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無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)過甲烷化，但甲烷化投資通常高達百億元人民幣。生物質(zhì)項目受運距制約規(guī)模不大，甲烷
化不適用于生物質(zhì)項目，國內(nèi)外無生物質(zhì)制天然氣先例。而“二元反應(yīng)”法制天然氣無須甲烷化，使合成天然氣比“費托
反應(yīng)”法節(jié)省投資70%，降低運行成本55%。它使生物質(zhì)合成天然氣總投資幾千萬元就可以生產(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)濟效益好，投資回收期為3～4 年，而且高溫焚
燒無煙囪，無二噁英，不產(chǎn)生NOx 和SO2，焦油比現(xiàn)有氣化技術(shù)約低1 萬倍。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；制天然氣；無須；甲烷化
中圖分類號：TK01 文獻標(biāo)志碼：B
文章編號：1001-5523（2017）05-0044-03
合成甲烷無須催化劑，制天然氣無須甲烷化。這在
過去被業(yè)界認為“這不會是真的”，現(xiàn)已變成“這的確
是真的”， 且秸稈制天然氣8 000 萬m3/a 示范工
程已啟動?！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
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2 位化學(xué)家發(fā)明了人工合成CH4 的學(xué)說，
簡稱“費托反應(yīng)”。90 多年來各國均沿襲費托路線至今。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)項目。所以世界上無生物質(zhì)制天然氣先例。
史金麟等在新加坡實驗室發(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)一定時間，C+2H2可合成
CH4，C+2H2O 可合成CH4+O2，而無須甲烷催化劑。該發(fā)現(xiàn)
已由氣化生活垃圾31 t/d 的中試證實（“合成甲烷無須催化
劑中試”主體是1 臺氣化爐，中國科學(xué)院“制天然氣無須甲烷
化中試”主體是1 條生產(chǎn)線，兩者不同）。本人在新加坡隨史
金麟做實驗，傳承了“合成甲烷無須催化劑”的研究成果，回
國后將該研究成果發(fā)展成“制天然氣無須甲烷化”工藝技術(shù)。
2 中試工程
目前對該技術(shù)有不同見解，主要是二種：1）認為教科書
和各國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不太好強解。2）認為合
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，項目經(jīng)濟效益差，技術(shù)不夠成熟。歸根到底
仍是基于“費托反應(yīng)”學(xué)說，不能理解“二元反應(yīng)”的科學(xué)性。
2012 年8 月12 日， 中國科學(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“制天然氣無須甲
烷化”進行中試，該項目規(guī)模：處理秸稈150 t/d（可產(chǎn)出天然
氣5 萬m3/d）。2014 年8 月12 日中試結(jié)束，中試支出經(jīng)費累
計約1 300 萬元?！吨性嚬ぷ鲌蟾妗方Y(jié)果為：
1）氣化爐尾合成氣焦油≤40 mg/m3，比同類先進工藝低
2 000 倍。
2）合成氣含CH4、乙烷和丙烷等，C2
+為37.69%（《檢測報
告》單位為清華大學(xué)環(huán)境質(zhì)量檢測中心），其熱值占合成氣熱
無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
+由中國科學(xué)
院大連化學(xué)物理研究所提取出來成為天然氣，熱值達
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
計運行3 000 h（單次連續(xù)運行不超過15 d）；技術(shù)已趨成熟，
可以實施產(chǎn)業(yè)化推廣。
可生產(chǎn)天然氣5 萬m3/d 的中試，實屬較大規(guī)模的中試。
中國科學(xué)院中試基地作為中試的組織單位， 不可謂不權(quán)威。
該《檢測報告》數(shù)據(jù)表明：不用催化劑，無須甲烷化，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，在中國科
學(xué)院中試之前，已通過實驗室反復(fù)小試證明。
3 示范項目
示范工程建在江蘇溧陽市別橋鎮(zhèn)。該工程總投資
26 000 萬元，天然氣產(chǎn)量為27 萬m3/d。第一條生產(chǎn)線設(shè)備已
訂貨開始制造。該項目核心技術(shù)已獲7 個發(fā)明專利和5 個實
用新型專利。
該示范項目特征是：
1）無煙囪。示范項目可以燃燒秸稈、生活垃圾或者煤，不
論燒什么均無煙囪。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)生成燃氣：CO2+C=2CO。
2）無固廢。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0.3 MPa 壓
力的過濾機過濾，得到清澈的中水補充為循環(huán)冷卻水（需適
量補充自來水）。
4）焚燒生活垃圾無煙囪和二噁英。氣化爐內(nèi)安裝有爆燃
閃速裝置，垃圾從400～700 ℃的溫升時間為0.05～0.1 s。按
照國際共識， 垃圾焚燒400 ℃升至700 ℃的時間小于0.2 s
時，不會生成二噁英。
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 級水洗（氣液分離器和濕法脫硫）
后含量僅為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分之
一，對照鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，可減少污染物排放99.99%。
6）經(jīng)濟效益顯著。《可行性研究報告》顯示，示范項目用
秸稈量為28.44 萬t/a， 天然氣產(chǎn)量為8 174 萬m3/a，1 t 秸稈
可產(chǎn)天然氣287 m3，操作運行時間為7 200 h/a。秸稈收購成
本按270 元/t，一期投資利潤率為18%，財務(wù)內(nèi)部收益率為
19.16%（全投資所得稅后）；二期投資利潤率為33%，財務(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。烘干熱源為內(nèi)燃機發(fā)電排出的熱
氣體，經(jīng)換熱器將空氣加熱后送烘干機作熱源。烘干后的秸
稈喂入臥式回轉(zhuǎn)窯氣化爐。氣化爐啟動時，需烘爐至爐膛能
點燃秸稈才轉(zhuǎn)入正常制氣。無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)進氧化
區(qū)。氧化區(qū)設(shè)在窯的中間，氧氣送入氧化區(qū)。來自干餾區(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
燃氣：C+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氣
約為10 647 kJ/m3，供燃氣機組發(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)明火熄滅時能自動點燃，保持氧化
區(qū)始終有明火，防止可燃氣積累爆燃。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，我國空氣污染嚴重，特別是治理霧霾尚無有效的
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
個節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域。

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