煤制合成天然气过程经济性分析

陈 静，张谦温，周华群，张天釜，陈维群，孔繁华

（1. 中国石油天然气股份有限公司 石油化工研究院，北京100195； 2. 能源与环境研究院，加利福尼亚州 柯文纳，CA91722）

煤制合成天然气过程经济性分析

陈 静1，张谦温2，周华群1，张天釜1，陈维群2，孔繁华1

（1. 中国石油天然气股份有限公司 石油化工研究院，北京100195； 2. 能源与环境研究院，加利福尼亚州 柯文纳，CA91722）

煤制合成天然气与其他煤化工技术（煤制油，煤制烯烃等）相比具有流程短、能量利用效率高、水耗相对较少、投资相对较少等特点，已呈现大规模工业化的趋势。基于鲁奇煤气化工艺及自制的甲烷化催化剂，以锡林浩特煤为原料，年产10×108m3(标准)天然气项目为目标，对煤制合成天然气过程进行经济性分析。

煤；合成天然气；经济分析

我国是一个“富煤少油缺气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中，中国的煤炭占世界总量的15%，石油占2.7%，天然气占0.9%。这种化石能源资源的特点决定了我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家。2004年煤炭在能源消费中的比重为67.7%。专家预测，到2020年即使将煤炭在一次能源消费中的比例降至 60%，其总量也将超过 25亿吨。

因此，国家中长期科学和技术发展规划战略研究报告中明确指出：“我国资源特点决定了以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变。”煤制天然气的能量转化效率最高，是最有效的煤炭利用方式，也是煤制能源产品的最优方式。

天然气热值高，燃烧产物污染小，是普遍采用的清洁能源。我国人均天然气剩余经济可采储量仅相当于世界人均水平的 5%，天然气资源的对外依存度较高, 为保障城市天然气供应，2007年11月开始我国禁止使用天然气制甲醇, 并限制煤炭充足地区使用天然气发电。据预测, 我国 2015年和 2020年对天然气的需求分别达到1700亿m3和2000亿m3, 相应地, 天然气缺口分别为 650 亿 m3和 1000亿m3［1］。

随着石油资源的日益枯竭和原油价格的不断变化，很多国家都在计划进行煤制天然气项目。我国煤炭资源相对丰富，发展煤制合成天然气是国家能源安全的可靠保证。

据统计（亚化咨询，2011年第二届煤制天然气技术经济论坛），截至2010年12月，我国共有近30个煤制天然气项目处于计划、前期工作或建设阶段，这些项目若全部建成，2015年和2020年我国将先后实现每年440.5亿m3和1268亿m3的产能。本项目以锡林浩特煤为原料，年产10×108m3(标准)天然气项目为目标，对煤制天然气的经济性进行分析。

1 煤制合成天然气过程主要技术选择

煤制天然气(SNG)技术是利用褐煤、烟煤、石油焦等劣质煤炭，经过煤气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、甲烷化工艺来生产代用天然气。近年来，煤制合成天然气（SNG）技术路线受到了广泛关注，已呈现出大规模工业化的趋势[2,3]，其工艺流程如图1所示。

图1 煤制天然气工艺流程Fig.1 Technological process of coal to SNG process

从单个工艺单元来看，空分、变换及甲醇洗是在煤制合成氨、煤制甲醇及煤制油等煤化工中已得到广泛应用的成熟技术，国产化技术复杂程度小，因此对煤制天然气来讲，需要选择的关键技术主要是煤气化及甲烷化技术[4]。

1.1 煤气化技术选择

煤气化技术是煤制天然气最核心、最关键的技术，可供选择的技术也较多[5]。本项目采用锡林浩特高水分褐煤，收到基水分34.1%，低位热值14.4 MJ/kg煤，灰熔点1 200～1 250℃。根据本项目的特点和原料褐煤的特殊性，煤制天然气的煤气化工艺宜选用Lurgi加压气化工艺。该工艺是一种固定层块煤气化工艺，主要用于气化褐煤、不粘结性或弱粘结性的煤，采用粒度为8～50 mm，活性好不粘结的烟煤或褐煤为原料，在固定床中用氧与蒸汽连续气化生产煤气。气化压力3.0～4.0 MPa，温度在900～1 050 ℃之间，采用固态排渣方式运行。煤气中约含65%（CO+H2）、9%的CH4，并含C2、焦油等。因此，Lurgi工艺适宜于城市煤气或煤制天然气的生产。

