专题导言：煤制天然气——能源与环境的博弈

　　随着国内天然气需求的不断增长以及煤化工技术的不断发展，煤制天然气产业逐渐浮出水面。尤其去年以来，国内煤制天然气项目呈现多个阶段性成果，同时政策层面也不断传来利好消息；与此同时，敏锐的地方政府和投资企业纷纷行动，已然掀起了又一个“热点产业”的投资风潮——当前，除国家核准项目外，各地上马煤制天然气项目“未批”也疯狂，据不完全统计，截至2012年底我国煤制天然气项目(包括已建、在建、获批和待审批的)共计40多个，总产能已达1902.5亿m3；而截止2013年10月，我国核准的煤制天然气获批项目已达10个，总产能935亿m3。

　　投资风潮之下，是国内外产业界、学术界关于能源效率、污染排放、水消耗量、碳减排、技术经济性等一系列问题的争论和质疑——要不要发展煤制天然气？煤制天然气是耗煤污染高排放产业还是煤炭清洁利用的良好示范？燃煤发电、煤制天然气的全生命周期的能源效率究竟如何？煤制天然气是否是解决中国天然气缺口的唯一途径，它的发展是否存在不可忽视的“盲点”？中国越来越大的碳排放压力，是否直接制约煤制天然气的发展？煤制天然气——这一热点产业正成为能源与环境发展的一场博弈，经历着火热的发展和热烈的讨论……近期，《中国化工信息》周刊特约了国内外产业界、学术界相关专家，共同聚焦这一“争议性产业”，他们中有多年从事能源、煤化工的技术工程专家，也有知名规划咨询机构专家，我们也采访到掀起国内讨论高潮的杜克大学杨启仁教授。《周刊》期待，能博采众家之言，从正面、反面、侧面全方位讨论煤制天然气的发展，并能从各方的意见和解读中，引发政府、产业界对煤制天然气发展更加科学、理性、长远、全局的布局和规划。

 

 

科学适度发展煤制天然气

□ 北京中科合成油工程有限公司 唐宏青

　　唐宏青，1941年生，1965年毕业于北京大学。1989年获得中国石化首批突出贡献科技管理专家称号。1994年起晋升教授级高工，1996年任中石化兰州设计院副总工程师、2003年任中石化宁波工程公司副总工程师、2008年受聘中科合成油技术公司专家。迄今公开发表150多篇论文。著有“现代煤化工新技术”、“碳一化工新技术慨论”和“化工模拟计算手册”三本专著。

 

1发展煤制天然气的必要性

　　我国天然气资源不足 我国天然气地质资源量估计超过38万亿m3。2013年BP报告宣布2012年探明储量为3.1万亿m3，2012年生产天然气1072亿m3，2012年进口天然气425亿m3。

　　总的来说，我国天然气资源不多，目前开采能力有限，不能满足要求，供应十分紧张。

　　煤制天然气是有利于民生的项目 作为拥有13亿人口的大国，居民饮食和生活燃料问题十分重要。随着我国西气东输的实施及城市燃气管道化的普及，天然气、液化气、煤气、沼气等燃气管道网络在我国发展迅猛。让13亿人民的饮食和生活燃料都用上甲烷(年需求量约1800亿m3)，实行全国居民用燃料的管道化，前景相当诱人。显然，煤制天然气是有利于民生的项目。

　　各地发展煤制天然气的热情很高 很多人认为，发展煤制天然气是弥补天然气不足的手段之一，因此各地的积极性很高。目前，新疆、内蒙等经济欠发达地区发展煤制天然气的热情很高，以新疆为例，计划“十二五”期间建设20个大型煤气化厂，总能力为767亿m3。

