一種高效利用焦?fàn)t煤氣的新工藝

摘 要

摘要：目前我國(guó)焦?fàn)t煤氣的主要用途是作為工業(yè)和民用燃料，其中寶貴的氫氣資源沒能得到合理利用。為此，結(jié)合煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃?xì)馄髽I(yè)各自需求實(shí)際，因地制宜地提出了一種高
摘要：目前我國(guó)焦?fàn)t煤氣的主要用途是作為工業(yè)和民用燃料，其中寶貴的氫氣資源沒能得到合理利用。為此，結(jié)合煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃?xì)馄髽I(yè)各自需求實(shí)際，因地制宜地提出了一種高效合理利用焦?fàn)t煤氣的新工藝：分離提純焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分，以提高其附加值；將剩余的解吸氣體等進(jìn)行調(diào)配，生產(chǎn)符合國(guó)標(biāo)要求的代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低值產(chǎn)品的高值利用。通過對(duì)傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制氫工藝的優(yōu)化，采取跨行業(yè)聯(lián)合、梯級(jí)對(duì)口利用模式，使得各種工況條件下，能源價(jià)值能夠得到最大化利用。該工藝可直接用于工程實(shí)際。
關(guān)鍵詞：能源；焦?fàn)t煤氣；制氫；變壓吸附；代天然氣；集成工藝
1 焦?fàn)t煤氣來源與組成
    焦?fàn)t煤氣是鋼鐵企業(yè)煉焦過程中的副產(chǎn)物，組分比較復(fù)雜，且隨原料煤的質(zhì)量差異而變化，同時(shí)也與焦?fàn)t的操作條件等有關(guān)。盡管影響焦?fàn)t煤氣組分的因素較多，但焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分含量始終保持在較高水平，體積分?jǐn)?shù)超過50%(表1)[1]。
表1 焦?fàn)t煤氣典型組成表    %
項(xiàng)目
組成
項(xiàng)目
組成
H2體積分?jǐn)?shù)
55.53
CO體積分?jǐn)?shù)
8.10
CH4體積分?jǐn)?shù)
23.68
CO2體積分?jǐn)?shù)
5.86
N2體積分?jǐn)?shù)
2.86
CmHn體積分?jǐn)?shù)
3.54
O2體積分?jǐn)?shù)
0.43
 
 
2 焦?fàn)t煤氣的利用與制氫工藝
2.1 焦?fàn)t煤氣的利用現(xiàn)狀
    焦?fàn)t煤氣目前一般被就近用作鋼鐵企業(yè)的燃料或通過管道輸送至附近區(qū)域用作居民生活燃料。這種利用模式存在的主要問題是：用作工業(yè)燃料時(shí)，供需難以達(dá)到平衡，往往供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需求而導(dǎo)致富余量難以處理；用作居民燃料時(shí)，則因?yàn)闊嶂递^低，煤氣中的塵、焦油、硫的含量較高，導(dǎo)致燃燒效果不佳，煙氣排放指標(biāo)不理想，且供應(yīng)量和穩(wěn)定性容易受到煉焦企業(yè)生產(chǎn)的影響。更為重要的是，高附加值組分氫氣沒能得到合理回收利用，直接用作燃料是較大的浪費(fèi)。
    鑒于上述情況，結(jié)合焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)企業(yè)附近就有不少冶金、化工裝置存在極大氫氣需求的特點(diǎn)，近年來，焦?fàn)t煤氣的綜合利用采用了經(jīng)濟(jì)合理的工藝技術(shù)回收其中的氫氣，成為該行業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。
2.2 焦?fàn)t煤氣制氫工藝
2.2.1深冷法
    利用深度冷卻工藝分離氫氣，最終得到的氫氣含量(體積分?jǐn)?shù))為83%～88%，純度不高，所用設(shè)備復(fù)雜且需在高壓條件下操作，生產(chǎn)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、投資回收期長(zhǎng)。因此，該工藝發(fā)展空間不大。
2.2.2變壓吸附法
    1978年美國(guó)UCC公司建成世界上第一套焦?fàn)t煤氣制氫的工業(yè)PSA裝置[2]，1984年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。我國(guó)寶鋼集團(tuán)有限公司于1985年引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。其具有能耗低、流程簡(jiǎn)單、裝置自動(dòng)化程度高、氫氣純度高(體積分?jǐn)?shù)超過99.9%)、回收率高、成本低的特點(diǎn)，是目前焦?fàn)t煤氣制氫的一種主導(dǎo)方法。
2.2.2.1 變壓吸附原理
    利用不同的吸附劑在不同壓力條件下，對(duì)各種氣體組分的吸附容量、吸附力、吸附速度不同的特性，通過選擇相應(yīng)的吸附劑，加壓吸附混合物中的某一種或幾種同類的易吸附組分(通常是物理吸附)，達(dá)到對(duì)混合物提純的目的。
    焦?fàn)t煤氣PSA裝置常用的吸附材料是活性炭類和分子篩類等[3]。
2.2.2.2 變壓吸附循環(huán)過程
    1) 壓力下吸附：向吸附床通入需要分離的氣體混合物，其中強(qiáng)吸附組分被吸附劑選擇吸附，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。
    2) 減壓解吸：根據(jù)被吸附組分的性能，選用降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸先是降低到大氣壓力，然后再?zèng)_洗、抽真空或置換。
    3) 升壓：吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對(duì)吸附床進(jìn)行充壓，直至吸附壓力下進(jìn)行吸附。
2.2.3常見的焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝流程
    焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝流程包括以下5個(gè)工序[4]：原料壓縮工序、冷凍凈化分離工序、變壓吸附脫碳烴工序、脫硫壓縮工序、變壓吸附制氫和脫氧工序(見圖1)。
 
