一種蘭炭煤氣制氫的工藝

宋濤(陜西東鑫垣化工有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量極其豐富，是世界煤炭資源儲(chǔ)備第一大國(guó)。蘭炭產(chǎn)業(yè)在我國(guó)煤炭領(lǐng)域中占有十分重要的組成地位，我國(guó)蘭炭的年產(chǎn)量早在2010年就已經(jīng)突破了1000萬(wàn)噸，是我國(guó)煤炭經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。蘭炭在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害煤氣，這些煤氣會(huì)對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境和周邊生態(tài)環(huán)境都帶來(lái)巨大的破壞，然而，由于我國(guó)蘭炭企業(yè)發(fā)展的規(guī)模較小，且環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)，往往很少在生產(chǎn)蘭炭的過(guò)程中對(duì)蘭炭煤氣進(jìn)行處理和利用，隨著近年來(lái)我國(guó)環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的深入貫徹落實(shí)，蘭炭煤氣的利用越來(lái)越受到蘭炭生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注，利用蘭炭煤氣進(jìn)行制氫的工藝也因此誕生。

1 蘭炭煤氣的組成及其特點(diǎn)

1.1 蘭炭煤氣的組成

內(nèi)熱式低溫干餾爐是當(dāng)前我國(guó)生產(chǎn)蘭炭所主要使用的方式，生產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)品為蘭炭和焦油，由于這種蘭炭的生產(chǎn)方式有降低成本的要求，所以在生產(chǎn)過(guò)程中，爐內(nèi)的煤炭會(huì)與空氣產(chǎn)生大面積接觸，進(jìn)而產(chǎn)生含氮?dú)饬枯^高的低熱值氣體，也就是我們所說(shuō)的蘭炭煤氣。由于煤質(zhì)和工況的不同，不同蘭炭生產(chǎn)方式所產(chǎn)生的蘭炭煤氣也不盡相同，文章研究的蘭炭煤氣的大致組成成分如表1所示，其中蘭炭煤氣雜質(zhì)的含量如表2所示。

1.2 蘭炭煤氣的特點(diǎn)

由上述表格數(shù)據(jù)所知，蘭炭煤氣具有以下特點(diǎn)：首先，蘭炭生產(chǎn)所產(chǎn)生的煤氣具有有效組分低的特點(diǎn)，H2和CO 的含量?jī)H占40%左右，CH4的含量還不到10%；其次，蘭炭生產(chǎn)所產(chǎn)生的煤氣具有雜質(zhì)多的特點(diǎn)，同時(shí)，SO2和有機(jī)硫的含量較高，對(duì)大氣環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重破壞。此外，蘭炭煤氣中O2的的含量十分不穩(wěn)定，高的時(shí)候甚至能夠達(dá)到1.6%以上。

2 蘭炭煤氣制氫工藝的工藝流程

鑒于蘭炭生產(chǎn)在我國(guó)煤炭領(lǐng)域的重要性以及蘭炭煤氣的組分特性，如果能夠?qū)⑻m炭煤氣進(jìn)行有效利用，將能夠大幅提升蘭炭生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有效降低蘭炭煤氣排放對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題，利用蘭炭煤氣制氫將是眾多蘭炭煤氣處理工藝最具前瞻性的工藝之一，本文所研究的蘭炭煤氣制氫工藝的工藝流程圖如圖1。

表1 蘭炭煤氣的大致組成成分

表2 蘭炭煤氣雜質(zhì)的含量 單位：(mg/L)

圖1 一種蘭炭煤氣制氫工藝概述圖

2.1 氣柜及壓縮機(jī)

蘭炭生產(chǎn)裝置排出的蘭炭煤氣經(jīng)排液罐分液處理后，進(jìn)入氣柜進(jìn)行再次分液，分液完成后，液體直接排放至污水系統(tǒng)等待進(jìn)一步處理，氣體則輸入至煤氣氣柜進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)，低壓煤氣經(jīng)出水口分液后送至壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，升壓后送至銨鹽洗滌塔。

2.2 脫氨脫水

升壓后的蘭炭煤氣在銨鹽洗滌塔內(nèi)進(jìn)行洗氨，經(jīng)水洗滌后的氣體從銨鹽洗滌塔出來(lái)后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行小液滴分離，從氨鹽洗滌塔底抽出的洗氨水經(jīng)銨鹽水洗泵加壓后，送至循環(huán)氨水冷卻器降溫，進(jìn)入塔上部進(jìn)行重復(fù)吸收煤氣中的氨。在進(jìn)行該步驟過(guò)程中，洗滌塔底的洗氨水的濃度會(huì)隨著氨的吸收而逐漸升高，為了滿足該部分生產(chǎn)工藝的需求，需要在塔內(nèi)定期補(bǔ)充新鮮的除鹽水或者蒸氨水。

2.3 除油爐除油

蘭炭生產(chǎn)所產(chǎn)生的煤氣雖然會(huì)經(jīng)過(guò)凈化回收處理，但是依然會(huì)在蘭炭煤氣中包含部分焦油，因此，本蘭炭煤氣制氫工藝設(shè)置了兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的除油爐，一部分塔用來(lái)運(yùn)行，一部分塔用來(lái)再生。在除油爐中添加新型的高效煤氣除油劑吸附蘭炭煤氣中的焦油，脫除的油品經(jīng)過(guò)運(yùn)行塔和再生塔的交替處置實(shí)現(xiàn)油品回收。

