中低溫?zé)峤饷簹饫猛緩椒治黾敖ㄗh

李學(xué)強(qiáng)，鄭化安，張生軍，樊英杰，陳靜升，趙鶴翔

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西　西安　710065)

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中低溫?zé)峤饷簹饫猛緩椒治黾敖ㄗh

李學(xué)強(qiáng)，鄭化安，張生軍，樊英杰，陳靜升，趙鶴翔

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065)

中低溫?zé)峤饷簹馐堑碗A煤分質(zhì)利用過程中重要的產(chǎn)物之一，富含H2、CO、CH4等有效組分。過去蘭炭爐由于煤氣品質(zhì)低、單爐規(guī)模小且建設(shè)分散，煤氣很難集中利用，大都以燃燒供熱或以“點(diǎn)天燈”外排的方式簡單處理，不僅造成了資源的巨大浪費(fèi)，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。本文首先對國內(nèi)典型熱解工藝產(chǎn)生的煤氣組成特性進(jìn)行分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)上闡述了中低溫?zé)峤饷簹獾睦猛緩?，并對中低溫?zé)峤饷簹饩C合利用提出建議，認(rèn)為蘭炭企業(yè)應(yīng)根據(jù)煤氣組成特性和廠區(qū)的具體需要，繼續(xù)加強(qiáng)中低溫?zé)峤饷簹夂侠砝霉に嚶窂降奶剿骱脱芯?，選擇適宜的利用途徑對對中低溫?zé)峤饷簹膺M(jìn)行深加工分質(zhì)利用，從而達(dá)到變廢為寶、節(jié)能減排的目的。

熱解煤氣；組成特性；利用方式

低階煤分質(zhì)利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是根據(jù)低階煤的物質(zhì)構(gòu)成及其物理化學(xué)性質(zhì)，首先采用先進(jìn)中低溫?zé)峤饧夹g(shù)對全粒徑煤炭進(jìn)行分質(zhì)，將煤熱解成氣、液、固三相物質(zhì)，然后再根據(jù)各類熱解產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)有區(qū)別的進(jìn)行利用，梯級延伸加工、生產(chǎn)大宗化工原料和各類精細(xì)化學(xué)品[1]。中低溫?zé)峤饷簹馐堑碗A煤分質(zhì)利用過程中重要的產(chǎn)物之一，對熱解煤氣進(jìn)行分質(zhì)綜合利用，提高熱解煤氣的附加值，對于降低熱解技術(shù)可能的環(huán)境污染、提高熱解系統(tǒng)能源利用效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值、延伸熱解技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈具有重要的意義。

近些年來，隨著蘭炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，熱解煤氣的產(chǎn)量也隨之快速增加。2010年我國蘭炭產(chǎn)量已達(dá)4000萬噸以上，副產(chǎn)煤氣高達(dá)4.5×1010m3以上[2]。目前，蘭炭生產(chǎn)企業(yè)副產(chǎn)的煤氣除部分作為焦?fàn)t自供燃料外，其余近一半氣體被放空焚燒，雖然有些企業(yè)利用放空焚燒煤氣作為熱源生產(chǎn)金屬鎂和石灰等，但是由于工藝技術(shù)簡單粗糙且受資源、成本和市場等因素的影響，熱解煤氣實(shí)際利用率和利用水平非常低，普遍存在著嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

為了對中低溫?zé)峤饷簹膺M(jìn)行分質(zhì)綜合利用，從根本上解決熱解煤氣放空、焚燒所造成的環(huán)境污染，達(dá)到充分利用煤氣而變廢為寶的目的，本文首先對中低溫?zé)峤饷簹獾慕M成進(jìn)行了分析總結(jié)，進(jìn)而分析了中低溫?zé)峤饷簹獾睦猛緩剑⑨槍χ械蜏責(zé)峤饷簹獾木C合利用提出建議，以期對中低溫?zé)峤饷簹獾那鍧崱⒏咝Ш秃侠砝糜兴鶐椭?/p>

