一種高效利用焦爐煤氣的新工藝

摘 要

摘要：目前我國焦爐煤氣的主要用途是作為工業(yè)和民用燃料，其中寶貴的氫氣資源沒能得到合理利用。為此，結(jié)合煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃氣企業(yè)各自需求實際，因地制宜地提出了一種高
摘要：目前我國焦爐煤氣的主要用途是作為工業(yè)和民用燃料，其中寶貴的氫氣資源沒能得到合理利用。為此，結(jié)合煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃氣企業(yè)各自需求實際，因地制宜地提出了一種高效合理利用焦爐煤氣的新工藝：分離提純焦爐煤氣中的氫氣組分，以提高其附加值；將剩余的解吸氣體等進行調(diào)配，生產(chǎn)符合國標要求的代天然氣產(chǎn)品供應城市燃氣管網(wǎng)，實現(xiàn)低值產(chǎn)品的高值利用。通過對傳統(tǒng)焦爐煤氣制氫工藝的優(yōu)化，采取跨行業(yè)聯(lián)合、梯級對口利用模式，使得各種工況條件下，能源價值能夠得到最大化利用。該工藝可直接用于工程實際。
關鍵詞：能源；焦爐煤氣；制氫；變壓吸附；代天然氣；集成工藝
1 焦爐煤氣來源與組成
    焦爐煤氣是鋼鐵企業(yè)煉焦過程中的副產(chǎn)物，組分比較復雜，且隨原料煤的質(zhì)量差異而變化，同時也與焦爐的操作條件等有關。盡管影響焦爐煤氣組分的因素較多，但焦爐煤氣中的氫氣組分含量始終保持在較高水平，體積分數(shù)超過50%(表1)[1]。
表1 焦爐煤氣典型組成表    %
項目
組成
項目
組成
H2體積分數(shù)
55.53
CO體積分數(shù)
8.10
CH4體積分數(shù)
23.68
CO2體積分數(shù)
5.86
N2體積分數(shù)
2.86
CmHn體積分數(shù)
3.54
O2體積分數(shù)
0.43
 
 
2 焦爐煤氣的利用與制氫工藝
2.1 焦爐煤氣的利用現(xiàn)狀
    焦爐煤氣目前一般被就近用作鋼鐵企業(yè)的燃料或通過管道輸送至附近區(qū)域用作居民生活燃料。這種利用模式存在的主要問題是：用作工業(yè)燃料時，供需難以達到平衡，往往供應遠遠大于需求而導致富余量難以處理；用作居民燃料時，則因為熱值較低，煤氣中的塵、焦油、硫的含量較高，導致燃燒效果不佳，煙氣排放指標不理想，且供應量和穩(wěn)定性容易受到煉焦企業(yè)生產(chǎn)的影響。更為重要的是，高附加值組分氫氣沒能得到合理回收利用，直接用作燃料是較大的浪費。
    鑒于上述情況，結(jié)合焦爐煤氣生產(chǎn)企業(yè)附近就有不少冶金、化工裝置存在極大氫氣需求的特點，近年來，焦爐煤氣的綜合利用采用了經(jīng)濟合理的工藝技術回收其中的氫氣，成為該行業(yè)的一個發(fā)展方向。
2.2 焦爐煤氣制氫工藝
2.2.1深冷法
    利用深度冷卻工藝分離氫氣，最終得到的氫氣含量(體積分數(shù))為83%～88%，純度不高，所用設備復雜且需在高壓條件下操作，生產(chǎn)投資大、運行費用高、投資回收期長。因此，該工藝發(fā)展空間不大。
2.2.2變壓吸附法
    1978年美國UCC公司建成世界上第一套焦爐煤氣制氫的工業(yè)PSA裝置[2]，1984年實現(xiàn)了工業(yè)化。我國寶鋼集團有限公司于1985年引進了該項技術。其具有能耗低、流程簡單、裝置自動化程度高、氫氣純度高(體積分數(shù)超過99.9%)、回收率高、成本低的特點，是目前焦爐煤氣制氫的一種主導方法。
2.2.2.1 變壓吸附原理
    利用不同的吸附劑在不同壓力條件下，對各種氣體組分的吸附容量、吸附力、吸附速度不同的特性，通過選擇相應的吸附劑，加壓吸附混合物中的某一種或幾種同類的易吸附組分(通常是物理吸附)，達到對混合物提純的目的。
    焦爐煤氣PSA裝置常用的吸附材料是活性炭類和分子篩類等[3]。
2.2.2.2 變壓吸附循環(huán)過程
    1) 壓力下吸附：向吸附床通入需要分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇吸附，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。
    2) 減壓解吸：根據(jù)被吸附組分的性能，選用降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸先是降低到大氣壓力，然后再沖洗、抽真空或置換。
    3) 升壓：吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓，直至吸附壓力下進行吸附。
2.2.3常見的焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝流程
    焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝流程包括以下5個工序[4]：原料壓縮工序、冷凍凈化分離工序、變壓吸附脫碳烴工序、脫硫壓縮工序、變壓吸附制氫和脫氧工序(見圖1)。
 
