焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝

孟凡凱，馬學(xué)成(山東鐵雄新沙能源有限公司，山東 菏澤 274900)

0 引言

隨著環(huán)境污染問題的加劇，人們對液化天然氣(LNG)這種清潔、高效能源的依賴程度不斷提升。焦?fàn)t煤氣是焦炭生產(chǎn)中所伴生的副產(chǎn)品，可以應(yīng)用焦?fàn)t煤氣制LNG，但是在此過程中需要借助精脫硫工藝，將焦?fàn)t煤氣中的含硫雜質(zhì)清除，這樣才能保障LNG的清潔性，降低LNG燃燒過程中污染物的排放量，減少對環(huán)境的污染。我國作為焦炭生產(chǎn)大國，所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣量較大，借助焦?fàn)t煤氣精脫硫工藝，可以提升焦?fàn)t煤氣的利用率，同時還可以為我國的環(huán)境建設(shè)提供有力的支持。因此針對精脫硫工藝的研究具有十分重要的意義。

1 我國是焦炭生產(chǎn)大國，焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量大

所謂焦?fàn)t煤氣，通常情況下也被稱為焦?fàn)t氣，其屬于高熱值煤氣，含有較多的可燃成分，是在煉焦?fàn)t煉焦過程中伴生的可燃性氣體。焦化的程度等因素會影響到焦?fàn)t煤氣的產(chǎn)率，而煉焦過程中應(yīng)用的煤質(zhì)量會影響到焦?fàn)t煤氣的成本。通常情況下，焦?fàn)t煤氣中的可燃成分較多，如甲烷、氫等，因此焦?fàn)t煤氣有著較高的利用價值。焦?fàn)t煤氣屬于有毒氣體，同時還具有易爆的特點，因此有著一定的危險性。甲烷和氫氣是焦?fàn)t煤氣的主要組成部分，其中甲烷占比在27%左右，而氫氣占比則在56%左右。

我國是世界上的焦炭生產(chǎn)大國，因此所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣量也十分巨大，對焦?fàn)t煤氣的利用不僅關(guān)乎煉焦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且還會影響節(jié)能減排以及環(huán)境保護(hù)等，這使得焦?fàn)t煤氣制LNG越來越受人們的關(guān)注。焦?fàn)t煤氣制LNG是利用焦?fàn)t煤氣的重要手段，除此之外，還可以應(yīng)用焦?fàn)t煤氣進(jìn)行發(fā)電、生產(chǎn)化肥、合成甲醇以及制氫等，這些都有助于提升焦?fàn)t煤氣的利用率。以焦?fàn)t煤氣制LNG為例，焦?fàn)t煤氣制LNG需要對其進(jìn)行凈化處理，而脫硫便是重要的凈化環(huán)節(jié)，借助精脫硫工藝，能夠?qū)⒔範(fàn)t煤氣中的含硫物質(zhì)去除，保障其更加清潔環(huán)保，同時也能提升可燃成本占比，使其燃燒效果更佳。因此精脫硫工藝的應(yīng)用有助于提升焦?fàn)t煤氣的利用價值[1]。

2 焦?fàn)t煤氣制LNG有利于緩解供需矛盾

LNG是指液化天然氣，其主要成分為甲烷，屬于清潔能源。我國的液化天然氣需求量較大，并且液化天然氣供給與需求之間的矛盾比較突出，每年都需要大量進(jìn)口才能滿足國內(nèi)對液化天然氣的需求。2021年，我國進(jìn)口的液化天然氣達(dá)8140萬噸，已經(jīng)成為了世界上最大的液化天然氣進(jìn)口國，這充分表明了我國液化天然氣的缺口巨大，同時也使得焦?fàn)t煤氣制LNG的重要性更加凸顯。液化天然氣有著廣泛的應(yīng)用，如可以用其進(jìn)行發(fā)電，也可以作為家用燃料，同時還可以將其用于制作石化產(chǎn)品等。另外，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，車用LNG燃料也在逐漸普及推廣。由于LNG屬于清潔能源，將其作為車用燃料來替代傳統(tǒng)的燃油，對于改善環(huán)境具有十分重要的意義。相較于普通天然氣，液化天然氣的體積更小，與相同質(zhì)量的天然氣相比，液化天然氣的體積僅為1/625，體積縮小便意味著其運輸和儲存更加便利，成本更低，同時安全性更高。將焦?fàn)t煤氣作為原料，用來制作LNG，可以節(jié)約焦炭生產(chǎn)中焦?fàn)t煤氣富余問題，同時獲得LNG這種清潔能源，同時還會同時獲得氫氣等，可以有效提升焦?fàn)t煤氣的利用率。LNG作為清潔能源，其產(chǎn)量的增加對于緩解能源供給與需求之間的矛盾具有十分重要的意義。

