焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)濃縮甲烷用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾姆治?/h1>

摘 要

摘要：論述了應(yīng)用變壓吸附技術(shù)以焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)濃縮甲烷的工藝、濃縮甲烷性質(zhì)參數(shù)、濃縮甲烷的應(yīng)用范圍與優(yōu)勢(shì)、工程的經(jīng)濟(jì)性。濃縮甲烷用于城鎮(zhèn)燃?xì)饩哂锌尚行浴ｊP(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣
摘要：論述了應(yīng)用變壓吸附技術(shù)以焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)濃縮甲烷的工藝、濃縮甲烷性質(zhì)參數(shù)、濃縮甲烷的應(yīng)用范圍與優(yōu)勢(shì)、工程的經(jīng)濟(jì)性。濃縮甲烷用于城鎮(zhèn)燃?xì)饩哂锌尚行浴?/span>
關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；變壓吸附；濃縮甲烷；城鎮(zhèn)燃?xì)?/span>
Analysis on Use of Concentrated Methane Produced from Coke 0ven Gas as City Gas
LIU Ning-hua
Abstract：The production process of concentrated methane from coke oven gas by pressure swing adsorption technology，the characteristic parameters of concentrated methane，the application range and advantages of concentrated methane and the engineering economy are expounded. The use of concentrated methane as city gas is feasible.
Key words：coke oven gas；pressure swing adsorption；concentrated methane；city gas
   在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期，焦?fàn)t煤氣除了在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)得到充分利用外，獨(dú)立的煉焦企業(yè)大多將其用作城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠础＝陙?，焦炭市?chǎng)的需求導(dǎo)致了煉焦行業(yè)快速發(fā)展，但鑒于政策、投資、工藝技術(shù)等諸多方面的原因，焦?fàn)t煤氣未能很好利用，相當(dāng)多的獨(dú)立焦化廠產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火炬燃燒后排入大氣，嚴(yán)重地污染了環(huán)境，浪費(fèi)了資源。2004年12月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布并于2005年1月1日實(shí)施的《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》中明確規(guī)定，“新建或改擴(kuò)建焦?fàn)t，焦?fàn)t煤氣必須全部回收利用，不得直排或點(diǎn)火炬。”焦?fàn)t煤氣的利用才引起重視，用于生產(chǎn)甲醇或用于發(fā)電。本文就焦?fàn)t煤氣采用變壓吸附(PSA)工藝生產(chǎn)濃縮甲烷進(jìn)行分析，探討其用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾目尚行浴?/span>
1 生產(chǎn)工藝
   ① 焦?fàn)t煤氣的預(yù)處理
   煉焦過程產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)冷凝鼓風(fēng)、脫硫、脫氨、粗苯回收工序后，得到凈化的焦?fàn)t煤氣。干煤氣體積分?jǐn)?shù)見表1，焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)的質(zhì)量濃度見表2。
