隨著能源緊缺問題的日漸突出和節(jié)能減排要求的日益緊迫，焦爐氣的應用價值已經引起行業(yè)的足夠重視。焦爐氣制天然氣因其轉化利用效率高、廢棄物排放少、投資成本低等優(yōu)勢成為焦爐氣綜合利用技術開發(fā)的熱門領域。近日，從新奧新能(北京)科技有限公司傳出消息，該公司與新奧科技發(fā)展有限公司經過近5年聯合攻關研發(fā)成功焦爐氣合成天然氣預還原催化劑及工藝，并已完成噸級規(guī)模的催化劑工業(yè)化試生產。目前，利用該工藝建設的1000標準立方米/天焦爐氣制天然氣中試裝置已累計平穩(wěn)運行10000小時。

        2010年12月18日，焦爐氣合成天然氣預還原催化劑及工藝通過了河北省科技成果轉化中心組織的成果鑒定。業(yè)內人士評價，該項目的開發(fā)成功，為我國焦爐煤氣的綜合利用提供了一條新途徑，可使反應氣中CO和CO2轉化更完全，直接進入甲烷液化裝置，能量利用更合理，經濟效益、環(huán)境效益和社會效益顯著。

        煤基能源利用走出新路

        作為新奧集團從事煤基清潔能源領域技術研究與開發(fā)的高新技術企業(yè)，新奧新能(北京)科技有限公司(以下簡稱為新能科技)重點從事煤的高效潔凈利用及其相關領域研究，多年來堅持走自主創(chuàng)新和合作開發(fā)相結合的道路，建成了從基礎研究，應用研究到工程開發(fā)較為完備的科研開發(fā)體系，逐步形成了具有自主知識產權的核心技術，有效地推進了煤基高效潔凈能源技術和產業(yè)化發(fā)展。

        2006年初，新能科技組織科研人員經過技術調研，確立了焦爐氣合成天然氣預還原型催化劑及其工藝的研究方向，加入了我國焦爐氣綜合利用技術的研發(fā)大軍。

        為何選擇這個方向，新能科技總經理?？∈蚬P者道出了原委：作為世界上第一大焦炭生產國，我國的焦爐氣燃燒排放或直接排放，造成嚴重的環(huán)境污染和大量的能源浪費，已成為不爭的事實。雖然，焦爐氣制甲醇和生產尿素都是實現以“化”帶“焦”的重要途徑，但市場波動、國家政策的限制，以及能源利用要求的提高都迫切需要開拓新的焦爐氣綜合利用技術。

        焦爐氣的主要成分是CH4、CO、CO2和H2，可以作為燃氣使用，因其含有大量的CO和H2、熱值相對較低且雜質較多給城鎮(zhèn)輸送和使用帶來諸多不便。常俊石介紹，如果將焦爐氣中的CO、CO2轉化成甲烷，可以提高燃氣中甲烷的含量，增加燃氣的熱值，提升燃氣的品質，使其達到天然氣的標準。

        天然氣是一種清潔高效的能源，焦爐氣合成天然氣的成本比煤制天然氣有更大競爭力，既符合國家的能源政策，其充分、合理利用工業(yè)排放氣資源，減少溫室氣體排放，同時又能為企業(yè)帶來巨大的經濟效益，因此焦爐氣合成天然氣是一個高附加價值的產品。

        明確了方向，新能科技聯合新奧科技發(fā)展有限公司立即組成了核心技術研發(fā)團隊，并確立了合成低成本天然氣，實現低能耗、高效率、近零排放的技術目標。2006年8月該項目的研發(fā)技術方案通過評審，開始進行實驗室研究。

