陳 靜，張謙溫，周華群，張?zhí)旄?，陳維群，孔繁華

（1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 石油化工研究院，北京100195； 2. 能源與環(huán)境研究院，加利福尼亞州 柯文納，CA91722）

煤制合成天然氣過(guò)程經(jīng)濟(jì)性分析

陳 靜1，張謙溫2，周華群1，張?zhí)旄?，陳維群2，孔繁華1

（1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 石油化工研究院，北京100195； 2. 能源與環(huán)境研究院，加利福尼亞州 柯文納，CA91722）

煤制合成天然氣與其他煤化工技術(shù)（煤制油，煤制烯烴等）相比具有流程短、能量利用效率高、水耗相對(duì)較少、投資相對(duì)較少等特點(diǎn)，已呈現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化的趨勢(shì)?；隰斊婷簹饣に嚰白灾频募淄榛呋瘎?，以錫林浩特煤為原料，年產(chǎn)10×108m3(標(biāo)準(zhǔn))天然氣項(xiàng)目為目標(biāo)，對(duì)煤制合成天然氣過(guò)程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

煤；合成天然氣；經(jīng)濟(jì)分析

我國(guó)是一個(gè)“富煤少油缺氣”的國(guó)家。在世界已探明的化石能源儲(chǔ)量中，中國(guó)的煤炭占世界總量的15%，石油占2.7%，天然氣占0.9%。這種化石能源資源的特點(diǎn)決定了我國(guó)是世界上少有的以煤為主要能源的國(guó)家。2004年煤炭在能源消費(fèi)中的比重為67.7%。專家預(yù)測(cè)，到2020年即使將煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例降至 60%，其總量也將超過(guò) 25億噸。

因此，國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究報(bào)告中明確指出：“我國(guó)資源特點(diǎn)決定了以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變?！泵褐铺烊粴獾哪芰哭D(zhuǎn)化效率最高，是最有效的煤炭利用方式，也是煤制能源產(chǎn)品的最優(yōu)方式。

天然氣熱值高，燃燒產(chǎn)物污染小，是普遍采用的清潔能源。我國(guó)人均天然氣剩余經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量?jī)H相當(dāng)于世界人均水平的 5%，天然氣資源的對(duì)外依存度較高, 為保障城市天然氣供應(yīng)，2007年11月開(kāi)始我國(guó)禁止使用天然氣制甲醇, 并限制煤炭充足地區(qū)使用天然氣發(fā)電。據(jù)預(yù)測(cè), 我國(guó) 2015年和 2020年對(duì)天然氣的需求分別達(dá)到1700億m3和2000億m3, 相應(yīng)地, 天然氣缺口分別為 650 億 m3和 1000億m3［1］。

隨著石油資源的日益枯竭和原油價(jià)格的不斷變化，很多國(guó)家都在計(jì)劃進(jìn)行煤制天然氣項(xiàng)目。我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富，發(fā)展煤制合成天然氣是國(guó)家能源安全的可靠保證。

據(jù)統(tǒng)計(jì)（亞化咨詢，2011年第二屆煤制天然氣技術(shù)經(jīng)濟(jì)論壇），截至2010年12月，我國(guó)共有近30個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目處于計(jì)劃、前期工作或建設(shè)階段，這些項(xiàng)目若全部建成，2015年和2020年我國(guó)將先后實(shí)現(xiàn)每年440.5億m3和1268億m3的產(chǎn)能。本項(xiàng)目以錫林浩特煤為原料，年產(chǎn)10×108m3(標(biāo)準(zhǔn))天然氣項(xiàng)目為目標(biāo)，對(duì)煤制天然氣的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1 煤制合成天然氣過(guò)程主要技術(shù)選擇

煤制天然氣(SNG)技術(shù)是利用褐煤、煙煤、石油焦等劣質(zhì)煤炭，經(jīng)過(guò)煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化工藝來(lái)生產(chǎn)代用天然氣。近年來(lái)，煤制合成天然氣（SNG）技術(shù)路線受到了廣泛關(guān)注，已呈現(xiàn)出大規(guī)模工業(yè)化的趨勢(shì)[2,3]，其工藝流程如圖1所示。

圖1 煤制天然氣工藝流程Fig.1 Technological process of coal to SNG process

從單個(gè)工藝單元來(lái)看，空分、變換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廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，國(guó)產(chǎn)化技術(shù)復(fù)雜程度小，因此對(duì)煤制天然氣來(lái)講，需要選擇的關(guān)鍵技術(shù)主要是煤氣化及甲烷化技術(shù)[4]。

