2022 年 8 月 10 日，中国海油下属的中海石油气电集团有限责任公司（以下简称气电集团）与西南化工研究设计院有限公司（以下简称西南院）联合研制的甲烷化催化剂，在新疆庆华大型煤制天然气项目中首次实现 110% 满负荷平稳运行，获得的甲烷浓度为 61.7%，高于国外引进技术近 3 个百分点，这标志着我国自主研制的大型煤制天然气甲烷化技术取得重大突破（见中国能源报报道）。
在我国能源安全领域，这是一件非常值得庆祝的大事。它意味着在煤制天然气催化剂方面，中国已经达到了国际领先水平，成功实现领跑地位。你以为仅仅是这样吗？不，让我们将目光稍稍回望到今年的 3 月份，西南化工研究设计院有限公司（简称“西南院”）与庆华能源集团有限公司签订了 15 亿立方米 /年煤制天然气项目 CNGC-2 气体调节剂和 CNJ-8 甲烷化催化剂供货合同。该合同的成功签订标志着煤制天然气项目的核心部分 —— 催化剂首次完全实现国产化。在短短不到半年的时间里，我国在煤制天然气催化剂领域又取得巨大突破。
众所周知，我国拥有丰富的化石能源资源，在能源储量上具有“缺油少气富煤”的特点，这使得我国能源消费结构比较固定。除了上海以外，中国的大部分省份均有煤炭资源分布，其中内蒙古、陕西、山西等是产煤重地。不过，中国虽然是煤炭大国，但是煤炭储量中“高硫高灰高熔点”的劣质煤炭比例较高，仅山西省这样的劣质煤炭就占总储量的三分之一。这些劣质煤炭长期以来难以清洁利用，因此如何实现对其高效清洁的利用，成为了能源人孜孜以求的目标。
而另一方面，目前我国在天然气方面的需求非常大。2021 年，中国天然气消费量为 3726 亿立方米，但产量仅为 2052 亿立方米，能源缺口达到了 1674 亿立方米。据国家能源局预测，中国的天然气供需在中短期内仍将面临较大的缺口。很显然，如果能够大规模的将劣质煤转化为天然气，不但有助于缩小能源缺口，产生巨大的经济效益，更重要的是能够为环保提供更大的助力。
目前，将煤炭转化为能源产品的利用方式有煤发电、煤制油、煤制甲醇和二甲醚、煤制天然气等。在这些利用方式中，能量转化效率最高的便是煤制天然气。
那么，煤制天然气是如何生产出来的呢? 主要是经过以下几个步骤：
① 原煤在气化炉中与来自空分装置的氧气以及蒸汽进行反应后得到粗合成气。粗合成气的主要组成为氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢、油和高级烃等。
② 粗合成气经急冷和洗涤后送入变换单元，经过部分变换和工艺废热回收后进入酸性气体脱除单元，脱除硫化氢和二氧化碳及其他杂质。
③ 之后将煤气送入甲烷化单元。在甲烷化单元内得到合格的天然气产品，再经压缩干燥后送入天然气管网。
④ 在这个过程中的还会产出硫磺、粗酚等副产品。
简而言之，煤制天然气是以劣质煤为原料，经历了气化、变换、净化等工序，使合成气达到合成甲烷的氢碳比，再经甲烷化生产而得到的。如流程图所展示，甲烷化的过程既是流程的终端，也是最关键、最重要的部分。如果甲烷化做得好，所转化的天然气就多，商业价值就高。因此甲烷化所需的催化剂就成了重中之重 —— 只要催化好，气气少不了！
近年来，中国一直致力于煤制天然气生产全技术链的国产化，在煤气化、变换、脱酸等技术上都已实现国产化，不过，甲烷化技术开发难度大，多年来一直未取得突破。截至 2019 年，投入运行的商业化煤制天然气工程已达四个（本文新闻中的庆华工程就是其中之一），但它们的甲烷化工艺均采用国外技术，为此中国付出了巨额的技术转让费。2010 年，西南院开始对煤制天然气项目进行立项，到了 2022 年，煤制天然气才完全实现国产化，其中的艰辛可想而知。而国产甲烷化技术的出现，将会对未来商业化煤制天然气项目起到推动作用。
虽然我国在煤制天然气技术取得了长足的进步，但还存在着一些亟待解决的问题。例如，在能耗方面，煤制天然气生产中的二氧化碳排放量依旧很高，对于水的需求同样很大，而我国产煤重地多为缺水地区。这些矛盾限制了煤制天然气产业的发展，特别在双碳背景下，问题变得更加尖锐。我们如何在国产化技术的道路上更进一步，如何去解决生产中所暴露出来的问题，并将实验室的已有成果应用到工业生产中，这是煤制天然气工程师们即将面对并踏上的新征程。
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨
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