發(fā)展低投資、低成本的煤制天然氣產(chǎn)業(yè)勢在必行摘要：近年來，煤制天然氣項(xiàng)目遇到投資大幅度增加；由于天然氣使用季節(jié)性峰-谷差，項(xiàng)目產(chǎn)能季節(jié)性閑置；能源效率低和二氧化碳排放的障礙。文中對此瓶頸制約進(jìn)行了分析，提出提高煤制天然氣項(xiàng)目效益只能在降低投資和提高操作負(fù)荷上下功夫的判斷。指出設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)國產(chǎn)化；多聯(lián)產(chǎn)提高操作負(fù)荷；工藝流程創(chuàng)新是降低投資、提高操作負(fù)荷的途徑。提出了煤制天然氣工藝流程創(chuàng)新三步驟的設(shè)想。關(guān)鍵詞：煤制天然氣，煤化工，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，可行性研究煤制天然氣是近年來我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。2009-2010年，國家陸續(xù)核準(zhǔn)了大唐內(nèi)蒙克旗、大唐遼寧阜新、內(nèi)蒙古匯能、新疆慶華4套煤制天然氣項(xiàng)目，總規(guī)模達(dá)151億m3/a。國內(nèi)擬建和規(guī)劃的項(xiàng)目較多，項(xiàng)目個數(shù)超過20套，總規(guī)模超過500億m3/a，初步估計(jì)的總投資達(dá)到3000億元以上。煤制天然氣發(fā)展正在形成熱潮。1煤制天然氣技術(shù)成熟，可適度規(guī)模化發(fā)展應(yīng)該說，發(fā)展煤制天然氣較適應(yīng)了我國人民生活水平提高對清潔能源的迫切需求，具有廣闊的發(fā)展前景。有關(guān)部門提出，到2020年，我國天然氣市場規(guī)模達(dá)到4000億m3/a，也僅占我國能源消費(fèi)總量的6%左右，遠(yuǎn)低于當(dāng)前世界平均24%的水平。在4000億m3/a總量中，以國產(chǎn)氣供應(yīng)量2500億m3/a，進(jìn)口氣供應(yīng)量1500億m3/a計(jì)，進(jìn)口氣占天然氣市場份額接近40%，國家天然氣供應(yīng)也將承擔(dān)較大的風(fēng)險。如果我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)能發(fā)展到400億-800億m3/a的水平，占到我國天然氣總消費(fèi)量的10%-20%，年轉(zhuǎn)化煤炭折合成標(biāo)煤1億-2億t，占我國煤炭總產(chǎn)量的3%-6%，從彌補(bǔ)我國天然氣資源缺口、保證能源安全、清潔使用煤炭等多個角度看，是適度的、可行的。不少企業(yè)和部門對煤制天然氣的技術(shù)成熟程度仍有疑問。筆者認(rèn)為，現(xiàn)階段的煤制天然氣工藝技術(shù)，采用的是煤氣化-變換-凈化-甲烷化的路線，其中前三個過程是在合成氨、甲醇生產(chǎn)中已有長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，高濃度的甲烷化技術(shù)實(shí)際上是甲烷蒸汽裂解（如天然氣一段轉(zhuǎn)化爐）的逆反應(yīng)。在甲烷化反應(yīng)溫度下，CO和氫氣合成甲烷基本上屬于不可逆反應(yīng)，CO、CO2平衡濃度極低，因此在工藝原理、催化劑等方面上沒有難度，僅需解決大型化、工程化的問題。我國在甲烷蒸汽裂解和低濃度甲烷化生產(chǎn)管理，及中、高濃度的甲烷化技術(shù)研發(fā)方面也有豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，煤制天然氣屬于成熟技術(shù)的組合，和現(xiàn)有甲醇、合成氨等煤化工裝置相比，僅是規(guī)模上的放大，不需要技術(shù)上大突破。況且美國大平原氣化廠已有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此煤制天然氣技術(shù)上基本不存在風(fēng)險。與煤制烯烴、煤制油、煤制乙二醇等技術(shù)尚未成熟、需要通過工業(yè)化示范來驗(yàn)證相比，煤制天然氣示范項(xiàng)目的意義主要是在經(jīng)濟(jì)上、運(yùn)行管理上，而技術(shù)問題相對少一些。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，適度、規(guī)模化發(fā)展煤制天然氣項(xiàng)目是可行的。2煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的重大問題從當(dāng)前的煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)和前期工作情況來看，主要是投資增長太多。2006年，筆者參與編制國家煤化工中長期發(fā)展規(guī)劃時，曾首次提出在國內(nèi)建設(shè)煤制天然氣項(xiàng)目的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了工藝技術(shù)路線，初步測算了效益和投資，當(dāng)時考慮10億m3/a的規(guī)模，全廠總投資約在30多億元。