1.1 煤氣化技術(shù)選擇

煤氣化技術(shù)是煤制天然氣最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)，可供選擇的技術(shù)也較多[5]。本項(xiàng)目采用錫林浩特高水分褐煤，收到基水分34.1%，低位熱值14.4 MJ/kg煤，灰熔點(diǎn)1 200～1 250℃。根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)和原料褐煤的特殊性，煤制天然氣的煤氣化工藝宜選用Lurgi加壓氣化工藝。該工藝是一種固定層塊煤氣化工藝，主要用于氣化褐煤、不粘結(jié)性或弱粘結(jié)性的煤，采用粒度為8～50 mm，活性好不粘結(jié)的煙煤或褐煤為原料，在固定床中用氧與蒸汽連續(xù)氣化生產(chǎn)煤氣。氣化壓力3.0～4.0 MPa，溫度在900～1 050 ℃之間，采用固態(tài)排渣方式運(yùn)行。煤氣中約含65%（CO+H2）、9%的CH4，并含C2、焦油等。因此，Lurgi工藝適宜于城市煤氣或煤制天然氣的生產(chǎn)。

1.2 甲烷化技術(shù)選擇

煤制天然氣的另一核心技術(shù)是甲烷化工藝。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有掌握大型合成氣甲烷化工藝，主要技術(shù)要向國(guó)外公司購(gòu)買。目前使用的甲烷化技術(shù)主要是托普索甲烷化循環(huán)工藝（TREMPTM）技術(shù)和DAVY 公司的甲烷化技術(shù)（CRG）[6]。

本項(xiàng)目采用的甲烷化流程：經(jīng)過(guò)變換凈化后的合成氣經(jīng)過(guò)酸性氣體脫除工序，得到精制合成氣增壓后與循環(huán)氣壓縮機(jī)出口氣體混合，然后預(yù)熱到250 ℃，從甲烷化反應(yīng)器上部進(jìn)入催化劑層，在塔中進(jìn)行甲烷合成反應(yīng)，反應(yīng)熱副產(chǎn)蒸汽。反應(yīng)采用三個(gè)甲烷化反應(yīng)器串聯(lián)，在國(guó)外唯一的工業(yè)化工廠中，采用的是也是三級(jí)甲烷化流程，第一級(jí)反應(yīng)器的溫度為650～700 ℃，第二級(jí)反應(yīng)器的溫度為500℃左右，最后一級(jí)的溫度為350 ℃左右。全程CO的轉(zhuǎn)化率為100%，H2的轉(zhuǎn)化率為99%，CO2的轉(zhuǎn)化率為 98%。本項(xiàng)目采用美國(guó)能源與環(huán)境研究院Power Environmental Energy Research Institute（PEERI）與中石油集團(tuán)公司合作開(kāi)發(fā)成功的煤制天然氣甲烷化催化劑，反應(yīng)溫度：200～650 ℃，反壓應(yīng)力：2.0～5.0 MPa，反應(yīng)空速（GHSV）：5 000～10 000 h-1，CO 轉(zhuǎn)化率＞98%，甲烷選擇性＞98%。

2 煤制合成天然氣過(guò)程經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 固定資產(chǎn)投入

本工作以以錫林浩特煤為原料，年產(chǎn) 10×108 m3(標(biāo)準(zhǔn))天然氣項(xiàng)目為目標(biāo)，對(duì)煤制天然氣的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行估算。

主要的原料：416.5萬(wàn)t的煤炭，動(dòng)力煤340萬(wàn)t，原料煤76.5萬(wàn)t。其中煤炭的組成和性質(zhì)見(jiàn)表1，價(jià)格假設(shè)為150元/t。一年大概需要680萬(wàn)m3的新鮮水。

表1 原料煤的性質(zhì)Table 1 The properties of raw coal

目前，中國(guó)天然氣消耗凈增長(zhǎng)量約為每年 60億m3，年增長(zhǎng)比率約為6%。煤化工技術(shù)的提高極大地降低了煤制天然氣的生產(chǎn)成本。年產(chǎn)天然氣總量10億m3的生產(chǎn)線涉及到的固定資產(chǎn)投資見(jiàn)表2。整個(gè)項(xiàng)目的投資：其中總投資在57億元左右。主要的投資為加壓氣化、低溫甲醇洗、甲烷化、廢水處理和專利購(gòu)買。

表2 年產(chǎn)10億m3煤制天然氣項(xiàng)目投資估算Table 2 Investment estimation of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108 m3(standard) natural gas

表3 年產(chǎn)10億m3煤制天然氣項(xiàng)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 原材料及經(jīng)營(yíng)成本估算

計(jì)劃煤制天然氣年產(chǎn)量為10億m3，煤炭利用率70%。項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃選址于煤炭資源區(qū)，可以大幅度地降低原材料采購(gòu)成本?？紤]到物價(jià)上漲因素，原材料消耗量見(jiàn)表3。

