煤制天然气技术应用前景展望

关键词：煤；天然气；煤化工；节能减排

引言

基于防治大气污染的环境保护趋势与中国天然气需求量的持续增长以及煤炭行业的持续低迷，通过煤合成天然气的相关技术领域近年来可谓备受关注，相关项目也在密集上马。煤制天然气在一定程度上可以缓解中国的天然气危机，并能在一定程度上推动煤炭行业的清洁利用，这也是基于中国能源结构特点进行能源转型的实际选择。

1煤制天然气技术特点

      煤制天然气通常是指采用已开采原煤，经过气化、净化、甲烷化等工艺制造合成天然气的工艺过程。采用不同气化工艺的煤制天然气的工艺流程不尽相同，但大体都包括备煤、气化、变换、净化和甲烷化等工序，而在备煤阶段根据气化工艺的要求有所不同。目前，中国煤制天然气项目普遍采用碎煤加压气化、粉煤加压气化、水煤浆气化或三者组合的气化方式。

1.1中国能源结构体系

      中国煤制天然气产业得以快速发展的原因不胜枚举。作为世界上最大的能源消费国、生产国和进口国，“富煤、少气”的能源结构特征决定了煤炭仍将长期作为中国能源主体，但与此同时对天然气依然有巨大需求。近年来，天然气的消费比例日益提升，其将成为中国主体能源之一，而天然气供需缺口将进一步扩大，“富煤、少气”的能源结构与清洁环保之间的矛盾将日益加剧。只有“富煤”和“少气”同时存在时，方才有发展煤制天然气并对天然气进行替代的市场空间和驱动力。

1.2政府发展的雄心与企业获取条件

      4.0×10⁹m³/a规模的煤制天然气项目投资额高达2.60×10¹⁰～3.00×10¹⁰元，不仅给产出天然气的区域带来了GDP的增长，还带动和促进了周边的经济发展，拉动当地就业，提高当地人均收入。巨大的投资额是吸引当地政府拉拢“大项目”发展当地经济立竿见影的方式。富煤地区政府为了吸引投资者，在土地、税收、政府服务、煤炭资源等方面推出了诸多措施。但对企业而言，更具吸引力的仍然是政府的煤炭资源配置。

1.3经济刺激政策带来的充沛资金

      自2008年金融危机以来，中国出台了一系列经济刺激政策，为国内基础设施建设和重化工业带来了充沛的资金。国内银行本身也有完成贷款任务的指标，比如煤制天然气等大型煤化工项目通常由信誉良好的央企或大型私营企业投资，并且将优质资产煤矿作为抵押物而成为银行放贷的理想对象。目前，煤制天然气的投资方主要有大唐集团、汇能集团、中海油、庆华、伊泰、究矿、中电投、华能和中国石化等大型企业。

1.4设备和技术国产化带来的成本降低

      煤化工属于资金和技术密集型行业，经济规模的单个项目投资巨大，产品成本结构中财务成本和折旧占比依然较高。如果完全或大部分依靠进口技术和设备，缺乏相应国内技术和设备的竞争，煤化工的投资额将会令投资方难以承受。

      中国政府尤其重视对先进技术的引进、消化和吸收。近年来，中国装备工业体系的发展和国产煤化工技术的成熟，使进口技术和设备的价格不断降低，从而压缩了项目投资，提升了经济性。在煤制天然气装置投资中，气化单元投资比例最大。煤气化是煤化工发展的龙头产业，也是煤制天然气中投资规模最大、最核心的部分。过去十余年间，气流床煤气化技术的发展和完善对中国煤化工产业的发展起到了巨大的促进作用。相比固定床气化，气流床可以使用粉煤，以此大幅拓展煤气化的原料来源。

      甲烷化也是煤制天然气的核心技术之一，但仍被国外少数几家公司垄断。目前，国内有多家科研院所及高校在研发该技术，并取得了一定的成绩，且在焦炉煤气甲烷化项目上已有工程业绩。

2中国发展煤制天然气的意义

2.1天然气供需缺口的有效补充

      目前，国内天然气供应的缺口逐年增大，近年来的对外依存度呈快速上涨之势。国家能源行动计划设定2020年末天然气的消费量将达到3.0×10¹¹～4.0×10¹¹m³，这从客观上加大了中国对开发非常规天然气和合成天然气的需求。

2.2消化煤炭的过剩产能并助力环境保护

      2016年11月4日，《巴黎协定》正式生效，中国承诺2030年左右使CO₂排放显著降低，并争取尽早实现“2030年使单位国内生产总值CO₂排放量比2005年下降60%～65%，而非化石能源占一次能源消费比例达到20%左右”这一目标。这将加快高燃煤消耗企业的改革步伐。除了计划于2020年努力将煤炭消费总量控制在4.2×10⁹t左右外，以煤制天然气取代中小锅炉对煤炭的散烧，在煤制天然气过程中采用现代化的气化、净化技术，并集中进行除尘、脱硫、脱硝等处理，大幅减少煤炭直接燃烧时向大气中排放的污染物也是一种重要的改革手段。