表1 干煤氣體積分?jǐn)?shù)    %
組分
體積分?jǐn)?shù)
H2
54～59
CH4
24～28
CO
5.5～7.0
N2
3～5
CO2
l～3
CnHm
2～3
O2
0.3～0.7
表2 焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)的質(zhì)量濃度    mg/m3
雜質(zhì)
質(zhì)量濃度
焦油及灰塵
≤10
硫化氫
≤50
氨
≤50
萘
～350
    為滿足變壓吸附工藝需要，需進(jìn)一步脫除萘和其他雜質(zhì)。首先采用低溫水冷卻煤氣，使其溫度低于15℃，大部分萘結(jié)晶而析出，此時(shí)煤氣萘質(zhì)量濃度低于200mg/m3；然后在預(yù)處理器用過熱蒸汽(壓力為0.6MPa)進(jìn)一步脫除萘、硫化氫，焦?fàn)t煤氣即達(dá)到變壓吸附工藝生產(chǎn)濃縮甲烷的原料氣要求。
    ② 變壓吸附生產(chǎn)濃縮甲烷
    變壓吸附原理是利用不同吸附劑對(duì)不同物質(zhì)的吸附能力、吸附速度和吸附容量的不同，以及吸附劑對(duì)混合氣體中各種組分的吸附容量隨壓力而變化的物理特性，采用自動(dòng)控制閥門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)升壓吸附、降壓解析的氣體分離過程。濃縮甲烷的生產(chǎn)就是利用不同吸附劑對(duì)焦?fàn)t煤氣的不同組分吸附能力的差異，通過壓力變化，實(shí)現(xiàn)甲烷與其他氣體的分離。
濃縮甲烷工藝流程見圖1。經(jīng)預(yù)處理的原料焦?fàn)t煤氣，經(jīng)壓縮機(jī)加壓至0.8MPa，送至變壓吸附裝置。在PSA-1裝置中脫碳，利用所裝吸附劑對(duì)焦?fàn)t煤氣中不同組分的吸附能力不同、吸附容量隨壓力而變化的特性，在降壓的過程中，原料氣中H2和CH4因吸附能力小先釋放出來，作為凈化氣以約0.8MPa壓力送至PSA-2。焦?fàn)t煤氣中80%的CnHm、CO2則與之分離，達(dá)到除去CnHm、CO2的目的。提氫過程中，利用PSA-2裝置內(nèi)所裝吸附劑對(duì)凈化氣中H2、N2、O2、CO2等氣體與CH4吸附能力不同、吸附容量隨壓力而變化的特性，在降壓的過程中，98%的H2(包括部分N2、O2、CO2)因吸附能力小先釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)與CH4的分離。經(jīng)PSA-2提氫而排出的氫氣既可作為其他工業(yè)的原料，也可與脫碳后的CnHm、CO2混合用于發(fā)電。最后以解析氣的形式分離出CH4，形成以CH4為主的可燃?xì)怏w(以下稱其為濃縮甲烷)。濃縮甲烷的組成見表3。濃縮甲烷的產(chǎn)量約為原料氣體積的18%。
 

表3 濃縮甲烷的組成
組分
體積分?jǐn)?shù)/%
CH4
81～83
CO
7～9
H2
3～5
CnHm
1～2
CO2
1～2
O2+N2
～1
    焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)濃縮甲烷工藝屬綜合技術(shù)創(chuàng)新，雖然目前并無已投產(chǎn)的應(yīng)用項(xiàng)目，但是上述生產(chǎn)工藝及設(shè)備都是成熟的，基本不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
2 濃縮甲烷的應(yīng)用分析
2.1 濃縮甲烷的參數(shù)
    根據(jù)濃縮甲烷的組成，經(jīng)計(jì)算可得到該燃?xì)獾牡蜔嶂禐?0.8～32.6MJ/m3，高熱值為32.0～34.3MJ/m3，華白數(shù)為41.48～44.47MJ/m3，燃燒勢(shì)為45.2。
2.2 應(yīng)用分析
    焦?fàn)t煤氣經(jīng)過回收焦油、粗苯和脫除硫化氫、氨等雜質(zhì)后，凈化的焦?fàn)t煤氣即可作為城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠础５鋺?yīng)用和經(jīng)營(yíng)中存在著以下局限性：
    ① 由于煉焦行業(yè)的特殊性和環(huán)境保護(hù)的要求，近年來所建焦化廠相對(duì)靠近煤炭資源，遠(yuǎn)離大中城市。所在區(qū)域的城市規(guī)模一般都較小，以常住人口為(8～10)×104人的縣級(jí)城市計(jì)算，發(fā)展2×104戶居民和相應(yīng)的商業(yè)用戶，日供氣量不過3×104m3/d；而常住人口為20×104人左右的地級(jí)城市，日供氣量也不過(5～6)×104m3/d，發(fā)展前景不好。
