煤制油尾氣脫碳處理工藝的原理分析

吳 洲

（山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046200）

0 引言

想要在煤制油尾氣脫碳處理工藝具體運(yùn)用過程中，獲得良好的效果，應(yīng)當(dāng)深入了解基本原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)原理的全面認(rèn)知，在此基礎(chǔ)上制定適合的技術(shù)方案。

1 煤制油尾氣脫碳分析

1.1 煤制油中CO2 的形成

原料煤篩選后，在氣化爐設(shè)備的氣化處理作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)榇置簹?，粗煤氣?jīng)由低溫甲醇洗凈化處理，被處理成費(fèi)托反應(yīng)過程中需要使用的H2氣體+CO氣體的混合物，上述兩種氣體的混合物在適當(dāng)壓力和溫度下，被送入到反應(yīng)器設(shè)備內(nèi)部，在催化劑作用下，在反應(yīng)器內(nèi)部完成費(fèi)托合成反應(yīng)過程，生成并且對(duì)外輸出輕質(zhì)餾分油、重質(zhì)餾分油、重質(zhì)蠟、合成水，以及CO2等多種物質(zhì)。在經(jīng)過費(fèi)托反應(yīng)環(huán)節(jié)之后，實(shí)際形成的合成類產(chǎn)品、尾氣，在依次經(jīng)歷換熱環(huán)節(jié)、分離環(huán)節(jié)和收集環(huán)節(jié)后，其中包含的大多數(shù)氣體成分將會(huì)通過加壓循環(huán)機(jī)設(shè)備得到循環(huán)使用[1]。除此之外，有小量的尾氣，在利用脫碳工藝脫除其中包含的CO2氣體后，開展脫碳油洗工序，完成低碳烴類物質(zhì)回收。

1.2 煤制油尾氣脫碳重要性

在煤制油生產(chǎn)過程中，對(duì)煤炭能源開展液化處理，通常會(huì)生成并釋放數(shù)量較多的CO2，在費(fèi)托合成反應(yīng)推進(jìn)過程中，能夠產(chǎn)生多種烴類物質(zhì)，還會(huì)生成數(shù)量較多的CO2氣體[2]。

一方面，在環(huán)境內(nèi)部有數(shù)量較多的CO2氣體時(shí)，通常會(huì)對(duì)后續(xù)工藝涉及的化學(xué)反應(yīng)帶來不良影響；另一方面，在煤制油生產(chǎn)活動(dòng)過程中，通過利用費(fèi)托合成工藝，CO 與H2反應(yīng)下會(huì)生成烴類物質(zhì)，而在較多的O2參與下，通常會(huì)生成H2O 和CO2。在完成液體產(chǎn)品物質(zhì)分離后，實(shí)際剩余的尾氣在經(jīng)過脫碳處理后，能再次開展費(fèi)托合成，客觀上能夠較大程度改善總體產(chǎn)油率。通過上述分析可知，開展圍繞尾氣脫碳處理，是非常有必要的[3]。

2 煤制油尾氣脫碳處理工藝原理

2.1 溶劑吸收法

2.1.1 化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法的脫碳處理工藝就是利用吸收塔設(shè)備，將CO2與吸收劑在吸收塔設(shè)備內(nèi)部開展化學(xué)，將原料氣中的CO2展開分離與回收。高凈化度及高吸收度是化學(xué)吸收法的最大優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)在于能量消耗較多，再生過程熱耗相對(duì)較大。開展化學(xué)吸收脫碳處理過程中，通?？梢钥紤]選擇活化熱鉀堿方法以及醇氨類方法。在天然氣生產(chǎn)、制氫生產(chǎn)及合成氣物質(zhì)生產(chǎn)等多種化工生產(chǎn)活動(dòng)過程中，活化熱鉀堿方法已經(jīng)在脫碳處理工藝流程中得到廣泛運(yùn)用[4]。現(xiàn)階段，與熱鉀堿脫碳工藝流程相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)裝置在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有1 000 余套，最具代表性的包含砷堿方法，以及本菲爾德方法等。

此處介紹的處理工藝，其基本原理就是通過運(yùn)用碳酸鉀溶液，完成對(duì)CO2的吸收，且碳酸鉀在與CO2相互反應(yīng)過程中將會(huì)產(chǎn)生碳酸氫鉀，溶液物質(zhì)的再生過程，就是要將已經(jīng)完成CO2吸收過程的溶液，在持續(xù)加熱處理下，促進(jìn)碳酸氫鉀物質(zhì)發(fā)生分解，也就是逆反應(yīng)過程，在釋放CO2后再次生成碳酸鉀，完成再生環(huán)節(jié)后的溶液能夠循環(huán)使用[5]。

當(dāng)前階段，應(yīng)用普及程度最高且得到深入研究分析的是醇氨類方法，其中最具代表性的是MDEA 方法。我國早在20 世紀(jì)80 年代初期，在MDEA 方法的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)形成了經(jīng)由改性的MDEA 溶劑。此處使用的處理工藝，就是要將某種MDEA 混合氨溶劑添加到MDEA 內(nèi)部，客觀上不但能夠顯著提升酸氣負(fù)荷強(qiáng)度，還能同時(shí)提高CO2的吸收速度，并且還不會(huì)顯著破壞MDEA 物質(zhì)的再生過程及處理能力。