以此推算，40億m3/a的項(xiàng)目投資應(yīng)在120億-140億元，以天然氣價格1.0元/m3推算，可承受的原料煤價格應(yīng)該在150元/t左右。根據(jù)我國煤炭資源的分布情況，提出了在部分煤炭價格較低或不便外運(yùn)的地區(qū)，建設(shè)煤制天然氣項(xiàng)目，滿足城市燃?xì)庑枨螅骖櫄?、電調(diào)峰的目標(biāo)。這個設(shè)想和建設(shè)方案為我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了一條新的途徑。但是，近年來煤制天然氣項(xiàng)目在實(shí)際操作中碰到了三大障礙。首先是投資大幅增加。由于通貨膨脹等多種因素的影響，一套20億m3/a的煤制天然氣項(xiàng)目，其投資達(dá)到150億元以上。即使在煤炭價格低至150元/t的新疆地區(qū)，以滿負(fù)荷年操作8000h測算，項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率僅能達(dá)到8%左右，從經(jīng)濟(jì)上已幾乎不可行。如果按照此模式，我國將找不到可以發(fā)展煤制天然氣的地區(qū)，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展也就走向了死胡同。其次是調(diào)峰困難。我國天然氣使用的季節(jié)性峰-谷差較大，如果煤制天然氣項(xiàng)目需承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，年生產(chǎn)負(fù)荷將達(dá)不到8000h，項(xiàng)目產(chǎn)能將出現(xiàn)季節(jié)性閑置，目前計(jì)算的經(jīng)濟(jì)效益將進(jìn)一步下降。三是能源效率和二氧化碳排放問題，這也是當(dāng)前所有煤化工項(xiàng)目發(fā)展中遇到的重大問題。目前煤制天然氣項(xiàng)目的能源轉(zhuǎn)化效率，根據(jù)不同的原料性質(zhì)、工藝技術(shù)和熱-電組合方案，約在50%-66%，雖然在當(dāng)前的煤化工產(chǎn)品中效率較高，但仍低于煉油廠90%、天然氣化工75%左右的效率。以當(dāng)前的技術(shù)水平，一個40億m3/a的煤制天然氣廠排放CO2約2000萬t/a，如果全國煤制天然氣規(guī)模達(dá)到400億m3/a，CO2排放量將達(dá)到2億t/a，對我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排也是一個不小的壓力。3對發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的建議國家關(guān)于煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尚無明確的發(fā)展戰(zhàn)略。筆者認(rèn)為，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)可以定位為潔凈煤轉(zhuǎn)化的“新興能源產(chǎn)業(yè)”來發(fā)展，特別是對實(shí)現(xiàn)具備條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)的煤炭資源轉(zhuǎn)化具有重要意義。但是，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須解決好經(jīng)濟(jì)效益和碳排放問題，使項(xiàng)目在市場經(jīng)濟(jì)的條件下具備競爭力和自我發(fā)展能力，而不必通過各種優(yōu)惠政策的扶持來發(fā)展。當(dāng)前的煤制天然氣成本中，與煤炭（原料煤、燃料煤）價格相關(guān)的成本費(fèi)用及工資等其他費(fèi)用約占50%，與投資相關(guān)的制造費(fèi)用（包括折舊等費(fèi)用）約占50%，開工率也是影響效益的重要因素。煤炭價格對成本的影響雖然重要，實(shí)際降低煤價的空間不大。目前我國煤制天然氣項(xiàng)目都是由能源企業(yè)承擔(dān)，可行性研究中測算的煤價都是按煤炭開采保本微利或成本價計(jì)算的，幾乎沒有按市場價的，隨著今后煤炭資源稅、安全環(huán)境成本的增加，只能上漲，不可能下降（煤炭市場價格則另當(dāng)別論，還受到需求的影響），再降低煤價幾無可能。因此，提高煤制天然氣效益只能在降低投資和提高操作負(fù)荷兩方面下功夫，特別是節(jié)省投資，對效益影響非常顯著?？梢哉f，節(jié)省投資就是創(chuàng)造利潤。實(shí)際生產(chǎn)中創(chuàng)造10億元的利潤非常困難，而對一個投資200億元的項(xiàng)目，節(jié)約10億元的投資（占5%）還是有可能的。為突破煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸制約，提出以下的發(fā)展建議和設(shè)想。3.1設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)國產(chǎn)化我國現(xiàn)在很多煤制天然氣項(xiàng)目都是采用引進(jìn)技術(shù)來建設(shè)的，主要是歐美技術(shù)。