1.2 甲烷化技术选择

煤制天然气的另一核心技术是甲烷化工艺。目前国内还没有掌握大型合成气甲烷化工艺，主要技术要向国外公司购买。目前使用的甲烷化技术主要是托普索甲烷化循环工艺（TREMPTM）技术和DAVY 公司的甲烷化技术（CRG）[6]。

本项目采用的甲烷化流程：经过变换净化后的合成气经过酸性气体脱除工序，得到精制合成气增压后与循环气压缩机出口气体混合，然后预热到250 ℃，从甲烷化反应器上部进入催化剂层，在塔中进行甲烷合成反应，反应热副产蒸汽。反应采用三个甲烷化反应器串联，在国外唯一的工业化工厂中，采用的是也是三级甲烷化流程，第一级反应器的温度为650～700 ℃，第二级反应器的温度为500℃左右，最后一级的温度为350 ℃左右。全程CO的转化率为100%，H2的转化率为99%，CO2的转化率为 98%。本项目采用美国能源与环境研究院Power Environmental Energy Research Institute（PEERI）与中石油集团公司合作开发成功的煤制天然气甲烷化催化剂，反应温度：200～650 ℃，反压应力：2.0～5.0 MPa，反应空速（GHSV）：5 000～10 000 h-1，CO 转化率＞98%，甲烷选择性＞98%。

2 煤制合成天然气过程经济性分析

2.1 固定资产投入

本工作以以锡林浩特煤为原料，年产 10×108 m3(标准)天然气项目为目标，对煤制天然气的经济性进行估算。

主要的原料：416.5万t的煤炭，动力煤340万t，原料煤76.5万t。其中煤炭的组成和性质见表1，价格假设为150元/t。一年大概需要680万m3的新鲜水。

表1 原料煤的性质Table 1 The properties of raw coal

目前，中国天然气消耗净增长量约为每年 60亿m3，年增长比率约为6%。煤化工技术的提高极大地降低了煤制天然气的生产成本。年产天然气总量10亿m3的生产线涉及到的固定资产投资见表2。整个项目的投资：其中总投资在57亿元左右。主要的投资为加压气化、低温甲醇洗、甲烷化、废水处理和专利购买。

表2 年产10亿m3煤制天然气项目投资估算Table 2 Investment estimation of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108 m3(standard) natural gas

表3 年产10亿m3煤制天然气项目成本估算Table 3 Cost estimation of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108m3(standard) natural gas

2.2 原材料及经营成本估算

计划煤制天然气年产量为10亿m3，煤炭利用率70%。项目建设计划选址于煤炭资源区，可以大幅度地降低原材料采购成本。考虑到物价上涨因素，原材料消耗量见表3。

2.3 原材料及经营成本估算

本工艺除了生产10亿m3的天然气以外，还副产11.5万t的焦油、 2.4万t的石脑油、1.3万t的粗酚和 0.9万t液氨等，这些副产品按照当前的价格，折合收入能够有 5.1 亿元，对于煤制天然气的经济性有很大的帮助。另外副产250万t二氧化碳，如果能够作为采油的驱油剂，将大大提高煤制天然气的经济效益，销售收入及年利润见表4和表5。

2.4 盈利分析

根据我们的计算，煤制天然气的制造成本在1.42元/ m3，其中主要的成本项目是煤炭成本（含原料煤和动力煤）及折旧。考虑到副产品的收入在0.51元/ m3，完全成本为1.12元/ m3，只要井口价在1.13元以上，这一项目就能盈利。煤制天然气的生产成本中，原料煤的价格对天然气的生产成本影响巨大，表6为原料煤价格、天然气出厂价格与生产装置盈利的关系。从表中可以看出，如果天然气出厂价格为2元/ m3，利润将非常可观。