LNG作為一種清潔能源，深受人們的青睞，這使其在能源總量中所占比重不斷增加，同時也使得LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易更加活躍。近年來，LNG在世界范圍的需求量均在不斷提升，2021年我國的LNG進(jìn)口量首次超過日本，成為了世界上最大的LNG進(jìn)口國。為緩解我國LNG供給與需求之間的矛盾，應(yīng)注重提升LNG的生產(chǎn)水平與產(chǎn)量，而焦?fàn)t煤氣作為LNG生產(chǎn)的材料，也越來越受到人們的關(guān)注，同時也使得焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝的重要性更加凸顯[2]。

3 焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝

焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝屬于先進(jìn)的脫硫工藝形式，與傳統(tǒng)的工藝形式相比，其優(yōu)勢和作用更加顯著。要想更好實現(xiàn)焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝的有效應(yīng)用，充分發(fā)揮出焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝的作用，需要明確焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝原理，同時還要掌握焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝流程，這樣才能更好的發(fā)揮出焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝的作用。經(jīng)過長期的技術(shù)研發(fā)及實際應(yīng)用，目前我國焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝方面的技術(shù)水平相對較高，技術(shù)也相對更加成熟，并且工藝應(yīng)用經(jīng)驗十分豐富。

3.1 焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝原理

精脫硫工藝是焦?fàn)t煤氣制LNG的關(guān)鍵性技術(shù)，由于焦?fàn)t煤氣中含有大量的硫化物，因此需要借助相應(yīng)的脫硫工藝將其去除，這樣才能保障生產(chǎn)出清潔能源，降低LNG應(yīng)用過程中對環(huán)境造成的污染，同時也能提升LNG的應(yīng)用效果。對于焦?fàn)t煤氣含有的硫化物而言，按照類型進(jìn)行劃分可以分為有機(jī)硫與無機(jī)硫兩種，在焦?fàn)t煤氣制LNG過程中，可以借助過氧化鋅脫硫劑進(jìn)行脫硫處理，過氧化鋅脫硫劑可以直接吸收焦?fàn)t煤氣中的無機(jī)硫，效果十分顯著。而針對焦?fàn)t煤氣中的有機(jī)硫的處理則相對更加復(fù)雜，需要先用鐵鉬加氫催化劑將焦?fàn)t煤氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化成為無機(jī)硫，然后再應(yīng)用過氧化鋅脫硫劑將其吸收，進(jìn)而實現(xiàn)脫硫處理[3]。催化劑的反應(yīng)對溫度要求較高，因為焦?fàn)t煤氣中還存在著少量的氧氣，能夠幫助溫床溫度上升，再加之在脫硫過程中相關(guān)反應(yīng)也會放出相應(yīng)的熱能，這部分熱量就能夠滿足催化劑對催化反應(yīng)的溫度要求。因為焦?fàn)t煤氣中含有少量的氧，可以使溫床溫度升高 而且在脫硫的整個過程中會釋放出大量的熱量，也會導(dǎo)致床層溫度升高，這些反應(yīng)釋放的熱量再經(jīng)過原料的自身換熱來達(dá)到催化劑催化反應(yīng)所需要的溫度。

3.2 焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝流程

借助調(diào)溫器和換熱器，將焦?fàn)t煤氣進(jìn)行加工處理，使焦?fàn)t煤氣溫度符合加氫轉(zhuǎn)換器的要求，再此基礎(chǔ)上，借助鐵鉬催化劑對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行催化，以促進(jìn)焦?fàn)t煤氣中產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，從而改變了焦?fàn)t煤氣中的有關(guān)產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)，重點是使焦?fàn)t煤氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)硫，為后期的脫硫處理奠定基礎(chǔ)。

首先從一級氫轉(zhuǎn)化裝置中產(chǎn)生反應(yīng)后的氣體通過另一調(diào)溫器中進(jìn)行換熱的處理工藝，之后再在脫磺酸基槽中進(jìn)行了脫硫處理。接著再利用二級加氫轉(zhuǎn)換器對其進(jìn)行加氫轉(zhuǎn)換，然后再利用過氧化鋅脫磺酸基槽中的過氧化鋅脫硫劑吸附焦?fàn)t煤氣中的無機(jī)硫。經(jīng)過一系列脫硫處理，確保處理后的氣體中硫含量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

焦?fàn)t煤氣在經(jīng)過一級預(yù)加氫轉(zhuǎn)化器處理之后，硫化氫的質(zhì)量濃度會有所提升，并且提升幅度較大，同時有機(jī)硫的質(zhì)量濃度會大幅度降低，這是因為在一級預(yù)加氫轉(zhuǎn)化器中的鐵鉬催化劑的作用，將大量的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化成為了無機(jī)硫，其化學(xué)反應(yīng)原理為COS+H2→CO+H2S；C4H4S+4H2→C4H10+H2S；CS2+4H2→2H2S+CH4。而在經(jīng)過中溫脫硫槽的處理之后，氣體的含硫總量會明顯降低，這是因為在過氧化鋅脫硫劑的作用，能夠?qū)怏w中的無機(jī)硫吸收，進(jìn)而降低氣體中的總硫含量。其原理為ZnO+H2S→ZnS+H2O，借助過氧化鋅脫硫劑，吸收焦?fàn)t煤氣中的無機(jī)硫，進(jìn)而可以有效降低焦?fàn)t煤氣中的硫化物含量，更好地保障脫硫效果。