我國采用的煤氣化技術(shù)可謂“百花齊放”，有SHELL、GSP、BGL、GE、E-GAS、U-GAS等多種技術(shù)，大型低溫甲醇洗非林德即魯奇，甲烷化技術(shù)也出不了戴維、托普索等公司，加上成套引進(jìn)的大型空分，其投資高企也就很正常了。在降低投資方面，煤制天然氣應(yīng)該向小氮肥和電力行業(yè)學(xué)習(xí)，通過設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)國產(chǎn)化來降低投資?；十a(chǎn)業(yè)市場化改革過程中，我國一批小氮肥企業(yè)雖然規(guī)模小、實(shí)力弱、資源條件差，但在市場競爭中，逐步發(fā)展壯大，甚至達(dá)到大化肥的規(guī)模，卻僅花了大化肥1/2到1/3的投資，主要靠的就是標(biāo)準(zhǔn)化、國產(chǎn)化。如中小化肥的三大關(guān)鍵設(shè)備——?dú)饣癄t、壓縮機(jī)、合成塔，已基本形成系列定型產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)批量制造生產(chǎn)，技術(shù)上完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，專利費(fèi)用與國外不在一個數(shù)量級，大大降低了投資。電力行業(yè)也是通過標(biāo)準(zhǔn)化、國產(chǎn)化降低投資的典型，如超-超臨界鍋爐和汽輪機(jī)的開發(fā)，都是在引進(jìn)首套后實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化開發(fā)和系列化制造，顯著降低了我國煤電項(xiàng)目的投資，千瓦投資從6000多元下降到4000多元。政府體制改革、化學(xué)工業(yè)部撤銷后，通過政府來強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)煤化工的標(biāo)準(zhǔn)化、國產(chǎn)化難度較大，主要還應(yīng)通過市場化手段實(shí)施。煤制天然氣項(xiàng)目需要標(biāo)準(zhǔn)化的可能是氣化爐、低溫甲醇洗系列設(shè)備、甲烷化爐、空分等大型關(guān)鍵設(shè)備。氣化爐應(yīng)以國內(nèi)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)系列化的標(biāo)準(zhǔn)爐型，具體項(xiàng)目可根據(jù)煤種情況微調(diào)；低溫甲醇洗以處理氣量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)幾套不同壓力下、對應(yīng)不同爐型的成套設(shè)備；甲烷化爐像合成塔一樣設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過系列并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)大型化?？辗衷O(shè)備已基本成套化，但國內(nèi)外設(shè)備投資差距較大，重點(diǎn)是大型空分成套設(shè)備的國產(chǎn)化。通過設(shè)備系列化、技術(shù)國產(chǎn)化，加上方案優(yōu)化和采購管理，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低煤制天然氣項(xiàng)目20%左右的投資是可能的，這將顯著提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。3.2多聯(lián)產(chǎn)提高操作負(fù)荷解決煤制天然氣項(xiàng)目的負(fù)荷和碳排放的主要途徑可能是多聯(lián)產(chǎn)。煤制天然氣、費(fèi)-托合成油、甲醇、IGCC等廣義的煤化工項(xiàng)目，其氣化、變換、凈化工段基本相同，相同部分約占投資的70%，差別在于合成及后加工，約占投資的30%，因此具備了發(fā)展多聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)。另外，40億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目的動力負(fù)荷約466MW（其中電負(fù)荷、蒸汽透平的動力負(fù)荷分別為285MW和181MW），相當(dāng)于一個中等規(guī)模的發(fā)電廠。真正用于工藝上的熱負(fù)荷并不多，其效率損失的關(guān)鍵是熱動系統(tǒng)。為提高可靠性，當(dāng)前煤化工項(xiàng)目配套的動力系統(tǒng)多為小型鍋爐和小型凝汽式透平，其效率要低于大型超臨界和超-超臨界發(fā)電機(jī)組，在當(dāng)前工藝技術(shù)水平下，提高動力系統(tǒng)效率是提高煤化工系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。根據(jù)測算，如果集成大型超-超臨界電站和煤制天然氣項(xiàng)目，煤制天然氣的能源效率最高可達(dá)到66%，比常規(guī)項(xiàng)目提高約8-10個百分點(diǎn)。提高煤制天然氣效率是節(jié)能減排和降低CO2排放的根本。