1　中低溫?zé)峤饷簹饨M成

由于中低溫?zé)峤饷簹獾慕M成與煤種、熱解工藝及操作條件息息相關(guān)，不同熱解工藝產(chǎn)生的煤氣組成也有所差異。根據(jù)文獻(xiàn)[3-8]可知，中低溫?zé)峤夤に嚨臒峤饷簹獾湫徒M分中含有大量CH4、H2、CO 以及C2～C4等大量有用組分，有效組分含量高達(dá)50%～90%，煤氣熱值在3200～5500 kcal/Nm3，并且隨著多種以還原氣體(氣化氣、焦?fàn)t氣等)為熱載體的熱解新技術(shù)的開發(fā)，熱解煤氣的品質(zhì)將進(jìn)一步提高。因此，針對中低溫?zé)峤饷簹獾慕M成特性，開展對熱解煤氣的分質(zhì)綜合利用研究，進(jìn)行分離提純或聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品，從根本上解決熱解尾氣放空、焚燒所造成的環(huán)境污染，變廢為寶，有效提高熱解技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益，具有顯著的節(jié)能、環(huán)保和資源循環(huán)利用等優(yōu)勢。

2　中低溫?zé)峤饷簹獾睦猛緩椒治?/h2>

2.1用作城市燃?xì)夂桶l(fā)電

早在20世紀(jì)80年代，我國引入的伍德(Uhde)爐即以生產(chǎn)城市煤氣為主，副產(chǎn)半焦。隨著熱解技術(shù)的發(fā)展，熱解煤氣的產(chǎn)量迅速增長，品質(zhì)也逐漸提高，熱解煤氣中含有H2、CO、CH4等大量可燃性成分，將熱解煤氣處理后用作城市煤氣，是對我國天然氣供應(yīng)不足局面的一個(gè)有效緩解。

此外，可配套相應(yīng)的蒸汽鍋爐或電站鍋爐，以熱解煤氣為燃料生產(chǎn)高品質(zhì)蒸汽，為工業(yè)園區(qū)提供產(chǎn)品蒸汽或發(fā)電，可以增加企業(yè)收益，降低生產(chǎn)成本。以60萬噸/年蘭炭廠為例，蘭炭生產(chǎn)所產(chǎn)生的蘭炭尾氣外排量約為60000 Nm3/h，扣除蘭炭生產(chǎn)自用4000 Nm3/h外，尚余56000 Nm3/h可供電廠燃用。蘭炭尾氣發(fā)熱量1900 kcal/Nm3計(jì)算，相當(dāng)每小時(shí)提供15.2噸標(biāo)煤，供蒸汽鍋爐或電站鍋爐燃燒[8]。若蘭炭廠的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，企業(yè)的收益更為可觀?？梢?，充分利用熱解煤氣具有較高熱值的特性作為城市燃?xì)饣蚺涮渍羝仩t可以作為熱解煤氣利用的途徑之一。

2.2熱解煤氣制甲醇

甲醇是有機(jī)化學(xué)工業(yè)的主要原料之一，可以用來制造甲醛、對苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲胺、聚乙烯醇、氯甲烷類和醋酸等多種化工產(chǎn)品。熱解煤氣中含有大量的H2和CO成分，經(jīng)過變換調(diào)整二者比例后可作為甲醇合成的原料?；诮够に嚨慕固?甲醇聯(lián)產(chǎn)工藝已在焦化行業(yè)進(jìn)行了積極的嘗試，以中低溫?zé)峤饷簹鉃樵仙a(chǎn)甲醇也將成為中低溫?zé)峤饷簹獾囊粋€(gè)有效利用途徑，其工藝流程為：中低溫?zé)峤饷簹饨?jīng)過除塵、脫硫精制、壓縮后，首先進(jìn)行一氧化碳變換，調(diào)整煤氣中的H2和CO至合適比例，然后進(jìn)入甲醇合成塔生產(chǎn)甲醇，工藝流程如圖1所示。以中低溫?zé)峤饷簹庵萍状脊に嚰夹g(shù)的開發(fā)，相比較單純的煤或天然氣制甲醇技術(shù)，具有資源利用效率高、生產(chǎn)成本較低、環(huán)境效益良好等優(yōu)勢[9]。