與傳統(tǒng)流程相比，該流程有著多方面的優(yōu)勢，傳統(tǒng)流程中加熱主要借助加熱爐，通過加熱爐加熱的方式來滿足反應(yīng)所需的溫度。這種方式在溫度控制過程中的難度較大，同時加熱爐還會占用一定的空間[4]。另外，由于進(jìn)入下一工序的溫度過高，因此會導(dǎo)致成本也隨之提升。這是傳統(tǒng)流程中存在的主要弊端和不足，而與傳統(tǒng)流程相比，現(xiàn)代換熱流程則可以更好解決以上問題。

新流程中涉及到的相關(guān)裝置更加完善，同時無需借助加熱爐進(jìn)行加熱，可以直接利用常溫的原料與氫氣反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱，這部分熱量便可以滿足預(yù)加氫轉(zhuǎn)化劑反應(yīng)的溫度需求，進(jìn)而達(dá)到脫硫的效果。在新流程中，溫度的控制更加便捷，同時效果也更好，并且還可以避免增成本投入。另外，新流程的操作簡單，凈化效果更佳，流程更短，能耗也會隨之大幅度降低。既能節(jié)約成本，也能增加產(chǎn)量，同時也達(dá)到了節(jié)約能源的效果。無需借助加熱爐加熱，不僅能夠節(jié)省加熱爐成本，而且節(jié)省了加熱爐燃料方面的成本，進(jìn)而提升整個工藝流程的效益。由此可見，新焦?fàn)t煤氣制LNG精脫硫工藝流程的優(yōu)勢十分顯著，值得推廣應(yīng)用[5]。

3.3 精脫硫系統(tǒng)運行的影響因素

精脫硫系統(tǒng)運行的影響因素較多，會導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)運行缺乏平穩(wěn)性，最終影響脫硫效果。具體而言，其影響因素主要包括以下幾種：首先，焦?fàn)t煤氣中的氧含量會在一定程度上給精脫硫系統(tǒng)造成影響。在精脫硫系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)將焦?fàn)t煤氣中的氧體積分?jǐn)?shù)控制在0.5%范圍之內(nèi)，但是受生產(chǎn)工況調(diào)節(jié)等方面因素的影響，容易使焦?fàn)t煤氣中的氧含量超標(biāo)。在精脫硫過程中，氧會與氫發(fā)生熱反應(yīng)，進(jìn)而釋放大量的熱，導(dǎo)致觸媒床層溫度上升。具體而言，焦?fàn)t煤氣中氧體積分?jǐn)?shù)如果升高0.1%，那么觸媒床層的溫度便會上升15 ℃左右。如果這種情況得不到有效地控制，會導(dǎo)致觸媒床層溫度持續(xù)升高，在這種情況下，鐵鉬觸媒會發(fā)生結(jié)塊變化，甚至?xí)Щ睿@必然會給脫硫效果帶來不利影響，因此在焦?fàn)t煤氣脫硫過程中要注重控制好焦?fàn)t煤氣中的氧含量。其次，焦?fàn)t煤氣中的硫化氫含量也會對精脫硫系統(tǒng)的運行產(chǎn)生一定的影響。正常情況下，在焦?fàn)t煤氣脫硫過程中需要將焦?fàn)t煤氣中的硫化氫含量控制在30 mg/m3以內(nèi)，如果硫化氫含量超標(biāo)，則會導(dǎo)致氫轉(zhuǎn)化器負(fù)擔(dān)加重，同時還會導(dǎo)致加氫催化劑的使用壽命縮短，這不僅會影響到精脫硫的效果，而且還會增加精脫硫的成本[6]。最后，焦?fàn)t煤氣中的焦油含量也會影響到精脫硫系統(tǒng)的運行。正常情況下，在焦?fàn)t煤氣精脫硫過程中，焦?fàn)t煤氣中的焦油含量應(yīng)不高于5 mg/m3，如果焦油含量超標(biāo)，則會導(dǎo)致系統(tǒng)運行阻力變大，同時也會給催化劑活性轉(zhuǎn)化效率帶來不利影響。因此，在焦?fàn)t煤氣精脫硫過程中，應(yīng)注重規(guī)避以上影響因素，保障焦?fàn)t煤氣精脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和脫硫效果。

4 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣制LNG過程中，需要借助精脫硫工藝對其進(jìn)行脫硫處理，去除焦?fàn)t煤氣中的硫化物或者降低焦?fàn)t煤氣中的硫含量，使其符合使用標(biāo)準(zhǔn)要求。因此要合理應(yīng)用精脫硫工藝，為制LNG提供有力保障。