2.4 脫氧塔裝置

蘭炭煤氣中存在一定分量的O2組分，這些O2組分一旦在后續(xù)的變壓吸附裝置中得到富集，就會(huì)給整套生產(chǎn)工藝系統(tǒng)帶來(lái)巨大的安全隱患，因此，要脫除蘭炭煤氣中的O2組分。由于蘭炭煤氣中還含有H2S 氣體，因此，該脫氧塔在進(jìn)行蘭炭煤氣的脫氧工藝時(shí)，采用耐硫催化劑作為高溫脫氧的催化劑，脫氧后的高溫蘭炭煤氣經(jīng)過(guò)脫氧冷卻器降低至40℃后，經(jīng)氣液分離器進(jìn)行分液處理后輸送至下一工段。

2.5 變溫吸附單元

經(jīng)過(guò)之前流程的預(yù)處理之后，蘭炭煤氣在凈化之后還存在少量的飽和水、H2S、大分子芳烴以及ppm 級(jí)別O2等，本工藝通過(guò)設(shè)置多臺(tái)吸附塔，一部分塔運(yùn)行，一部分塔再生，再生氣源采用變壓吸附解析氣進(jìn)行再生，經(jīng)過(guò)脫氧處理后的蘭炭煤氣進(jìn)入吸附塔，通過(guò)吸附劑將蘭炭煤氣中還存在的焦油、萘、部分H2S以及大分子物質(zhì)進(jìn)行脫除，再生氣源選后部提純單元的解析氣，再生氣并入燃料氣管網(wǎng)，作為燃料。由于變溫吸附單元是化工生產(chǎn)常見的裝置，本文不做過(guò)多闡述。

2.6 變壓吸附提濃單元

作為成熟的制氫裝置之一，變壓吸附制氫裝置是本文蘭炭煤氣制氫工藝所采用的主要裝置，該套制氫裝置進(jìn)行蘭炭煤氣處理采用兩段式的變壓吸附方式，既在前一段脫除部分雜質(zhì)組分，將蘭炭煤氣中的氫濃度提升，提升濃度后的蘭炭煤氣將作為進(jìn)料，進(jìn)行后一段工藝操作。變壓吸附裝置常規(guī)運(yùn)行方式有10塔、12塔，3步均壓、4步均壓、5步均壓，吸附壓力較高的系統(tǒng)，相應(yīng)均壓次數(shù)增加，變壓吸附裝置是常規(guī)的化工裝置。在再生過(guò)程中，產(chǎn)生的解析氣有兩部分。逆放氣排入逆放氣緩沖罐，真空氣排入真空氣緩沖罐內(nèi)；兩部分氣體分別送至解析氣混合罐，最終作為燃料送至各用戶。

2.7 變壓吸附提純

上一步經(jīng)過(guò)變壓吸附提濃單元處理后的提濃氣在本單元?jiǎng)t作為原料氣，經(jīng)過(guò)初步提升濃度處理后的提濃氣在本單元經(jīng)過(guò)變壓吸附提純裝置處理后將得到更高純度的H2，工藝過(guò)程與步驟與提濃單元相似，即：吸附塔依次同樣經(jīng)過(guò)吸附—均壓降壓—逆放—抽真空—均壓升壓—產(chǎn)品氣升壓—吸附等步續(xù)，實(shí)現(xiàn)裝置的連續(xù)運(yùn)行。

3 該蘭炭煤氣制氫工藝的優(yōu)點(diǎn)

(1)文章研究的蘭炭煤氣制氫工藝并不存在變換，CO 在解析氣中得以保留，解析氣的熱值得到了大幅提升，能夠作為燃料而得到穩(wěn)定燃燒，極大的提升了解析氣的利用效率，該套裝置處理后的解析氣也可作為回爐燃料使用，在當(dāng)前我國(guó)蘭炭市場(chǎng)行情走弱的條件下，該套工藝可以有效提升蘭炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)文章研究的蘭炭煤氣制氫工藝實(shí)現(xiàn)了變壓吸附之前的脫除O2處理，避免了O2在變壓吸附裝置過(guò)程中產(chǎn)生富集現(xiàn)象，有效規(guī)避了變壓吸附裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提升安全生產(chǎn)保障水平。

(3)煤氣進(jìn)入變壓吸附裝置前脫除煤氣中氧氣，避免吸附劑微孔內(nèi)、外表面生成單質(zhì)硫的反應(yīng)，有效保護(hù)了吸附劑(煤氣中含有氧氣、硫化氫、水分，可在吸附劑微孔內(nèi)、外表面發(fā)生硫化氫的生硫反應(yīng))。國(guó)內(nèi)某大型無(wú)變換含氧制氫裝置脫氧單元在變壓吸附提濃單元出口，因?yàn)槊簹庵辛蚧瘹?、氧氣、水分的作用，在吸附劑上生成硫磺，提濃單元吸附劑運(yùn)行周期只能達(dá)到6～12個(gè)月。造成頻繁的的吸附劑更換，極大的造成吸附劑浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益降低。

(4)文章研究的蘭炭煤氣制氫工藝創(chuàng)新了除油爐的環(huán)節(jié)設(shè)置，有效脫除蘭炭煤氣中存在的油品，油品組分的回收有效提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)兩段式的變壓吸附裝置設(shè)計(jì)能夠幫助文章設(shè)計(jì)的蘭炭煤氣制氫工藝實(shí)現(xiàn)吸附劑裝填的最大化，實(shí)現(xiàn)裝置的大型化，多裝吸附劑，可降低吸附壓力的條件下，實(shí)現(xiàn)同等的裝置處理能力，大大降低能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，深入研究蘭炭煤氣處理技術(shù)是當(dāng)今潔凈煤技術(shù)的重要組成內(nèi)容之一，關(guān)乎到我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排以及未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。變壓吸附技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)蘭炭煤氣制氫工藝實(shí)用化、經(jīng)濟(jì)化，優(yōu)化裝置處理能力，大大降低能耗，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。