        焦爐氣合成天然氣預還原催化劑及工藝項目由2006年開始至2010年中試實驗結束歷經約5年時間。項目負責人之一的新能科技高級工程師蔣建明介紹說，核心技術研發(fā)團隊由15名科研人員組成，其中博士、碩士8人，參加中試試驗裝置設計人員18人，參加中試基地建設和日常運行人員32人。項目研發(fā)期間，投入使用的試驗及測試設備儀器627件套，總價值1.98億元。大型儀器設備主要包括化學/物理吸附儀、激光粒度儀、等離子發(fā)射光譜儀、X-射線衍射儀、差熱-熱重分析儀、硫分析儀、紫外可見光分光光度計、氣相色譜儀等現代化大型分析儀器，以及數套催化劑評價裝置等。用于焦爐氣合成天然氣小試及中試試驗運行費用超過2000萬元。

        高性能催化劑取得突破

        焦爐氣合成甲烷是一個較復雜的反應體系，反應特點主要有兩個：其一是CO、CO2與H2的甲烷合成反應是強放熱反應，其二是CO和CH4的析碳反應會使催化劑失活。抓住了這兩個反應特點，科研人員很快打開了實現“低能耗、高效率、近零排放”技術目標的一扇扇門。

        與傳統(tǒng)的用于凈化工段的甲烷化催化劑不同，焦爐氣甲烷合成催化劑必須能在高溫(550℃~850℃)、高壓(1~5MPa)、高水汽中穩(wěn)定使用，且必須能抗積炭。為此，科研人員首先從研發(fā)高性能的催化劑入手。?？∈貞浾f，催化劑開發(fā)過程中，科研人員通過大量的對比實驗，尋找耐高溫的穩(wěn)定催化劑載體、高活性的活性組分和有利于催化劑熱穩(wěn)定性和抗積炭性能的助劑，并在此基礎上重點解決了催化劑的制備和活化方法、催化劑的預還原和鈍化工藝及催化劑使用工藝條件的優(yōu)化等方面的難題，最終首創(chuàng)了具有良好的耐水合、耐高溫(850℃)、抗積炭性能，兼具高活性和高選擇性的特種鎳鋁復合結構的高、中溫催化劑，并完成了噸級規(guī)模的催化劑生產放大。

        ?？∈瘡娬{，催化劑的優(yōu)異性能離不開預還原工藝處理，它是通過不同氣氛、特殊還原條件下對催化劑進行預還原的工藝。試驗結果表明，催化劑在生產過程中經過預還原工藝處理，能有效縮短開車時間，提高生產效率，降低開車風險，同時降低對設備材質的要求，從而減少設備投資。

        催化劑性能的發(fā)揮也離不開高性能的反應器。甲烷合成反應器是焦爐氣合成天然氣過程中原料通過反應轉化為產物的唯一設備單元。反應器要為反應提供適合的反應條件(如溫度、壓力等)，同時為這個多組分的復雜反應體系提供良好的傳質、傳熱和動量傳遞環(huán)境，使反應氣與催化劑充分接觸，最大限度地發(fā)揮催化劑的效用。結合預還原高、中溫催化劑的特點，項目組根據反應特點和小試實驗模擬反應規(guī)律，確定了反應器模型，開發(fā)了絕熱型反應器和換熱型反應器及優(yōu)化組合工藝。其中，絕熱型反應器可產生高溫氣體，有利于回收高品位熱能；換熱型反應器可控制反應在較低溫度下進行，更有利于CO和CO2的深度轉化。?？∈f，采用絕熱型反應器，不僅符合焦爐氣合成甲烷反應的特點，而且也為之后焦爐氣合成甲烷反應熱的利用提供了條件。

        中試裝置實現高效運轉

        2006年10月~2008年5月，項目組基本完成了實驗室工作。重點研究了催化劑的配方和制備工藝，研究了溫度、壓力、原料氣組成等各種工藝條件對催化劑性能的影響，以及甲烷合成反應器中反應熱的移出技術和反應器中氣體均勻分布技術。至此，項目中試被課題組提上了日程。

        與實驗室模擬和小試工程不同，由于規(guī)模放大帶來許多不確定性，要實現中試裝置的穩(wěn)定運行，課題組將面臨更多的挑戰(zhàn)。工程建設、催化劑噸級放大生產、聯動試車、催化劑與反應器的匹配性能、組合凈化系統(tǒng)及合成系統(tǒng)的能效優(yōu)化等都是中試階段要攻克的難點。