2.2.3.1 原料壓縮、冷凍凈化分離工序
    將焦?fàn)t煤氣加壓至0.6MPa，經(jīng)冷凍設(shè)備后，其溫度降低至3～5℃，焦?fàn)t煤氣中的游離水、焦油、萘、苯等重組分被析出。脫出雜質(zhì)后的低溫焦?fàn)t煤氣與進(jìn)入本工序的原料氣換熱，溫度升至20℃左右。
2.2.3.2 變壓吸附脫碳烴工序
    本工序主要是脫除焦?fàn)t煤氣中強(qiáng)吸附組分氰化氫(HCN)、C2+、CO2、H2S、NH3、NO、有機(jī)硫以及大部分CH4、CO、N2等，成為半成品氣的焦?fàn)t煤氣，此時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)為94%～95%。
2.2.3.3 脫硫壓縮工序
    將上述半成品氣中的硫予以脫除，并壓縮至1.3MPa進(jìn)入變壓吸附制氫脫氧工序。
2.2.3.4 變壓吸附制氫和脫氧工序
    脫除O2等雜質(zhì)后，成為產(chǎn)品氣，其中的氫氣體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到99.99%。
2.2.4解吸氣組成
    解吸氣是變壓吸附階段從焦?fàn)t煤氣中分離出絕大部分氫氣組分后剩余的混合氣體[5]，熱值較高，也很純凈[6](見表2)。
表2 常見的解吸氣組成及燃燒特性參數(shù)表
項(xiàng)目
組成
項(xiàng)目
組成
H2體積分?jǐn)?shù)(%)
22.06
CmHn體積分?jǐn)?shù)(%)
4.21
CH4體積分?jǐn)?shù)(%)
39.70
高位熱值(MJ/m3)
24.60
N2體積分?jǐn)?shù)(%)
14.61
低位熱值(MJ/m3)
22.27
O2體積分?jǐn)?shù)(%)
1.17
華白指數(shù)(MJ/m3)
30.33
CO體積分?jǐn)?shù)(%)
13.64
燃燒勢(shì)
55.50
CO2體積分?jǐn)?shù)(%)
4.61
氣體密度(kg/m3)
0.85
    注：m3均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，下同。
3 利用變壓吸附解吸氣生產(chǎn)代天然氣
    許多城市的煉焦企業(yè)都附屬在鋼鐵企業(yè)內(nèi)，而且鄰近城市天然氣管網(wǎng)。如果煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃?xì)馄髽I(yè)能夠攜手聯(lián)合，三位一體，充分利用城市天然氣管網(wǎng)容量大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將焦?fàn)t煤氣制氫過程中的所有解析氣乃至整個(gè)煉焦(鋼鐵)企業(yè)所有可燃?xì)怏w調(diào)制成合格的代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)管網(wǎng)，那么，就可以達(dá)到焦?fàn)t煤氣各組分各盡其用、合作方共贏的目的。
利用解吸氣(也可以是焦?fàn)t煤氣)生產(chǎn)代天然氣的集成工藝，就是實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想的一種新技術(shù)(圖2)。當(dāng)煉焦企業(yè)和氫氣產(chǎn)品用戶生產(chǎn)裝置正常時(shí)，焦?fàn)t煤氣先提取氫氣，再利用解吸氣生產(chǎn)代天然氣供應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)；而當(dāng)其生產(chǎn)裝置異?；驓錃猱a(chǎn)品銷路不暢時(shí)，則直接利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)代天然氣供應(yīng)管網(wǎng)，避免焦?fàn)t煤氣排空而導(dǎo)致能源浪費(fèi)?？諝?、LNG(包括管輸天然氣)或LPG分別用作生產(chǎn)代天然氣產(chǎn)品時(shí)調(diào)控?zé)嶂岛腿紵匦詤?shù)。
 