　　在《煤炭深加工示范项目规划》中的十五个项目中，有七个项目是以煤制天然气为主的。估计能力在300 亿m3左右，单套装置的能力在40 m3左右。

　　在《现代煤化工“十二五”规划》中，煤制天然气规模是1000亿m3， “十二五”可能完成600亿m3，其余部分可能要在“十三五”完成。

　　需要建立全国管道网 由于我国国土面积大，煤制气的工厂主要建设在西北和内蒙产煤地区，而用户集中于内地城市，因此需要几千公里的长距离管道运输。目前国家缺乏合理的管道规划，缺乏相对独立的公共管道网和单独运作的管道公司，没有将煤制天然气的产品纳入西气东输的管道网内，制约了煤制天然气工业的发展。

 

2煤制气是能源结构的必要补充

　　目前我国已经开工建设和即将开工建设的项煤制天然气目有14个，总产能约为671亿m3，规模庞大。这14个项目的总投资约为5500亿元(不包括管道在内)，耗水约为4.7亿吨，耗煤约为2.7亿吨。预计最早在2020年这些项目全部完成投产并达产。届时，全国每年天然气总量约为3500亿～4000亿m3，其中煤制天然气补充20％。

 

3 煤制气的技术成熟但要改进

　　1.现有煤制气技术已经成熟　 国内的煤制天然气项目，都是参照美国大平原工厂的技术，以鲁奇气化为先导建设的。大平原厂已经运行多年，整体技术成熟(见图1)。

 　2.煤气化技术是煤制气成套技术的关键　在上述工艺中，煤气化单元是关键单元。原因很简单，煤气化技术很多，要按照“以煤定炉”的原则来确定采用哪种煤气化技术；煤气化的投资很大，在整个工程中举足轻重；煤气化技术的污染比较严重，受到环保部门的高度关注；煤气化的后续技术比较成熟，如果煤气化技术选择不当，将导致整个工厂的运行不佳。

 　因此，煤气化技术是煤制气成套技术的关键。

 　3.鲁奇炉未必是煤制气技术的必须　美国大平原厂选择鲁奇气化有其历史原因，当时处于二十世纪八十年代初期，唯有鲁奇气化技术比较成熟，大平原厂用的是褐煤，这个选择还是站得住脚的。目前我国有十几种煤气化技术在运行，气流床技术运行得很好，原料煤也不一定非用褐煤，在这种情况下，不应照搬大平原厂的工艺，在“以煤定炉”和高度重视环保的情况下，鲁奇炉未必是煤制气技术的最佳选择。

　　4.尽量采用气流床气化技术　设计院采用鲁奇炉的原因是，鲁奇炉气化温度低，出口气体中含有10％左右的甲烷，可以减小合成甲烷的负荷，副产品可以销售，从而降低合成天然气的成本。但是，气化出口的气体中含有大量的焦油、酚等有机杂质，处理困难，对环境的压力很大。

　　设计院采用鲁奇炉的另一个原因是复制美国大平原工厂工艺流程，保险系数高，但是对技术进步的推动力不大。

　　目前国内气流床技术已经过关，褐煤制浆技术也在推广，完全可以采用气流床技术(水煤浆气化)，环保问题可以明显改善。

　　煤制天然气可尽量采用先进的气流床气化技术，尽量用品质较好的烟煤作原料，这样，按照目前的物价，合成天然气的成本将会达到2.0元/m3，适当提高天然气的成本，是可以实行的。

　　为了提高我国煤制气工程的设计水平，我们不应该再简单复制美国大平原煤制气工厂的工艺工程，要立足创新。

　　5.能量转化率取决于煤的质量　在煤化工中，近期有人对能量转化率产生误解，认为应该根据能量转化率来确定生产产品的合理性。然而在不同产品之间比较能量转化率是没有意义的，生产的推动力是需求，没有市场需求的产品无论其能量转化率多么可观也没有必要生产。

　　在煤化工项目中，对于同样的产品来说，能量转化率取决于煤的质量，不同的原料煤可以得到相应的能量转化率。煤的热值越高，能量转化率越高。在统一的原料和产品的前提下，各个设计院做出的设计中工艺都是经过优化的。