      煤制天然气产品与常规天然气结构组分相类似，是一种洁净、优质的燃料，其污染相对较小，能有效缓解环保压力，也可以缓解煤炭产能过剩的局面。而对比石油、煤炭、天然气、液化天然气等燃料的价格，煤炭目前是亚洲领域内成本最为低廉的化石燃料。煤炭价格相比石油和天然气更具竞争力，且与其他燃料相比波动幅度较小。

      不仅如此，煤制天然气的能源转化效率较高，能量转化效率约为56%，而将煤进行间接液化的能量效率约为34%，直接液化则约为38%，煤制二甲醚能量效率约为37%。从能源消费特征上讲，天然气比煤炭的能源密度更高且污染物排放更少，具有明显的清洁、高效、便捷等技术特征。中国煤炭储量丰富，产能过剩严重，通过转化为相对稀缺、供不应求的天然气产品，可实现从一般能源向稀缺能源、低级能源向高级能源的转化。

2.3保障国家能源安全

      从能源流通的角度看，解决中国能源分布与消费市场不匹配这一矛盾的有效手段即为发展煤制天然气。在中国煤炭资源丰富的西北部着力发展煤制天然气技术，从偏远的富煤产地用天然气长输管线送到全国消费市场，不仅扩展了清洁能源生产的新途径，而且相比煤炭直接运输降低了能源流通成本，减少了运输过程的能源消耗和污染物排放量，优化了煤炭深加工产业结构。同时，其又具有能源利用率高的特点，符合国内外煤炭加工利用的发展方向，对于缓解国内天然气短缺、保障中国能源安全、节能减排具有重要战略意义。

      但是，人们对于煤制天然气技术并非全面持有乐观态度。目前，中国煤制天然气产业尚处于发展初期，人们对煤制天然气过程中可能带来的污染风险和盈利能力依然莫衷一是，有待通过长期运行结果进行验证。

      现阶段，国内煤制天然气项目为了在粗合成气中获得尽量多的CH₄而普遍采用鲁齐炉，然而该工艺的最大问题是易产生含C₆H₆、ArOH的废水，且污水处理成本较高。但是，煤制天然气作为符合中国能源结构现状的、对于保障能源安全和消除雾霾有重要作用的现代煤化工代表性技术之一，对适当开展示范性项目和培养整个技术链的国产技术和装备有重大意义。

3煤制天然气行业发展前景展望

      煤制天然气是中国当前社会经济发展阶段基于能源结构和形势下的特色行业。20世纪，除了美国开展大平原煤制天然气外，中国也是全世界最大规模开展煤制天然气的国家。当前国内专家对煤制天然气的评价不一，部分专家认为煤制天然气不仅可以缓解天然气供需缺口，消费过剩的煤炭产能可提高不便于长途输送的煤炭的能源流通效率，还可以避免煤炭散烧带来的环境污染，是适合中国能源情况的必要产业。同时也有部分观点认为，就其全生命周期而言，煤制天然气在能源利用效率、碳排放、环境保护等方面并无典型优势，只是排放和污染的区域性转移。目前一致认为，中国煤制天然气已经出现明显的投资过热局面。国家相关部门也一再发文对该行业进行规范、调整，在建设区域、用水、能效和环保等方面“划红线”，强调该行业尚处于示范阶段，而非大规模商业化推广阶段。

      从已经投产的大唐克什克腾旗、庆华伊犁和汇能鄂尔多斯等3个煤制天然气示范项目来看，煤制天然气技术链是可行的。由于这些项目均未处于满负荷运行状态，因此，对煤制天然气的经济性尚无法给出定论。但从理论上讲，该行业在中国“煤贱气贵”的能源格局现状下的盈利能力较为可观，这也是造成国内投资热潮的基本市场原因之一。可预测的是，中国将大力推进能源消费结构调整，重视环境保护、减少碳排放，“降煤提气”已成为现在乃至未来几十年中国能源消费市场的重要发展趋势。

      煤制天然气作为对国产气、进口管道气和进口LNG（液化天然气）的有效补充，在技术和经济性可行的情况下有较大发展空间，适当开展示范项目符合中国能源供应多样化的需求。站在国家能源战略安全的角度，发展煤制天然气产业，掌握核心技术，在能源战略层面具有重要性和紧迫性。在国内天然气供应紧张和国际油价、天然气价格连续上涨的情况下，煤制天然气具有一定的生存能力和盈利能力。煤制天然气工艺流程包括备煤、气化、除尘、变换、脱硫与硫回收、甲烷化等。

4结语

      对各段工艺及国内外典型技术进行了简要介绍和分析，并对煤制天然气的主副产品、环境保护、选址条件、经济性等内容进行了归纳总结。通过这些总结不难看出，煤制天然气整个技术链是可行的，理论上经济性也是可行的。实际工程项目运行伊始，尚未达到大规模量产阶段，还无法过早下定论。

      煤制天然气作为一种新型煤化工技术，符合中国“富煤贫气”的能源结构特点和清洁能源发展需求，并可有序、合理地在环境负荷允许的富煤地区利用劣质煤开展示范工程。这样做实际意义重大，不仅能带动该行业技术链上核心技术和装备的国产化，还能给经济、社会带来综合效益。但盲目、过热发展可能会给项目建设地带来严重的环境问题，且可能会增加CO₂和污染物的排放量。

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