3.1 利用解吸氣生產(chǎn)12T代天然氣
    正常情況下，從焦?fàn)t煤氣中提取的高純度氫氣供應(yīng)給氫氣產(chǎn)品用戶，中間副產(chǎn)品——解吸氣則送至混配裝置，與氣相LNG(熱值較高)混配，生產(chǎn)出符合國(guó)標(biāo)要求12T代天然氣產(chǎn)品，供城市燃?xì)夤芫W(wǎng)用戶使用。LNG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為解析氣:LNG=26%:74%。
    也可視具體情況采用LPG調(diào)制方式。必須指出，在此情況下，必須混入一定比例的管輸天然氣，才能使代天然氣產(chǎn)品熱值、燃燒特性參數(shù)均符合要求。LPG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為解吸氣:LPG:管輸天然氣=32%:5%:63%。利用解析氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)見表3。
表3 利用解析氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)表
項(xiàng)目
組成
LNG調(diào)制方式
LPG調(diào)制方式
H2體積分?jǐn)?shù)(%)
5.66
6.96
CH4體積分?jǐn)?shù)(%)
76.20
75.86
N2體積分?jǐn)?shù)(%)
3.80
5.51
O2體積分?jǐn)?shù)(%)
0.30
0.37
CO體積分?jǐn)?shù)(%)
3.50
4.30
CO2體積分?jǐn)?shù)(%)
1.18
1.45
CmHn體積分?jǐn)?shù)(%)
9.36
5.55
高位熱值(MJ/m3)
39.31
39.28
低位熱值(MJ/m3)
35.59
35.60
花白指數(shù)(MJ/m3)
49.26
48.13
燃燒勢(shì)
45.42
44.65
氣體密度(kg/m3)
0.82
0.86
3.2 利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)12T代天然氣
    當(dāng)變壓吸附制氫裝置出現(xiàn)故障，或下游氫氣產(chǎn)品用戶生產(chǎn)裝置不正常時(shí)，則經(jīng)過壓縮、冷凍脫水后的焦?fàn)t煤氣可直接與氣相LNG混配，同樣生產(chǎn)出符合國(guó)標(biāo)要求的12T代天然氣產(chǎn)品供城市燃?xì)夤芫W(wǎng)用戶使用。LNG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為：焦?fàn)t煤氣:LNG=22%:78%。
    同樣，也可以采用LPG調(diào)制方式，混合比例(氣相體積比)為焦?fàn)t煤氣:LPG:管輸天然氣=65%:15%:20%。利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)見表4。
表4 利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)表
項(xiàng)目
組成
LNG調(diào)制方式
LPG調(diào)制方式
H2體積分?jǐn)?shù)(%)
12.07
36.51
CH4體積分?jǐn)?shù)(%)
74.64
34.33
N2體積分?jǐn)?shù)(%)
0.68
2.15
O2體積分?jǐn)?shù)(%)
0.09
0.04
CO體積分?jǐn)?shù)(%)
1.76
5.29
CO2體積分?jǐn)?shù)(%)
1.27
3.83
CmHn體積分?jǐn)?shù)(%)
9.49
17.85
高位熱值(MJ/m3)
39.39
39.22
低位熱值(MJ/m3)
35.59
35.59
花白指數(shù)(MJ/m3)
51.43
48.16
燃燒勢(shì)
53.81
74.25
氣體密度(kg/m3)
0.76
0.86
3.3 轉(zhuǎn)換效率
    按照上述解吸氣工藝，1.0m3焦?fàn)t煤氣可產(chǎn)生0.44m3左右的氫氣，并釋放出0.5m3左右的解吸氣，解吸氣與LNG或LPG混配生產(chǎn)代天然氣的轉(zhuǎn)換效率為93.2%～97.6%。
4 結(jié)論
    將煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃?xì)馄髽I(yè)聯(lián)合起來，先將焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分分離提純，以提高其附加值，然后將剩余的解吸氣體用于生產(chǎn)代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低值產(chǎn)品高值利用。采用這種集成的工藝技術(shù)，能夠使各種工況下的能源利用得到最優(yōu)化，是焦?fàn)t煤氣綜合利用的發(fā)展方向之一。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：羅東曉1，2 1.廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司；2.華南理工大學(xué))