　　6.装置规模必须要足够大 煤制天然气的规模必须要达到一定水平，否则即使要做到微利也是很困难的。

　　一个年产30万吨的甲醇厂，按照合成气的规模来算，相当于可以生产1.8亿m3天然气。甲醇厂的产值可以达到7.5亿元，而天然气厂的产值只有2.88亿元，再加上副产品，也不到4亿元。由此可见，生产煤制天然气并不合算，这就是说，煤制天然气厂是为民生而办。

 

4 天然气价格过低是发展煤制气的障碍

　　1.煤制气的消耗定额和成本不高　煤制天然气的工艺流程比较成熟，总体流程短，可以副产大量蒸汽，能量转化率高，单位产品的消耗定额并不高。

　　目前全球只有一个煤制天然气工厂，即美国大平原煤气厂，投资20.2亿美元，年产13亿m3天然气。该厂已成为目前国内设计煤制天然气工厂的样板。

　　在目前国内以鲁奇炉煤气化为先导的设计中，天然气的单位消耗为2.3t标煤/m3，水耗为7.0t/ m3。以目前的物价来衡量，若褐煤价格为200元/t，单位产品天然气的生产成本约为1.6元/m3。

　　以鲁奇炉为先导的煤制气项目中，副产焦油、氨、石脑油、粗酚、硫磺等，天然气的成本更低。例如内蒙古大唐克旗煤制甲烷项目，项目产品方案见表1。

　　以北京为例，居民用天然气的价格为2.28元，扣除管道输送费用0.70元，基本上不会亏损。

　　2.天然气价格偏低　煤制天然气是民生工程，必然不以利润为目标，最多是一个微利企业。其原因不是因为工艺不好，而是国内天然气的价格偏低。我国天然气依靠大量进口，目前偏低的天然气价格并不合理的，其原因不外乎是考虑百姓的生活和某些以天然气为原料的化工厂，主要是合成氨厂和甲醇厂的生存。

　　实际上在居民的日常开支中，天然气所占比例很小。一家三口每天用气1m3已经足够，仅为2.28元。约占生活开支的1％~3％。天然气的涨价对人们生活的影响不大。

　　而以目前天然气的价格计，以天然气为原料的合成氨和甲醇厂，已经没有多大利润空间了。

　　天然气的价格低，影响了煤制天然气的发展，保护了已经过剩的天然气制甲醇的企业。

　　目前城市居民用气价格很低，从能量提供的角度来说，远远低于油品的价格，因此也是不合理的。提供1个Gj的能量，天然气的价格仅仅为汽油的38％。

　　　　　　　　　　表1 克旗煤制甲烷项目产品     

序号    产品名称      年产量   产品价格   备注(GDP)/亿元

1       煤制天然气 40亿m3     1.6元/m3        64.00

2       焦油        16.2万吨    1200元/吨       1.944

3       中油        20.0万吨    1600元/吨       3.20

4       石脑油      5.7万吨     2800元/吨       1.596

5       粗酚        6.2万吨     4200元/吨       2.604

6       硫磺        16.5万吨    800元/吨        1.32

合计                                            ～75

 

5 发展煤制天然气存在的问题

　　1.投资高　煤制天然气的工厂整个投资很高，每亿立方米产品约为7亿~8亿元。比天然气开采高得多，我们搞煤制天然气是由于资源不足，是无奈之举。

　　2.鲁奇气化污水处理难度大　煤气化技术落后造成环境污染严重，特别是由于采用落后的鲁奇煤气化技术，造成含酚污水难以处理。

　　通常，鲁奇加压气化是在3.1MPa 的压力下，用3.8MPa的蒸汽和纯氧气作气化剂，5～50mm的块煤气化制得粗煤气。在气化过程中，煤中的轻质组分转化为焦油、酚、氨等物质与煤气同时产生，在随后的煤气洗涤、冷却、净化过程中，上述物质中的绝大部分进入煤气水中。提高气化压力，这些组分的含量会增加。

