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

我國煤炭儲量極其豐富，是世界煤炭資源儲備第一大國。蘭炭產業(yè)在我國煤炭領域中占有十分重要的組成地位，我國蘭炭的年產量早在2010年就已經突破了1000萬噸，是我國煤炭經濟發(fā)展的重要支柱。蘭炭在生產過程中會產生大量的有害煤氣，這些煤氣會對我國大氣環(huán)境和周邊生態(tài)環(huán)境都帶來巨大的破壞，然而，由于我國蘭炭企業(yè)發(fā)展的規(guī)模較小，且環(huán)保意識不強，往往很少在生產蘭炭的過程中對蘭炭煤氣進行處理和利用，隨著近年來我國環(huán)境友好型經濟發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以及循環(huán)經濟理念的深入貫徹落實，蘭炭煤氣的利用越來越受到蘭炭生產企業(yè)的關注，利用蘭炭煤氣進行制氫的工藝也因此誕生。

1 蘭炭煤氣的組成及其特點

1.1 蘭炭煤氣的組成

內熱式低溫干餾爐是當前我國生產蘭炭所主要使用的方式，生產的目標產品為蘭炭和焦油，由于這種蘭炭的生產方式有降低成本的要求，所以在生產過程中，爐內的煤炭會與空氣產生大面積接觸，進而產生含氮氣量較高的低熱值氣體，也就是我們所說的蘭炭煤氣。由于煤質和工況的不同，不同蘭炭生產方式所產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，其中蘭炭煤氣雜質的含量如表2所示。

1.2 蘭炭煤氣的特點

由上述表格數(shù)據(jù)所知，蘭炭煤氣具有以下特點：首先，蘭炭生產所產生的煤氣具有有效組分低的特點，H2和CO的含量僅占40%左右，CH4的含量還不到10%；其次，蘭炭生產所產生的煤氣具有雜質多的特點，同時，SO2和有機硫的含量較高，對大氣環(huán)境帶來嚴重破壞。此外，蘭炭煤氣中O2的的含量十分不穩(wěn)定，高的時候甚至能夠達到1.6%以上。

2 蘭炭煤氣制氫工藝的工藝流程

鑒于蘭炭生產在我國煤炭領域的重要性以及蘭炭煤氣的組分特性，如果能夠將蘭炭煤氣進行有效利用，將能夠大幅提升蘭炭生產企業(yè)創(chuàng)造的經濟效益，同時有效降低蘭炭煤氣排放對環(huán)境造成的污染問題，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

蘭炭生產裝置排出的蘭炭煤氣經排液罐分液處理后，進入氣柜進行再次分液，分液完成后，液體直接排放至污水系統(tǒng)等待進一步處理，氣體則輸入至煤氣氣柜進行緩沖存儲，低壓煤氣經出水口分液后送至壓縮機進行加壓，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進行洗氨，經水洗滌后的氣體從銨鹽洗滌塔出來后進入氣液分離器進行小液滴分離，從氨鹽洗滌塔底抽出的洗氨水經銨鹽水洗泵加壓后，送至循環(huán)氨水冷卻器降溫，進入塔上部進行重復吸收煤氣中的氨。在進行該步驟過程中，洗滌塔底的洗氨水的濃度會隨著氨的吸收而逐漸升高，為了滿足該部分生產工藝的需求，需要在塔內定期補充新鮮的除鹽水或者蒸氨水。

2.3 除油爐除油

蘭炭生產所產生的煤氣雖然會經過凈化回收處理，但是依然會在蘭炭煤氣中包含部分焦油，因此，本蘭炭煤氣制氫工藝設置了兩臺或者兩臺以上的除油爐，一部分塔用來運行，一部分塔用來再生。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，脫除的油品經過運行塔和再生塔的交替處置實現(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，就會給整套生產工藝系統(tǒng)帶來巨大的安全隱患，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，該脫氧塔在進行蘭炭煤氣的脫氧工藝時，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過脫氧冷卻器降低至40℃后，經氣液分離器進行分液處理后輸送至下一工段。

2.5 變溫吸附單元

經過之前流程的預處理之后，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級別O2等，本工藝通過設置多臺吸附塔，一部分塔運行，一部分塔再生，再生氣源采用變壓吸附解析氣進行再生，經過脫氧處理后的蘭炭煤氣進入吸附塔，通過吸附劑將蘭炭煤氣中還存在的焦油、萘、部分H2S以及大分子物質進行脫除，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常見的裝置，本文不做過多闡述。

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料，進行后一段工藝操作。變壓吸附裝置常規(guī)運行方式有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。在再生過程中，產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；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

上一步經過變壓吸附提濃單元處理后的提濃氣在本單元則作為原料氣，經過初步提升濃度處理后的提濃氣在本單元經過變壓吸附提純裝置處理后將得到更高純度的H2，工藝過程與步驟與提濃單元相似，即：吸附塔依次同樣經過吸附—均壓降壓—逆放—抽真空—均壓升壓—產品氣升壓—吸附等步續(xù)，實現(xiàn)裝置的連續(xù)運行。

3 該蘭炭煤氣制氫工藝的優(yōu)點

(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，在當前我國蘭炭市場行情走弱的條件下，該套工藝可以有效提升蘭炭企業(yè)的經濟效益。

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

(3)煤氣進入變壓吸附裝置前脫除煤氣中氧氣，避免吸附劑微孔內、外表面生成單質硫的反應，有效保護了吸附劑(煤氣中含有氧氣、硫化氫、水分，可在吸附劑微孔內、外表面發(fā)生硫化氫的生硫反應)。國內某大型無變換含氧制氫裝置脫氧單元在變壓吸附提濃單元出口，因為煤氣中硫化氫、氧氣、水分的作用，在吸附劑上生成硫磺，提濃單元吸附劑運行周期只能達到6～12個月。造成頻繁的的吸附劑更換，極大的造成吸附劑浪費，經濟效益降低。

(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)的經濟效益。

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

4 結語

綜上所述，深入研究蘭炭煤氣處理技術是當今潔凈煤技術的重要組成內容之一，關乎到我國煤炭產業(yè)節(jié)能減排以及未來技術的發(fā)展。變壓吸附技術能夠實現(xiàn)蘭炭煤氣制氫工藝實用化、經濟化，優(yōu)化裝置處理能力，大大降低能耗，創(chuàng)造可觀的經濟價值。