    ② 該燃?xì)鈨H能作為民用、商業(yè)和工業(yè)的燃料，應(yīng)用范圍較窄。
    ③ 按焦?fàn)t煤氣氣質(zhì)和各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，焦?fàn)t煤氣民用氣價(jià)格不會(huì)高于1.50元/m3。在規(guī)模和價(jià)格的影響下，燃?xì)馄髽I(yè)經(jīng)營(yíng)將十分困難。
    利用變壓吸附工藝生產(chǎn)的濃縮甲烷用于城鎮(zhèn)燃?xì)?，不僅可用于居民和商業(yè)用戶，還可作為燃料用于公共交通及專用車輛，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。采用CNG方式輸送，也使相臨近的城鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)燃?xì)饣蔀榭赡?，?jīng)營(yíng)規(guī)模成倍擴(kuò)大[1]。與焦?fàn)t煤氣相比，濃縮甲烷還具有以下優(yōu)勢(shì)：
    ① 更為潔凈且熱值高，符合城鎮(zhèn)燃?xì)庀蚋邿嶂蛋l(fā)展的趨勢(shì)。
② 由于熱值高，在滿足同等規(guī)模用戶需求的情況下，濃縮甲烷比焦?fàn)t煤氣輸送量小，可降低管道及輸送設(shè)備的造價(jià)。
③ 在石油產(chǎn)品價(jià)格不斷攀升的環(huán)境下，濃縮甲烷采用CNG方式用于公共交通及專用車輛，其售價(jià)受石油產(chǎn)品價(jià)格影響可隨之提高，企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益將大幅提高。
    ④ 輸送方式多樣化，既可管道輸送，也可采用CNG方式輸送。
    ⑤ 變壓吸附裝置開停機(jī)方便，生產(chǎn)負(fù)荷可隨城鎮(zhèn)燃?xì)庥昧空{(diào)整。
    上述分析表明，濃縮甲烷有著焦?fàn)t煤氣不具備的優(yōu)勢(shì)，是中小城市發(fā)展城鎮(zhèn)燃?xì)獾妮^佳氣源。焦化廠用于發(fā)電的焦?fàn)t煤氣，可以先提取甲烷再發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。一座年產(chǎn)60×104t/a焦炭的焦化廠，可日產(chǎn)(6～7)×104m3/d濃縮甲烷。根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)庥脷饬恐笜?biāo)估算，考慮居民、商業(yè)及部分公共交通工具用氣，可滿足2～3個(gè)縣級(jí)城市或1個(gè)地級(jí)城市用氣需求。
2.3 經(jīng)濟(jì)分析
    焦化廠濃縮甲烷的生產(chǎn)，主要需要增加煤氣脫萘裝置、溴化鋰制冷裝置、煤氣冷卻塔、預(yù)處理器、煤氣壓縮機(jī)、變壓吸附裝置。日產(chǎn)(6～7)×104m3/d濃縮甲烷規(guī)模的工程造價(jià)約(3500～4000)×104元。以1m3濃縮甲烷實(shí)現(xiàn)0.7元利潤(rùn)計(jì)，2～3年即可收回投資。
    濃縮甲烷的成本主要由運(yùn)行費(fèi)用和原料成本構(gòu)成。運(yùn)行費(fèi)用主要由壓縮機(jī)的電費(fèi)、蒸汽費(fèi)以及人員工資組成，運(yùn)行費(fèi)用估算不超過0.7元/m3。焦?fàn)t煤氣價(jià)格以0.3元/m3計(jì)，按熱量比例分?jǐn)偅?m3濃縮甲烷的原料成本約0.6元?？紤]投資回收后，濃縮甲烷的總成本不會(huì)超過1.5元/m3。
3 結(jié)論
    利用遠(yuǎn)離大中城市焦化廠的焦?fàn)t煤氣，經(jīng)脫萘、預(yù)處理和變壓吸附得到濃縮甲烷作為城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠?，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行，且能充分利用資源。以往在天然氣價(jià)格偏低的情況下，分離焦?fàn)t煤氣得到濃縮甲烷的價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不突出。在目前天然氣價(jià)格日益上漲的趨勢(shì)下，濃縮甲烷作為城鎮(zhèn)燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。
參考文獻(xiàn)：
[1] 彭世尼，楊苑鶯.小城鎮(zhèn)生活能源與燃?xì)饣ㄔO(shè)[J]煤氣與熱力，2006，26(3)：36-38.
 
(本文作者：劉寧華 昆明煤氣(集團(tuán))控股有限公司 云南昆明 650216)