目前的各種CO2利用措施規(guī)模都太小，僅達(dá)萬噸級，而我國CO2排放量將達(dá)百億噸級，因此大多數(shù)CO2利用措施不能從根本上解決減排問題，而且CO2利用所需的原料另外增加了能耗及碳排放，有些得不償失；CO2回注、封存在我國實(shí)施難度也很大，成本代價高，估計(jì)規(guī)模最多達(dá)到千萬噸級，也難解決問題。我國作為發(fā)展中的人口大國，做些示范工程尚可，似不應(yīng)在CO2終端利用上花太大的代價，也沒有必要承擔(dān)過多的CO2減排義務(wù)，而應(yīng)將工作重點(diǎn)放在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都可行的節(jié)能上。氣-電聯(lián)產(chǎn)就是一項(xiàng)很好的節(jié)能減排措施。以IGCC代替常規(guī)發(fā)電后，其CO2排放將顯著降低，宏觀上將補(bǔ)償煤化工碳排放的增加。IGCC達(dá)到一定規(guī)模后，甚至?xí)爸泻汀钡裘夯さ腃O2排放。按規(guī)模和可行性，設(shè)想煤制天然氣的多聯(lián)產(chǎn)模式可以分為以下三種。一是產(chǎn)氣為主，配套聯(lián)合循環(huán)熱動系統(tǒng)。一套40億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目所需動力負(fù)荷為466MW，剛好等于一套IGCC電廠的規(guī)模，可以將兩者集成，以IGCC代替普通的鍋爐和熱電，并適當(dāng)放大發(fā)電規(guī)模，實(shí)現(xiàn)“一頭兩尾”，在氣-電之間適度調(diào)節(jié)。二是產(chǎn)電為主，產(chǎn)氣為輔。建設(shè)大規(guī)模的IGCC電廠（如4000MW），產(chǎn)氣作為發(fā)電季節(jié)性峰-谷的調(diào)節(jié)措施。由于電廠本身的利用小時為5000-6000h，與天然氣互為調(diào)節(jié)可以更好地利用全廠的產(chǎn)能。三是氣-油聯(lián)產(chǎn)。我國費(fèi)-托合成油技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，合成油耗合成氣約5500m3/t，是所有化工產(chǎn)品合成中氣耗量最大的，且油品單位能值高，貯存容易，市場容量大，流程也比較簡單，作為天然氣調(diào)峰是可能的。對一個40億m3/a的煤制天然氣項(xiàng)目，可增加一套百萬噸級費(fèi)-托合成工序，約占總產(chǎn)能的1/3，也有益于提高全廠經(jīng)濟(jì)效益。多聯(lián)產(chǎn)牽涉不同產(chǎn)業(yè)，可以有不同的組合模式，但協(xié)調(diào)難度較大，需要組織各部門力量，在工程化方面做好扎實(shí)工作。3.3工藝流程的創(chuàng)新、簡化煤制天然氣的本質(zhì)是把煤轉(zhuǎn)化為便于輸送和使用的氣體燃料。由于天然氣（甲烷）管網(wǎng)完備、使用設(shè)施齊全、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，因此把煤轉(zhuǎn)化為甲烷易實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的對接，產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施條件好?；诂F(xiàn)有技術(shù)水平的煤制天然氣項(xiàng)目的工藝路線設(shè)計(jì)，還是如甲醇、合成油等煤化工項(xiàng)目一樣走合成路線，即先把煤氣化為CO和H2，經(jīng)過一系列的凈化和調(diào)整，再把CO和H2合成甲烷。從數(shù)量上看，合成1000m3甲烷需4000m3合成氣（CO+H2），產(chǎn)品價格不到2000元/m3；每噸甲醇需2300m3合成氣，每噸合成氨需2100m3合成氣，氨、醇產(chǎn)品價格都在2500元/t左右。因此，走合成路線時，煤制天然氣經(jīng)濟(jì)上即“先天不足”。要提高競爭力，還得從工藝流程上下功夫，即提高氣化爐甲烷含量、簡化流程，這就需要對煤制天然氣的流程進(jìn)行創(chuàng)新。筆者設(shè)想我國煤制天然氣的創(chuàng)新步驟可能分成以下三步走：第一步是在現(xiàn)有成熟流程上的完善和國產(chǎn)化。即如圖1所示的流程。首先要解決甲烷化技術(shù)、裝備的國產(chǎn)化問題，同時實(shí)現(xiàn)大型低溫甲醇洗凈化、氣化、空分等關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化；在現(xiàn)有多種技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)、完善高甲烷含量的氣化爐型；降低煤制天然氣項(xiàng)目的投資。根據(jù)國內(nèi)的工程技術(shù)水平和設(shè)備制造能力，第一步開發(fā)是可以實(shí)現(xiàn)的。煤制天然氣第二步技術(shù)開發(fā)建議的流程如圖2。即氣化爐出來的粗煤氣，直接送入甲烷化工序，在甲烷化工序同時完成CO、CO2和H2生成甲烷、及過量的CO部分變換的問題。合成氣完成甲烷化后，再送低溫甲醇洗脫除硫化氫和CO2，最終得到甲烷氣。該方案的凈化負(fù)荷大大降低，獨(dú)立變換流程可以省去，將可降低一些投資。該流程的關(guān)鍵是耐硫甲烷化催