2.3 原材料及經(jīng)營(yíng)成本估算

本工藝除了生產(chǎn)10億m3的天然氣以外，還副產(chǎn)11.5萬(wàn)t的焦油、 2.4萬(wàn)t的石腦油、1.3萬(wàn)t的粗酚和 0.9萬(wàn)t液氨等，這些副產(chǎn)品按照當(dāng)前的價(jià)格，折合收入能夠有 5.1 億元，對(duì)于煤制天然氣的經(jīng)濟(jì)性有很大的幫助。另外副產(chǎn)250萬(wàn)t二氧化碳，如果能夠作為采油的驅(qū)油劑，將大大提高煤制天然氣的經(jīng)濟(jì)效益，銷售收入及年利潤(rùn)見(jiàn)表4和表5。

2.4 盈利分析

根據(jù)我們的計(jì)算，煤制天然氣的制造成本在1.42元/ m3，其中主要的成本項(xiàng)目是煤炭成本（含原料煤和動(dòng)力煤）及折舊。考慮到副產(chǎn)品的收入在0.51元/ m3，完全成本為1.12元/ m3，只要井口價(jià)在1.13元以上，這一項(xiàng)目就能盈利。煤制天然氣的生產(chǎn)成本中，原料煤的價(jià)格對(duì)天然氣的生產(chǎn)成本影響巨大，表6為原料煤價(jià)格、天然氣出廠價(jià)格與生產(chǎn)裝置盈利的關(guān)系。從表中可以看出，如果天然氣出廠價(jià)格為2元/ m3，利潤(rùn)將非?？捎^。

3 煤制合成天然氣項(xiàng)目存在問(wèn)題分析

煤制天然氣的能源轉(zhuǎn)化效率較高，從提高能源轉(zhuǎn)化效率的角度來(lái)考慮，煤制天然氣具有較好的前景，但是也存在一定的制約和風(fēng)險(xiǎn)。

表4 年產(chǎn)10億m3煤制天然氣項(xiàng)目產(chǎn)品和副產(chǎn)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 年產(chǎn)10億m3煤制天然氣項(xiàng)目年利潤(rùn)估算Table 5 Annual profit estimation of coal to SNG project with annual production capacity of 10 × 108m3(standard) natural gas

表6 年產(chǎn)10億m3煤制天然氣項(xiàng)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 原料煤及天然氣價(jià)格

煤炭和合成天然氣是煤制天然氣項(xiàng)目的原料和最終產(chǎn)品，兩者的價(jià)格是影響煤制天然氣項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，一旦未來(lái)煤炭和天然氣的價(jià)格出現(xiàn)較大變動(dòng)，勢(shì)必會(huì)影響到煤制天然氣項(xiàng)目的盈虧平衡。因此煤制天然氣項(xiàng)目必須利用劣質(zhì)低價(jià)煤,并盡可能將項(xiàng)目建設(shè)在坑口，以減少煤的運(yùn)費(fèi)。

3.2 副產(chǎn)品與消耗品的問(wèn)題

副產(chǎn)品必須要利用，直接排放會(huì)造成污染，燒掉又很可惜。所以，煤制合成天然氣項(xiàng)目要考慮副產(chǎn)品煤焦油、萘、蒽等的加工和利用。項(xiàng)目規(guī)模越大副產(chǎn)品量越多，比較好利用。副產(chǎn)品的利用方式與很多因素有關(guān)，需要因地制宜。

3.3 注意與其他煤化工項(xiàng)目聯(lián)產(chǎn)

煤制天然氣項(xiàng)目產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度低，如果能實(shí)現(xiàn)煤制天然氣與煤制甲醇、煤制烯烴、合成氨等多種煤基產(chǎn)品的聯(lián)產(chǎn)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)多種煤基產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效提高煤制天然氣項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和整體抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力。

4 結(jié) 論

如果以自有煤炭為原料，合成天然氣的生產(chǎn)成本將明顯低于進(jìn)口天然氣。尤其在煤炭運(yùn)輸成本較高的新疆和內(nèi)蒙古等地，煤制天然氣具有充分的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外煤制天然氣項(xiàng)目技術(shù)成熟，產(chǎn)品市場(chǎng)容量巨大而且穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)許多大中城市，許多車輛已改用天然氣作燃料，煤制天然氣項(xiàng)目也是非石油路線生產(chǎn)替代石油產(chǎn)品的一個(gè)有效途徑。我國(guó)富煤缺氣的能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保壓力的日趨增加使發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)解決能源和環(huán)境問(wèn)題的一條現(xiàn)實(shí)途徑，不斷上漲的天然氣價(jià)格將使煤制天然氣項(xiàng)目具備較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］劉芹，邢濤. 淺析煤制天然氣的工藝流程與經(jīng)濟(jì)性[J]. 化工設(shè)計(jì)，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.

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［6］劉志光，龔華俊. 余黎明.我國(guó)煤制天然氣發(fā)展的探討[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

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司資助項(xiàng)目。項(xiàng)目號(hào)：2009B-3502-01。

2014-01-22

陳靜（1985-），女，天津市人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，研究方向：工藝研究。E-mail：chenjing010@petrochina.com.cn。