     煤气水含尘、含油多，还含有CO2、NH3等物质，易结晶，堵塞管道、泵等设备，堵塞仪表导压管等，给操作带来麻烦。由于从煤气水分离装置来的油超标，影响了脱酚和脱氨氮的效果。生产中，有时煤气水中油含量超标15～18倍，酚和氨氮超标2～4倍。

　　3.CO2排放量大　煤制天然气工程中原料和燃料煤中的元素C，有67％要变成CO2排入大气，即一个年产煤制天然气40亿m?的工厂，每年约排放1570万吨CO2，对环境威胁很大，因此发展煤制天然气步伐不宜太快。

　　4.水耗量大　目前积极发展煤制天然气的地方，多数是缺水的北方干旱地区。按照目前水耗设计标准7t/m?，一个年产40亿m?的工厂年消耗约2800万吨水。目前已建、在建和获得路条的煤制气装置(总产能为671亿m?)年耗水量约为6.7亿吨，非常惊人。

　　实际上，水耗量与设计的深度有关。如果采用深度节水技术，包括空冷器、闭路循环、夹点技术等，煤制气的水耗量可以减少一半。但是投资要增加很多。

　　5.防止产品甲烷再用于化工生产　煤制天然气的产品甲烷只应用于民生，不应再用于大宗化工，特别是甲醇和合成氨。煤制天然气是用煤经过气化得到CO+H2，再合成CH4，如果生产甲醇和合成氨，再将CH4部分氧化成CO+H2，走了回头路，从整体上来说，能量损失很大。提高天然气的价格也是防止上述走回头路的办法。

　　6.关于天然气发电　2013年，北京空气质量堪忧，专家认为，机动车、燃煤、工业污染和扬尘是北京市大气污染的主要来源。面对国务院要求北京减少8000万吨燃煤消耗的指标，北京宣布要淘汰燃煤发电，改用清洁能源天然气，实现电力生产燃气化。加快推进四大燃气热电中心建设，用天然气发电的计划正在实施，这只是北京市“煤改气”众多项目中的一个。按照规划，在未来3~4年内，北京市的发电厂和供热厂将全部换成清洁的天然气热电联产厂，最大限度减少发电和供热所带来的煤耗。这个天然气包括了内蒙建设的合成天然气。

　　天然气发电相比燃煤发电有着许多突出的优点，如燃气电厂占地面积小、耗水量小、污染物的排放量较低、不需要追加环保投资、发电机组运行灵活、适合用作调峰电源等。这些优点使得在负荷中心建设燃气电厂，实现就地供电，减轻电网输电和建设压力，提高电网稳定性，值得在中国的发展。

　　煤制天然气后再用天然气发电的能量利用率如何，是学者关心的问题。煤制气的能量利用率为56％，E-F级燃机联合循环发电效率可达52%~58％，其综合效果为31％左右，再加上管道输送的能量损耗，煤制天然气发电不如煤直接发电。

　　像北京这样的“煤改气”是在环保压力下，依靠政策的一种坚决的被动的利民行动。

　　对于这样的做法，美国杜克大学（Duke University）研究称，“煤制气”项目将极大地增加温室气体排放，并消耗大量水资源。因此，这可能是从一场环境灾难变成另一场环境灾难。

　　笔者不同意这个极端的观点。天下没有只有优点没有缺点的事，煤制气排放的CO2确实很多，但是在人烟稀少的地区，而且由于多次的洗涤，PM2.5已经很少了。与此同时，排出的CO2可以靠协同建设人工森林的办法去解决。

　　当然，随着天然气的价格提升，电价将会水涨船高，大家要为环境买单，义不容辞。

 

6结 论

　　煤制天然气是利民工程，工艺成熟，在目前中国具体情况下需要科学适度发展，但是其发展需要注意以下问题：

　　(1)要有一个合适的总量，过快发展对环境影响太大；(2)要采用新的煤气化技术，优先采用气流床；(3)尽量提高原料煤的品质；(4)适当提高天然气的价格；(5) 防止煤制天然气产品甲烷再用于化工生产；(6) 建立全国管道网。