煤制天燃?xì)猓⊿NG）技術(shù)應(yīng)用研究

摘要：煤制天燃?xì)猓⊿NG）有效解決了焦?fàn)t煤氣的出路問(wèn)題，變廢為寶，符合《河北省節(jié)約能源條例》的宗旨，為河北省建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)、實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。SNG項(xiàng)目的實(shí)施有助于大力推進(jìn)雙向減排，為改善用能結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排起到示范作用。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；煤制天燃?xì)?；清潔能源；?jié)能減排；硫化物 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD94 文章編號(hào)：1009-2374（2016）02-0147-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.072

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源的消費(fèi)量也不斷增加，目前中國(guó)已成為僅次于美國(guó)的世界第二大能源生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)、世界第一大煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)、世界第三大石油消費(fèi)國(guó)。在快速發(fā)展的過(guò)程中，在能源加工和利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題困擾著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，每年因環(huán)境污染造成的損失超過(guò)1100億元。

隨著我國(guó)汽車保有量的高速增長(zhǎng)，汽車尾氣排放已成為我國(guó)城市大氣污染的主要污染源之一。非采暖期城區(qū)機(jī)動(dòng)車輛排放的CO、HC和NOx已分別占單項(xiàng)總排污的60%、86.8%和54.7%。在目前使用的各種汽車代用燃料中，天燃?xì)庾鳛樽钋鍧嵉拿裼萌剂霞败囉锰娲茉?，由于其自身?duì)大氣環(huán)境污染小等特點(diǎn)，成為最理想的清潔燃料。以“能源的可持續(xù)發(fā)展支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略，在目前能源供應(yīng)和節(jié)能減排環(huán)保要求的形勢(shì)下，發(fā)展清潔能源已勢(shì)在必行。

工藝介紹：煤制天燃?xì)猓⊿NG）共分為五個(gè)主要工藝過(guò)程：預(yù)凈化工序、壓縮工序、脫苯工序、變換脫硫工序、變壓吸附工序。

1 煤氣預(yù)處理

焦?fàn)t煤氣凈化在國(guó)內(nèi)是十分成熟的工藝技術(shù)，但由于焦?fàn)t煤氣來(lái)源不同，氣相組成及雜質(zhì)含量不盡相同。對(duì)焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)組分（除硫化物外）的凈化手段也多種多樣。焦?fàn)t煤氣的預(yù)凈化主要是脫除焦?fàn)t煤氣中的粉塵、焦油、萘。由于焦?fàn)t的粗煤氣出口壓力不高，需通過(guò)復(fù)式壓縮機(jī)組對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行加壓脫萘在采用較低溫度下油洗的辦法，油洗處理后的焦?fàn)t煤氣中因仍然含有萘、焦油及粉塵等。所以粗脫焦油脫萘需要采用兩臺(tái)吸附器切換使用。

2 焦?fàn)t煤氣壓縮

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)是SNG項(xiàng)目中十分重要的動(dòng)力設(shè)備，由于焦?fàn)t煤氣中含有焦油、塵埃等，對(duì)壓縮機(jī)的葉輪是致命的傷害，為保證壓縮機(jī)的連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最好選擇往復(fù)式壓縮機(jī)。盡管焦?fàn)t煤氣含有焦油及塵埃等雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)粗脫萘和焦油，通過(guò)蒸汽的定期吹掃，能夠保證壓縮機(jī)在一定周期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。主機(jī)冷卻形式采用噴軟化水或柴油，防止雜質(zhì)對(duì)缸體產(chǎn)生影響，雜質(zhì)則隨軟水一起排出。

3 脫苯工序

經(jīng)過(guò)粗脫萘的焦?fàn)t煤氣，經(jīng)過(guò)氣柜緩沖后壓力約4kPa，溫度40℃，其中12000Nm3/h焦?fàn)t煤氣進(jìn)入焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)加壓至35kPa·G后進(jìn)入TSA系統(tǒng)脫苯，脫苯后的10000Nm3/h焦?fàn)t煤氣送出界區(qū)去發(fā)電裝置，2000Nm3/h、15kPa的脫苯再生氣送界外焦化裝置洗苯系統(tǒng)。