3 煤制合成天然气项目存在问题分析

煤制天然气的能源转化效率较高，从提高能源转化效率的角度来考虑，煤制天然气具有较好的前景，但是也存在一定的制约和风险。

表4 年产10亿m3煤制天然气项目产品和副产品Table 4 Products and by-products of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108 m3(standard) natural gas

表5 年产10亿m3煤制天然气项目年利润估算Table 5 Annual profit estimation of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108m3(standard) natural gas

表6 年产10亿m3煤制天然气项目盈利分析Table 6 Profitability analysis of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108m3(standard) natural gas

3.1 原料煤及天然气价格

煤炭和合成天然气是煤制天然气项目的原料和最终产品，两者的价格是影响煤制天然气项目经济效益的重要因素，一旦未来煤炭和天然气的价格出现较大变动，势必会影响到煤制天然气项目的盈亏平衡。因此煤制天然气项目必须利用劣质低价煤,并尽可能将项目建设在坑口，以减少煤的运费。

3.2 副产品与消耗品的问题

副产品必须要利用，直接排放会造成污染，烧掉又很可惜。所以，煤制合成天然气项目要考虑副产品煤焦油、萘、蒽等的加工和利用。项目规模越大副产品量越多，比较好利用。副产品的利用方式与很多因素有关，需要因地制宜。

3.3 注意与其他煤化工项目联产

煤制天然气项目产品关联度低，如果能实现煤制天然气与煤制甲醇、煤制烯烃、合成氨等多种煤基产品的联产，将会实现多种煤基产品优势互补，有效提高煤制天然气项目的经济效益和整体抵抗风险的能力。

4 结 论

如果以自有煤炭为原料，合成天然气的生产成本将明显低于进口天然气。尤其在煤炭运输成本较高的新疆和内蒙古等地，煤制天然气具有充分的市场竞争力。另外煤制天然气项目技术成熟，产品市场容量巨大而且稳定，在国内许多大中城市，许多车辆已改用天然气作燃料，煤制天然气项目也是非石油路线生产替代石油产品的一个有效途径。我国富煤缺气的能源结构和环保压力的日趋增加使发展煤制天然气产业成为我国解决能源和环境问题的一条现实途径，不断上涨的天然气价格将使煤制天然气项目具备较好的经济效益。

［1］刘芹，邢涛. 浅析煤制天然气的工艺流程与经济性[J]. 化工设计，2010，20(3)：25-27.

［2］Kopyscinski J, Schildhauer J T, Biollaz S M A. Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry biomass –A technology review from 1950 to 2009 [J]. Fuel, 2010, 89: 1763–1783.

［3］于广锁,于建国,潘惠琴,等. 城市煤气甲烷化研究综述[J].化肥设计，1997，35(3)：55-58.

［4］付国忠，陈超. 我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析[J]. 中外能源，2010，15(6)：28-33.

［5］李大尚. 煤制合成天然气工艺技术经济分析[J]. 煤化工，2010(2)：1-7.

［6］刘志光，龚华俊. 余黎明.我国煤制天然气发展的探讨[J].煤化工，2009(2)：1-5.

Economic Analysis of Coal-to-SNG Process

CHEN Jing1，ZHANG Qian-wen2，ZHOU Hua-qun1，ZHANG Tian-fu1，CHEN Wei-qun2，KONG Fan-hua1
（1. PetroChina Petrochemical Research Institute, Beijing 100195, China；2. Power Environmental Energy Research Institute, Covina California, CA91722, America）

Compared with other technologies of coal chemical industry, Coal to Synthetic Natural Gas (SNG) process has the advantages of short process flow, high efficiency of energy utilization, low water consumption, and less investment. There has been dramatic increase of industrialized coal to SNG projects in recent years. In this paper, based on Lurgi gasification process, an economic analysis of coal to SNG process in the project with annual production capacity of 10 × 108m3(standard) natural gas was carried out with Xilinhaote coal as raw materials.

Coal; Synthetic natural gas(SNG); Economic analysis

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2398-03

中国石油天然气集团公司资助项目。项目号：2009B-3502-01。

2014-01-22

陈静（1985-），女，天津市人，工程师，硕士，2009年毕业于天津大学化学工艺专业，研究方向：工艺研究。E-mail：chenjing010@petrochina.com.cn。