圖1中低溫?zé)峤饷簹庵萍状脊に嚵鞒?/p>

2.3熱解煤氣制合成氨

氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。目前方形爐以熱煙氣作為熱載體，所產(chǎn)尾氣中N2高達(dá)40%左右(V/V)，而熱解所得H2約為28%(V/V)，以此熱解尾氣進(jìn)行合成氨生產(chǎn)，不僅解決了方形爐熱解尾氣熱值低的問題，而且利用了煤氣中的N2組分，是方形爐熱解尾氣的一個(gè)有效利用途徑。

熱解煤氣制合成氨的工藝流程為：先將熱解煤氣進(jìn)行除塵、壓縮，然后進(jìn)行一氧化碳變換，調(diào)整H2和N2的比例，接下來進(jìn)入合成塔合成氨，工藝流程如圖2所示。以180萬噸/年蘭炭廠為例，采用中低溫?zé)峤饷簹饨?jīng)變換后制合成氨技術(shù)，可以生產(chǎn)合成氨30萬噸/年，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排優(yōu)勢[3]。

圖2　中低溫?zé)峤饷簹夂铣砂惫に嚵鞒?/p>

2.4熱解煤氣制氫

氫氣是中低溫?zé)峤饷簹庵兄匾慕M分之一，既是一種高熱值、零污染的理想清潔能源燃料，同時(shí)也是一種重要的化工原料，在合成氨、石油加氫精制、煤焦油加氫等工藝中具有廣泛應(yīng)用。隨著熱解技術(shù)的發(fā)展，以合成氣等還原氣氛作為熱載體成為熱解技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，其一個(gè)重要特征就是熱解氣含氮量低，CO和H2等有效組分高，而低氮煤氣變換制氫工藝技術(shù)成熟，成本低廉，可以作為中低溫?zé)峤饷簹饫玫挠行緩街弧?/p>

熱解煤氣制氫工藝流程為：中低溫?zé)峤饷簹饷摮鼿2S后，經(jīng)過甲烷部分氧化法，將煤氣中CH4轉(zhuǎn)化為CO和H2，接著煤氣進(jìn)行一氧化碳變換，將煤氣中CO轉(zhuǎn)化為H2，最后通過變壓吸附(PSA)將H2分離出來，供后續(xù)工段使用，其工藝流程如圖3所示。

目前從熱解荒煤氣中分離回收氫氣在陜西、內(nèi)蒙等地區(qū)已經(jīng)有了一些成功的工程案例，其中比較典型的是陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司2007年建成并已投產(chǎn)的制氫裝置。該裝置采用水洗脫氨、全低溫變換、變壓吸附(V-PSA)提純氫氣工藝，生產(chǎn)規(guī)模為26000 Nm3/h工業(yè)氫氣，為后續(xù)焦油加氫制輕質(zhì)油品提供氫源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。

圖3　中低溫?zé)峤饷簹庵茪涔に嚵鞒?/p>

2.5熱解煤氣制天然氣

天然氣作為新型潔凈的能源，在國家環(huán)保安全和能源保障方面具有重要意義。目前國內(nèi)天然氣供應(yīng)的缺口正逐年加大，對外依存度更是呈快速上升之勢。熱解荒煤氣中含有大量的甲烷成分(即天然氣主要成分)，從熱解煤氣中分離出甲烷氣體，是緩解我國天然氣供求矛盾的一條有效途徑。熱解煤氣制天然氣工藝流程為：中低溫?zé)峤饷簹馔ㄟ^凈化脫除苯、萘、硫化物后，再經(jīng)過壓縮、換熱，在催化劑作用下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，將CO、CO2與H2轉(zhuǎn)化成甲烷，再采用氣體分離技術(shù)將混合產(chǎn)品氣中的氫氣分離制得液化天然氣，其工藝流程如圖4所示。將中低溫煤氣甲烷化生產(chǎn)LNG，具有投資小、消耗低、無污染、能量利用率高、產(chǎn)品市場前景好等優(yōu)勢，是熱解煤氣有效的利用途徑之一[11]。