變溫吸附裝置再生所需的熱介質(zhì)通過(guò)電加熱器升溫、冷吹氣冷卻器冷卻，形成吸附（A）、降壓（D）、加熱（H）、冷吹（C）、升壓（R）的再生循環(huán)。再生氣來(lái)自脫苯氣，脫苯氣首先進(jìn)入處于冷吹步序的凈化器，再通過(guò)換熱器升溫至160℃，進(jìn)入處于加熱再生步序的凈化器，最終的再生廢氣經(jīng)冷卻器、氣液分離器后去焦化裝置洗苯系統(tǒng)，約4小時(shí)再生一次。

4 變換脫硫工序

焦?fàn)t煤氣中CO含量約為8.4%（干基），H2含量約為56.18%，為獲得盡量多的氫氣，須對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行全氣量變換反應(yīng)，增加H2含量。變換反應(yīng)方程式如下：

CO+H2O→CO2+H2+Q

在催化劑作用下，原料氣中的CO與H2O反應(yīng)生成相應(yīng)量的CO2和H2，并放出大量反應(yīng)熱。

因焦?fàn)t煤氣具有硫含量較高的特點(diǎn)，適合采用耐硫變換工藝。鈷鉬系催化劑具有有機(jī)硫加氫轉(zhuǎn)化功能，可以有效降低有機(jī)硫含量。鈷鉬系催化劑活性高，特別是低溫活性要比鐵鉻系高得多，使用鈷鉬系催化劑可以降低催化劑裝量，減小反應(yīng)器體積。

耐硫變換工藝裝置主要有中變工藝、中串低工藝、全低變工藝和中低低工藝等。因全低變工藝具有溫度低、蒸汽消耗少、易于操作、操作成本低等優(yōu)點(diǎn)，故變換采用全低變工藝。

在PSA提氫裝置中變換氣壓力具有較寬的活性溫區(qū)。其活性溫區(qū)一般在170℃～480℃之間，這是能夠應(yīng)用于全低變工藝的基本保證，其具有良好的耐低硫、抗高硫及抗毒性能。原料氣體H2S濃度在50～500mg/Nm3均可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。硫化后強(qiáng)度亦可提高30%～50%。采用全低變工藝，一段催化劑可使用3年或更長(zhǎng)。

焦?fàn)t煤氣中的有機(jī)硫經(jīng)過(guò)耐硫變換后大部分轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫，PSA系統(tǒng)要求脫硫后氣體中總硫≤5mg/Nm3，由于變換氣中硫含量不高（<94mg/Nm3）、變換氣氣量不大（濕基：～31931Nm3/h），所以采用活性炭脫硫劑。

在凈化系統(tǒng)中包括吸附器、相應(yīng)數(shù)量的閥門、加熱器、冷卻器等設(shè)備。吸附器均采用復(fù)合床，在一臺(tái)吸附器內(nèi)分別裝填至少兩種不同的吸附劑，每臺(tái)吸附器分別經(jīng)歷吸附、降壓、加熱（吹掃）、冷卻（吹掃）、升壓等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣脫苯。吸附劑采用脫苯氣再生，再生廢氣送焦化系統(tǒng)洗苯裝置回收苯后，焦?fàn)t煤氣送本裝置循環(huán)利用，不產(chǎn)生再生廢液。

5 變壓吸附（PSA）工序

變壓吸附工藝過(guò)程的工作原理是：利用吸附劑對(duì)氣體混合物中各組分的吸附能力隨著壓力變化而呈現(xiàn)差異的特性，對(duì)混合氣中的不同氣體組分進(jìn)行選擇性吸附，實(shí)現(xiàn)不同氣體的分離。變壓吸附過(guò)程在加壓下進(jìn)行吸附，減壓下進(jìn)行解吸。由于吸附循環(huán)周期短，吸附熱來(lái)不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，波動(dòng)范圍僅為幾攝氏度，可近似看作等溫過(guò)程。變壓吸附工作狀態(tài)是在一條等溫吸附線上變化。為了有效而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)氣體吸附分離凈化，除了吸附劑要有良好的吸附性能外，吸附劑的再生方法也具有關(guān)鍵意義。因此，選擇合適的再生方法及吸附周期時(shí)間，對(duì)吸附分離法的工業(yè)化起著重要的作用。

常用的減壓解吸方法有下列三種，其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓，使吸附劑得到再生：（1）降壓：吸附床在一定壓力下吸附雜質(zhì)組分，然后通過(guò)降壓方式（通常降至接近大氣壓），使被吸附組分解吸出來(lái)。采用降壓方式，被吸附組分解吸不太充分，吸附劑再生不太完全。（2）抽真空：吸附床降到大氣壓后，為了進(jìn)一步減小被吸附組分的分壓，可用抽空的方法來(lái)進(jìn)一步降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果。（3）沖洗：利用較純凈的產(chǎn)品氣或者其他適當(dāng)?shù)臍怏w通過(guò)進(jìn)行再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過(guò)而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣用量和沖洗氣純度。

