)間為0.05～0.1 s。按
照國(guó)際共識(shí)， 垃圾焚燒400 ℃升至700 ℃的時(shí)間小于0.2 s
時(shí)，不會(huì)生成二噁英。
5）本技術(shù)生產(chǎn)天然氣產(chǎn)生的氯化物含量為0.1×10-6，硫
含量為0.1×10-6，粉塵經(jīng)2 級(jí)水洗（氣液分離器和濕法脫硫）
后含量?jī)H為0.1×10-6。天然氣燃燒需摻7 倍空氣，燃燒后煙
氣中的氯化物、硫化物、煙塵僅為煙氣重量的約七千萬(wàn)分之
一，對(duì)照鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，可減少污染物排放99.99%。
6）經(jīng)濟(jì)效益顯著。《可行性研究報(bào)告》顯示，示范項(xiàng)目用
秸稈量為28.44 萬(wàn)t/a， 天然氣產(chǎn)量為8 174 萬(wàn)m3/a，1 t 秸稈
可產(chǎn)天然氣287 m3，操作運(yùn)行時(shí)間為7 200 h/a。秸稈收購(gòu)成
本按270 元/t，一期投資利潤(rùn)率為18%，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為
19.16%（全投資所得稅后）；二期投資利潤(rùn)率為33%，財(cái)務(wù)內(nèi)
部收益率30.54%（全投資所得稅后）。
4 制氣流程
秸稈粉碎烘干后入庫(kù)。烘干熱源為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電排出的熱
氣體，經(jīng)換熱器將空氣加熱后送烘干機(jī)作熱源。烘干后的秸
稈喂入臥式回轉(zhuǎn)窯氣化爐。氣化爐啟動(dòng)時(shí)，需烘爐至爐膛能
點(diǎn)燃秸稈才轉(zhuǎn)入正常制氣。無(wú)須添加煤和柴油等任何其他燃
料。
氣化爐爐膛分為干餾區(qū)、氧化區(qū)和還原區(qū)。干餾區(qū)不提
供氣化劑，內(nèi)筒與外筒的夾層接受來(lái)自窯尾換熱得到的熱風(fēng)
作為熱源。干餾產(chǎn)物- 半焦和可燃性氣體隨窯的回轉(zhuǎn)進(jìn)氧化
區(qū)。氧化區(qū)設(shè)在窯的中間，氧氣送入氧化區(qū)。來(lái)自干餾區(qū)的可
燃性氣體和半焦在氧化區(qū)遇氧氣著火，爐膛維持可以裂解焦
油的高溫。窯尾合成氣焦油約為40 mg/m3。氧化區(qū)CO2氣
體、水蒸氣及半焦隨窯的回轉(zhuǎn)進(jìn)還原區(qū)。還原區(qū)不供氧，屬還
原性氣氛，半焦中的C 在還原區(qū)與H2、CO2、水蒸氣反應(yīng)生成
燃?xì)猓篊+2H2=CH4；C+2H2O=CH4+O2；C+CO2=2CO。窯尾
排出合成氣，其熱值約為20 934 kJ/m3，含甲烷、乙烷等烷烴
約37%（體積百分比）。
合成氣經(jīng)除塵、換熱降溫、氣液分離，再經(jīng)壓縮、脫氧、增
氫、脫氯、精脫硫、脫CO2后，送變壓吸附裝置提取烷烴，制成
熱值為3 3 494 kJ/m3的天然氣。變壓吸附排出的低熱值燃?xì)?
約為10 647 kJ/m3，供燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電。該爐各系統(tǒng)配有各種安
全聯(lián)鎖裝置。例如，氧化區(qū)明火熄滅時(shí)能自動(dòng)點(diǎn)燃，保持氧化
區(qū)始終有明火，防止可燃?xì)夥e累爆燃。生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)污染物
控制參數(shù)如表1 所示。
5 應(yīng)用領(lǐng)域
目前，我國(guó)空氣污染嚴(yán)重，特別是治理霧霾尚無(wú)有效的
根治方法，本技術(shù)可應(yīng)用在燃煤、秸稈焚燒和生活垃圾處理3
個(gè)節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域。

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