圖4　中低溫?zé)峤饷簹庵芁NG工藝流程

2.6熱解煤氣制H2聯(lián)產(chǎn)LNG

在熱解煤氣制氫和熱解煤氣制天然氣兩種利用途徑的基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者[12]提出熱解煤氣制H2聯(lián)產(chǎn)LNG的工藝。具體工藝為：中低溫煤氣先經(jīng)除塵、初加壓和壓縮，接著送往變換裝置進(jìn)行一氧化碳變換，再經(jīng)過低溫甲醇洗脫除酸性氣體，然后送往深冷分離裝置進(jìn)行分離，制得氫氣和LNG產(chǎn)品，深冷分離所得氫氣送PSA提氫裝置進(jìn)一步提純，其工藝流程如圖5所示。該工藝可根據(jù)用氫量的多少，靈活調(diào)節(jié)氫氣產(chǎn)量，具有投資和運(yùn)行成本低、能耗低、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，熱解煤氣制H2聯(lián)產(chǎn)LNG是熱解煤氣綜合利用的較佳選擇。

圖5　中低溫?zé)峤饷簹庵艸2聯(lián)產(chǎn)LNG工藝流程

3　結(jié)　論

中低溫?zé)峤饷簹庵泻蠬2、CO、CH4等有效組分，過去“點(diǎn)天燈”外排和簡單燃燒供熱的利用方式不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，也產(chǎn)生了環(huán)境污染等問題。隨著蘭炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，熱解煤氣的產(chǎn)量也勢必大量增加，熱解煤氣的分質(zhì)利用是煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，對熱解產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要的意義。因此，建議企業(yè)根據(jù)不同熱解工藝產(chǎn)生的煤氣組分的特性和結(jié)合自身產(chǎn)區(qū)的需要，繼續(xù)加強(qiáng)中低溫?zé)峤饷簹夂侠砝霉に嚶窂降奶剿骱脱芯?，選擇適宜的利用途徑對中低溫?zé)峤饷簹膺M(jìn)行最優(yōu)的分質(zhì)利用，從而達(dá)到變廢為寶、節(jié)能減排的目的。

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Analysis of the Utilization of Pyrolysis Gas

LI Xue-qiang, ZHENG Hua-an, ZHANG Sheng-jun, FAN Ying-jie, CHEN Jing-sheng, ZHAO He-xiang

(Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co., Ltd., State Energy Key LaboratoryofClearCoalGradingConversion,ShaanxiXi’an710065,China)

Pyrolysis gas at relative low temperature, which is one of the most important products in the process of low rank coal grading utilization, is rich in effective components such as H2, CO and CH4. In the past, pyrolyzers were built small-scaled and scattered which caused the pyrolysis gas hard to be used for its low quality and quantity, so the pyrolysis gas was burned to supply heat or emitted into the atmosphere directly which was called “l(fā)antern to the sky”, while this treatment to pyrolysis gas made not only a great waste of resources, but also a serious pollution to environment. Some suggestions on integrated utilization of pyrolysis gas were put forward on the basis of summarizing its composition properties and utilization approaches of the typical coal-pyrolysis process in domestic. The enterprise should choose a proper way to make deep and staged processing of pyrolysis gas according to the gas properties and the plant’s specific needs, so as to recycle energy and reduce emission.

pyrolysis gas; composition properties; utilization approaches

李學(xué)強(qiáng)，男，工程師，主要從事煤化工技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)。

陳靜升。

TQ523.6

A

1001-9677(2016)01-0147-03