通常在變壓吸附過(guò)程中根據(jù)被分離的氣體混合物各組分性質(zhì)、產(chǎn)品要求、吸附劑的特性以及操作條件來(lái)選擇幾種上述的再生方法配合實(shí)施。

PSA工序由PSA-CO2/R、PSA-CH4、PSA-H2三套PSA系統(tǒng)組成：

5.1 PSA-CO2/R系統(tǒng)

脫硫后的變換氣與返回氣混合后在1.0MPa壓力下經(jīng)氣液分離器后，進(jìn)入PSA-CO2/R系統(tǒng)。PSA-CO2/R系統(tǒng)是由8臺(tái)吸附器和一系列程序控制閥門構(gòu)成的變壓吸附系統(tǒng)。在PSA-CO2/R系統(tǒng)中，任一時(shí)刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，在出口端得到壓力0.95MPa的脫碳?xì)?，每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）、均壓降（EiD）、順向放壓（PP）、沖洗（P）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。順?lè)艢馀c來(lái)自PSA-CH4系統(tǒng)置換廢氣混合后經(jīng)加壓返回PSA-CO2/R前與脫硫后的變換氣混合作為PSA系統(tǒng)的原料氣；被吸附的CO2通過(guò)來(lái)自PSA-H2的沖洗氣的沖洗得到解吸，解吸氣經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后輸出界區(qū)。

5.2 PSA-CH4系統(tǒng)

從PSA-CO2/R系統(tǒng)過(guò)來(lái)的脫碳?xì)庾鳛镻SA-CH4的原料氣由入口端通入，PSA-CH4是由8臺(tái)吸附器和一系列程序控制閥門構(gòu)成的變壓吸附系統(tǒng)。在PSA-CH4系統(tǒng)中，任一時(shí)刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，出口端得到的吸附廢氣作為粗氫氣進(jìn)入PSA-H2系統(tǒng)；每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）、均壓降（EiD）、置換（RP）、逆向放壓（D）、抽真空（V）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。被吸附的CH4通過(guò)逆放、抽空得到解吸。逆放和抽空的氣體一部分經(jīng)置換氣壓縮機(jī)加壓后返回做置換氣，大部分作為SNG產(chǎn)品經(jīng)穩(wěn)壓后輸出界區(qū)。置換廢氣與來(lái)自PSA-CO2系統(tǒng)的順?lè)艢饣旌虾蠼?jīng)返回氣壓縮機(jī)加壓返回PSA工序入口與脫硫后的變換氣混合作為PSA工序的原料氣。

5.3 PSA-H2系統(tǒng)

從PSA-CH4過(guò)來(lái)的粗氫氣作為PSA-H2的原料氣由入口端通入，PSA-H2是由8臺(tái)吸附器和一系列程序控制閥門構(gòu)成的變壓吸附系統(tǒng)。在PSA-H2系統(tǒng)中，任一時(shí)刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，出口端得到的產(chǎn)品H2輸出界區(qū)；每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）、均壓降（EiD）、逆向放壓（D）、抽真空（V）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。被吸附的雜質(zhì)通過(guò)逆放、抽空得到解吸，解吸氣返回PSA-CO2/R作為再生沖洗氣，最后經(jīng)PSA-CO2/R解吸氣緩沖罐穩(wěn)壓后輸出界區(qū)。

6 結(jié)語(yǔ)

該工藝技術(shù)成熟，先進(jìn)可靠，產(chǎn)品質(zhì)量好、消耗定額低，“三廢”排放量少，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策、環(huán)保政策、能源政策和建設(shè)單位的發(fā)展規(guī)劃。煤制天燃?xì)猓⊿NG）有效解決了焦?fàn)t煤氣的出路問(wèn)題，變廢為寶，符合《河北省節(jié)約能源條例》的宗旨，為河北省建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)以及實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。SNG項(xiàng)目的實(shí)施大力推進(jìn)雙向減排，為改善用能結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排起到示范作用。

參考文獻(xiàn)

[1]天一科技股份有限公司工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求[S].

作者簡(jiǎn)介：馮振輝（1983-），男，河北中煤旭陽(yáng)焦化有限公司助理工程師。

（責(zé)任編輯：蔣建華）