焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝中氫資源浪費(fèi)和碳排放問題的解決

宮麗斌

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司職業(yè)病防治所，山西 太原 030053）

焦?fàn)t煤氣為煤炭焦化生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，充分對焦?fàn)t煤氣的再次利用不僅會降低環(huán)境污染，而且還會減少能源浪費(fèi)。其中，焦?fàn)t煤氣制備甲醇為其主要利用途徑之一。焦?fàn)t煤氣制備甲醇的實(shí)際生產(chǎn)過程中存在轉(zhuǎn)化率低的問題，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗過大的同時限制甲醇產(chǎn)量。在當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝所排放的馳放氣中70%以上為氫氣和二氧化碳。馳放氣的肆意排放不僅造成氫資源的浪費(fèi)，而且二氧化碳的排放還會加劇溫室效應(yīng)[1]。因此，為解決焦?fàn)t煤氣制備甲醇的氫資源浪費(fèi)和碳的排放問題，本文將對焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝概述

焦?fàn)t煤氣為煉焦過程中的副產(chǎn)物，其主要由H2、CH4、CO 和CO2等氣體組成。在實(shí)際煉焦過程所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣僅有一半被煉鋼企業(yè)利用，另外一般直接通過燃燒排放；從而造成環(huán)境污染的同時還造成了資源的浪費(fèi)。焦?fàn)t煤氣除了直接燃燒外，還可將其作為原料制備氫氣、天然氣和合成氣體等。本文將對焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝中包含有焦?fàn)t煤氣凈化單元、焦?fàn)t煤氣重整轉(zhuǎn)化單元、甲醇合成單元、甲醇精餾單元等。

焦?fàn)t煤氣制備甲醇的生產(chǎn)能力為每年20 萬t。其中，經(jīng)焦?fàn)t煤氣凈化單元后其中的含硫量低于0.1×10-6；焦?fàn)t煤氣重整轉(zhuǎn)化單元在催化氧化的作用下其中的甲烷體積分?jǐn)?shù)小于0.5%；甲醇合成單元的主要技術(shù)參數(shù)為：壓力為6.8 MPa，冷卻劑的溫度為227℃；甲醇精餾單元的核心為“三塔雙效”精餾方法，保證最終得到甲醇產(chǎn)品的精度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.99%。

本文旨在通過對其傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝進(jìn)行優(yōu)化，主要是在原工藝基礎(chǔ)上增加H2和CO2的分離回收單元，最終達(dá)到提高甲醇產(chǎn)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2 馳放氣輔助制備甲醇工藝及參數(shù)確定

2.1 馳放氣輔助制備甲醇工藝設(shè)計

所謂馳放氣輔助制備甲醇工藝指的是將馳放氣中的H2和CO2進(jìn)行回收并將其循環(huán)至傳統(tǒng)工藝流程中的甲醇合成單元中，從而在降低氫資源浪費(fèi)和碳排放問題的同時提升甲醇的產(chǎn)量[2]。該種方式與傳統(tǒng)工藝中將馳放氣直接燃燒排放具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。馳放氣輔助制備甲醇的工藝流程如第116 頁圖1 所示。

如圖1 所示在傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制備甲醇的基礎(chǔ)上新增的H2&CO2分離回收單元。一般的，馳放氣主要來源于焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程中的氣液分離罐、閃蒸罐和預(yù)塔塔頂處。經(jīng)分析：氣液分離罐中的馳放氣70%以上為氫氣，其余30%為碳組分；閃蒸罐和預(yù)塔塔頂處的馳放氣主要為碳組分和氮?dú)狻?/p>

如圖1 所示的H2&CO2分離回收單元主要分為3 個反應(yīng)階段：氫氣的吸附分離、燃燒和二氧化塔膜分離[3]。

圖1 馳放氣輔助制備甲醇工藝流程

1）氫氣吸附分離：在氫氣吸附分離裝置的作用下得到高純度的氫氣和其他氣體。其他氣體中包含有少量的氫氣和甲醇；所得的高純度氫氣一部分被作為產(chǎn)品出售，另一部分循環(huán)到甲醇合成單元制備甲醇。

2）燃燒：將剩余其他氣體在純氧的環(huán)境中燃燒，燃燒后的產(chǎn)物主要為氮?dú)?、水和二氧化碳?/p>

3）二氧化碳膜分離：燃燒產(chǎn)物含有氮?dú)鈺璧K甲醇合成反應(yīng)的進(jìn)行。因此，在此環(huán)節(jié)通過膜分離裝置將燃燒產(chǎn)物中的氮?dú)夥蛛x出來，并將最后剩下的二氧化碳?xì)怏w循環(huán)至甲醇合成單元中，為后續(xù)甲醇合成反應(yīng)提供原料。