        蔣建明舉了個例子，在焦爐氣合成甲烷強放熱反應中，一旦飛溫難以控制，可能導致嚴重事故。因此，甲烷合成反應器結構設計、內部換熱構件配置、材質選擇、與催化劑的匹配等問題尤為重要。如何降低設備成本，增加產品收率，是焦爐氣合成天然氣工藝技術中試階段要解決的關鍵問題。

        根據反應特點和基礎數學模型，科研人員利用1000標準立方米/天中試裝置對各種試驗條件進行了考察。成功開發(fā)了可耐1100℃高溫的絕熱型甲烷合成反應器，反應器采用鋼質外殼內襯耐火保溫材料結構，實現了反應器材質要求低，結構簡單，制造成本低，處理量大等目標。換熱型甲烷合成反應器采用反應器床層內置順流逆流換熱管結構，甲烷合成反應放出的反應熱通過換熱管中的原料氣移走，來降低催化劑床層溫度，同時預熱原料氣，顯著提高了反應熱利用率。當通過順逆換熱管中的原料氣不能及時將反應熱移走時，可啟用反應器頂部的冷激介質分布器來調節(jié)催化劑床層的溫度，保證反應順利進行。

        為了提高整個工藝的系統(tǒng)能效，中試裝置還采用夾點技術創(chuàng)建高效熱量回收網絡，將高位熱能有效回收，間接降低整個系統(tǒng)的能量消耗，最大限度地提高了熱的回收效率。此外，新能科技還創(chuàng)造性地提出焦爐氣合成天然氣的專有工藝技術，便于控制焦爐氣合成甲烷反應溫度，降低能耗，更易于操作。

        蔣建明介紹，未來根據工程實際需要，該工藝裝置可產生多種品位的飽和或過熱蒸氣，同時副產低壓蒸氣或工藝熱水，以便充分利用反應熱。

        在位于新奧集團煤基低碳能源國家重點實驗室的焦爐氣合成天然氣中試基地，筆者在工作人員的指引下參觀了該中試裝置的主要工藝單元，包括焦爐氣凈化、壓縮、甲烷合成、天然氣液化裝置等。

        據工作人員介紹，焦爐氣通過凈化裝置凈化后，進入反應系統(tǒng)。截至目前，該中試裝置已累計平穩(wěn)運行10000小時，催化劑工藝指標和反應器組合工藝滿足焦爐氣高溫合成甲烷的技術要求。

        兩套工藝路線經濟合理

        在整個中試裝置的左前部分，一處管路看似后來添加到整套中試裝置中的，這引起了筆者的好奇。工作人員介紹說，這是科研人員對工藝的又一項優(yōu)化，利用這套設施，可以通過補碳工藝實現對焦爐氣中富裕氫氣的充分利用。

        據了解，焦爐氣合成天然氣是富氫反應，原料氣甲烷合成后，氫氣約富余35%。為此，科研人員為這套工藝裝置設計了兩種反應方式。一種是焦爐氣合成天然氣工藝，即焦爐氣直接合成甲烷，產品氣中CO和CO2的含量小于50ppm，可直接深冷制取液化天然氣。富余的氫氣經提取后，進入氫氣市場銷售。另一種是焦爐氣補碳合成天然氣工藝，即在焦化企業(yè)有碳源(尿素廠廢氣、轉爐煤氣或煤制氣)的條件下，通過補碳工藝對原料氣進行補碳，充分利用焦爐氣中的氫氣多產甲烷，從而使原料氣全部甲烷化。

        目前，新能科技在中試裝置成功運行的基礎上，正進一步完善焦爐氣合成天然氣催化劑及相匹配工藝技術應用研究和軟件包設計，以盡早實現工業(yè)化應用。?？∈硎?，實現工業(yè)化應用后，兩種工藝方案將為焦化企業(yè)等提供更多便捷的選擇，以便充分、合理地利用企業(yè)資源，滿足當地的市場需求，并成為企業(yè)創(chuàng)造經濟和社會效益的又一途徑。

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