MDEA 處理工藝應(yīng)用過程最顯著的特點(diǎn)，在于其具備著相對(duì)較強(qiáng)的脫碳處理能力，且其在具體使用過程中能耗水平相對(duì)較低，在壓力強(qiáng)度較低情況下，脫碳處理過程的凈化實(shí)現(xiàn)程度相對(duì)較高。由于MDEA溶液具備著相對(duì)良好的腐蝕性能，因此脫碳處理過程中不需要使用其他種類的緩蝕劑，MDEA 脫碳處理工藝是煤制油尾氣脫碳處理過程中最為關(guān)鍵的的工藝。

2.1.2 物理吸收法

物理吸收方法是一種對(duì)CO2氣體開展的提純或分離脫除方法，其運(yùn)用的基本原理就是在有機(jī)溶劑環(huán)境中完成CO2氣體的吸收過程，且需要在加壓環(huán)境下完成[6]。

物理吸收方法運(yùn)用過程中需要把握的關(guān)鍵點(diǎn)在于做好吸收劑的優(yōu)化選擇，吸收劑的選擇過程要滿足沸點(diǎn)相對(duì)較高、性能穩(wěn)定、無生物毒性且對(duì)CO2氣體的溶解度相對(duì)較高，對(duì)甲烷氣體及H2氣體的溶解度相對(duì)較低等條件。相對(duì)而言，物理吸收脫碳方法使用流程較為簡單，需要在高壓、低溫條件下運(yùn)用，且針對(duì)吸收劑的使用量相對(duì)較少，吸收能力較強(qiáng)。除此之外物理吸收方法的再生過程容易實(shí)現(xiàn)，不需要實(shí)施加熱處置環(huán)節(jié)，經(jīng)常選擇常溫氣提技術(shù)法或者是降壓閃蒸技術(shù)法，此種方法無論是投資數(shù)額、費(fèi)用支出數(shù)量、還是能源物資要素消耗數(shù)量層面，均較為經(jīng)濟(jì)。

2.2 吸附法

吸附方法就是要利用活性炭、分子篩、天然沸石等種類多樣的固體吸附劑類物質(zhì)，開展針對(duì)CO2氣體的吸收，其主要操作方式分成2 種，分別為變壓吸附方法、基于溫度參數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程的TSA 方法[7]。

2.3 低溫分離法

低溫分離技術(shù)方法屬于物理方法，其應(yīng)用主要目的在于針對(duì)CO2氣體借助于低溫冷凝處理方式完成分離，其處理工藝遵循的基本原理就是按照煤制油生產(chǎn)過程尾氣物質(zhì)中各物質(zhì)組成部分揮發(fā)度差異，對(duì)尾氣物質(zhì)開展反復(fù)多次的壓縮處理過程以及冷凍過程，將CO2氣體轉(zhuǎn)變成液體，繼而完成煤制油尾氣的脫碳處理過程。低溫分離方法的主要優(yōu)點(diǎn)，在于其能夠支持分離獲取到具備較高純度的液態(tài)CO2，且源于其密度相對(duì)較大，因而液體CO2更容易支持完成汽運(yùn)或者是管道運(yùn)輸。

2.4 膜分離法

膜分離方法的本質(zhì)就是要運(yùn)用不同種類氣體在滲透過程推進(jìn)速度方面存在的差異，推進(jìn)開展氣體的分離處理過程。

在膜分離方法具體運(yùn)用過程中，實(shí)際使用的薄膜材料，在生產(chǎn)制備過程中，需要結(jié)合使用某些種類的聚合化學(xué)物質(zhì)[8]。

氣體本身具備的物理化學(xué)性質(zhì)、薄膜材料本身具備的特性，以及薄膜材料兩側(cè)的壓力強(qiáng)度差值關(guān)系，能夠影響制約氣體物質(zhì)成分的過膜環(huán)節(jié)推進(jìn)速度。

壓力差是膜分離技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力因素，當(dāng)壓差出現(xiàn)在膜兩邊的時(shí)候，滲透率較高的氣體會(huì)以高速度穿過薄膜材料，形成一股滲透氣流，而滲透率較低的氣體就會(huì)形成殘留氣流，之后將這2 股氣體分別進(jìn)行引出，從而實(shí)現(xiàn)氣體的分離。在煤制油過程中，CO2氣體、H2S 氣體，以及H2氣體具有較強(qiáng)的滲透能力，而N2氣體、CH4氣體等的穿透能力較低。現(xiàn)階段，有較多企業(yè)正在開發(fā)研究煤制油過程中捕集高濃度的CO2氣體的膜分離技術(shù)。

3 結(jié)語

綜合梳理現(xiàn)有研究成果可知，優(yōu)質(zhì)持續(xù)運(yùn)作煤制油生產(chǎn)技術(shù)項(xiàng)目，對(duì)于有效改善緩解我國石油能源物資產(chǎn)品供應(yīng)數(shù)量不足問題，以及支持實(shí)現(xiàn)能源物資要素的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)化處理技術(shù)目標(biāo)，發(fā)揮彰顯著關(guān)鍵性影響意義。在煤制油生產(chǎn)工藝體系的間接液化工藝環(huán)節(jié)推進(jìn)開展過程中，基于合成氣體產(chǎn)物中存在分布的CO2氣體組成部分，能夠指向后續(xù)工段的生產(chǎn)加工活動(dòng)過程施加影響制約作用，因此必須要推進(jìn)開展指向合成尾氣物質(zhì)的CO2氣體組成部分脫碳處理環(huán)節(jié)。如上所述的是對(duì)煤制油合成尾氣的CO2脫碳處理工藝分析過程，而在煤制油生產(chǎn)過程中，還需要遵照煤制油企業(yè)組織自身的客觀實(shí)際情況，具體選擇確定相對(duì)合適的脫碳處理方法。