2.2 馳放氣輔助制備甲醇參數(shù)確定

馳放氣輔助制備甲醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)包括有氫氣循環(huán)率、反應(yīng)器冷卻溫度的確定。

1）氫氣循環(huán)率參數(shù)的確定

氫氣循環(huán)率將直接影響甲醇合成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。經(jīng)研究可知，氫氣循環(huán)率與碳轉(zhuǎn)化率、甲醇產(chǎn)量之間的關(guān)系如下：

隨著氫氣循環(huán)率增加總碳單程轉(zhuǎn)化率和CO2單程轉(zhuǎn)化率增加，而CO 單程轉(zhuǎn)化率先增大后減小；隨著氫氣循環(huán)率增加對應(yīng)甲醇產(chǎn)量增加到一定值后變化區(qū)域平穩(wěn)，同時氫氣的產(chǎn)量先增大后減小[4]。綜上所述，從技術(shù)方面分析應(yīng)將氫氣循環(huán)率控制在0.60～0.75 合適。

從能耗方面分析：隨著氫氣循環(huán)率增加對應(yīng)系統(tǒng)的總蒸汽消耗和總電耗增加，具體變化趨勢為當(dāng)0.55～0.60 時，能耗增加較?。欢鴱?.60 以后，能耗增加率明顯增加。從技術(shù)、能耗兩方面綜合考慮，最佳氫氣循環(huán)率為0.60。

2）反應(yīng)器冷卻劑溫度參數(shù)的確定

從技術(shù)層面分析，反應(yīng)器冷卻劑溫度與碳轉(zhuǎn)化率、甲醇產(chǎn)量之間的關(guān)系總結(jié)如下：

隨著冷卻劑增加，總碳的單程轉(zhuǎn)化率減小，CO、CO2單程轉(zhuǎn)化率先增大后減小，拐點(diǎn)為177℃；對應(yīng)甲醇產(chǎn)量呈現(xiàn)先增大后減小最后又增大的變化趨勢，拐點(diǎn)分別為187℃和217℃。因此，從技術(shù)層面分析，反應(yīng)器冷卻劑溫度應(yīng)控制在177℃～187℃。

從能耗方面分析，當(dāng)反應(yīng)器冷卻劑溫度增加時，總蒸汽消耗量不斷增加；而總電耗先減小后增加，拐點(diǎn)位于197℃。而且，隨著冷卻劑溫度增加對應(yīng)能量成本增加，且冷卻劑溫度在167℃～187℃時趨于平穩(wěn)。

因此，綜合考慮技術(shù)、能耗兩層面最終確定反應(yīng)器冷卻劑溫度為187℃。

此外，除了上述兩項關(guān)鍵參數(shù)外，對應(yīng)的未反應(yīng)氣循環(huán)率應(yīng)控制在0.89，加壓塔質(zhì)量回流比為1.32，常壓塔的質(zhì)量回流比為2.175 5。

3 新工藝應(yīng)用效果

將改進(jìn)后的焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，改進(jìn)前、后的效果對比如表1 所示。

表1 焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝改進(jìn)前后效果對比

如表1 所示，采用馳放氣輔助制備甲醇工藝流程對傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝進(jìn)行改進(jìn)后，甲醇產(chǎn)量和總碳單程轉(zhuǎn)化率明顯增加，對應(yīng)的能量成本也明顯降低，說明本次改進(jìn)非常有效。而且，經(jīng)改進(jìn)后氫資源的浪費(fèi)和碳排放問題也得到明顯解決。

4 結(jié)語

煉焦過程中勢必會產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣，如何對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行充分再利用解決環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的問題尤為重要[5]。針對焦?fàn)t煤氣制備甲醇的傳統(tǒng)工藝存在氫資源浪費(fèi)和碳排放污染環(huán)境的問題，在傳統(tǒng)工藝增加馳放氣輔助制備甲醇工藝流程并確定其中的關(guān)鍵參數(shù)，包括氫循環(huán)率為0.6，冷卻劑溫度為187℃，未反應(yīng)氣循環(huán)率為0.89 等。實(shí)踐表明，馳放氣輔助制備甲醇的工藝流程能夠明顯解決氫資源浪費(fèi)和碳排放污染環(huán)境的問題，同時還能夠增加甲醇產(chǎn)量，降低能量成本。