2.2.3.1 原料壓縮、冷凍凈化分離工序
    將焦爐煤氣加壓至0.6MPa，經(jīng)冷凍設備后，其溫度降低至3～5℃，焦爐煤氣中的游離水、焦油、萘、苯等重組分被析出。脫出雜質(zhì)后的低溫焦爐煤氣與進入本工序的原料氣換熱，溫度升至20℃左右。
2.2.3.2 變壓吸附脫碳烴工序
    本工序主要是脫除焦爐煤氣中強吸附組分氰化氫(HCN)、C2+、CO2、H2S、NH3、NO、有機硫以及大部分CH4、CO、N2等，成為半成品氣的焦爐煤氣，此時氫氣體積分數(shù)為94%～95%。
2.2.3.3 脫硫壓縮工序
    將上述半成品氣中的硫予以脫除，并壓縮至1.3MPa進入變壓吸附制氫脫氧工序。
2.2.3.4 變壓吸附制氫和脫氧工序
    脫除O2等雜質(zhì)后，成為產(chǎn)品氣，其中的氫氣體積分數(shù)可達到99.99%。
2.2.4解吸氣組成
    解吸氣是變壓吸附階段從焦爐煤氣中分離出絕大部分氫氣組分后剩余的混合氣體[5]，熱值較高，也很純凈[6](見表2)。
表2 常見的解吸氣組成及燃燒特性參數(shù)表
項目
組成
項目
組成
H2體積分數(shù)(%)
22.06
CmHn體積分數(shù)(%)
4.21
CH4體積分數(shù)(%)
39.70
高位熱值(MJ/m3)
24.60
N2體積分數(shù)(%)
14.61
低位熱值(MJ/m3)
22.27
O2體積分數(shù)(%)
1.17
華白指數(shù)(MJ/m3)
30.33
CO體積分數(shù)(%)
13.64
燃燒勢
55.50
CO2體積分數(shù)(%)
4.61
氣體密度(kg/m3)
0.85
    注：m3均為標準狀態(tài)下的體積，下同。
3 利用變壓吸附解吸氣生產(chǎn)代天然氣
    許多城市的煉焦企業(yè)都附屬在鋼鐵企業(yè)內(nèi)，而且鄰近城市天然氣管網(wǎng)。如果煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃氣企業(yè)能夠攜手聯(lián)合，三位一體，充分利用城市天然氣管網(wǎng)容量大的獨特優(yōu)勢，將焦爐煤氣制氫過程中的所有解析氣乃至整個煉焦(鋼鐵)企業(yè)所有可燃氣體調(diào)制成合格的代天然氣產(chǎn)品供應管網(wǎng)，那么，就可以達到焦爐煤氣各組分各盡其用、合作方共贏的目的。
利用解吸氣(也可以是焦爐煤氣)生產(chǎn)代天然氣的集成工藝，就是實現(xiàn)上述構(gòu)想的一種新技術(圖2)。當煉焦企業(yè)和氫氣產(chǎn)品用戶生產(chǎn)裝置正常時，焦爐煤氣先提取氫氣，再利用解吸氣生產(chǎn)代天然氣供應城市燃氣管網(wǎng)；而當其生產(chǎn)裝置異?；驓錃猱a(chǎn)品銷路不暢時，則直接利用焦爐煤氣生產(chǎn)代天然氣供應管網(wǎng)，避免焦爐煤氣排空而導致能源浪費?？諝?、LNG(包括管輸天然氣)或LPG分別用作生產(chǎn)代天然氣產(chǎn)品時調(diào)控熱值和燃燒特性參數(shù)。
 
3.1 利用解吸氣生產(chǎn)12T代天然氣
    正常情況下，從焦爐煤氣中提取的高純度氫氣供應給氫氣產(chǎn)品用戶，中間副產(chǎn)品——解吸氣則送至混配裝置，與氣相LNG(熱值較高)混配，生產(chǎn)出符合國標要求12T代天然氣產(chǎn)品，供城市燃氣管網(wǎng)用戶使用。LNG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為解析氣:LNG=26%:74%。
    也可視具體情況采用LPG調(diào)制方式。必須指出，在此情況下，必須混入一定比例的管輸天然氣，才能使代天然氣產(chǎn)品熱值、燃燒特性參數(shù)均符合要求。LPG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為解吸氣:LPG:管輸天然氣=32%:5%:63%。利用解析氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)見表3。
表3 利用解析氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)表
項目
組成
LNG調(diào)制方式
LPG調(diào)制方式
H2體積分數(shù)(%)
5.66
6.96
CH4體積分數(shù)(%)
76.20
75.86
N2體積分數(shù)(%)
3.80
5.51
O2體積分數(shù)(%)
0.30
0.37
CO體積分數(shù)(%)
3.50
4.30
CO2體積分數(shù)(%)
1.18
1.45
CmHn體積分數(shù)(%)
9.36
5.55
高位熱值(MJ/m3)
39.31
39.28
低位熱值(MJ/m3)
35.59
35.60
花白指數(shù)(MJ/m3)
49.26
48.13
燃燒勢
45.42
44.65
氣體密度(kg/m3)
0.82
0.86
3.2 利用焦爐煤氣生產(chǎn)12T代天然氣
    當變壓吸附制氫裝置出現(xiàn)故障，或下游氫氣產(chǎn)品用戶生產(chǎn)裝置不正常時，則經(jīng)過壓縮、冷凍脫水后的焦爐煤氣可直接與氣相LNG混配，同樣生產(chǎn)出符合國標要求的12T代天然氣產(chǎn)品供城市燃氣管網(wǎng)用戶使用。LNG調(diào)制方式情況下，混合比例(氣相體積比)為：焦爐煤氣:LNG=22%:78%。
    同樣，也可以采用LPG調(diào)制方式，混合比例(氣相體積比)為焦爐煤氣:LPG:管輸天然氣=65%:15%:20%。利用焦爐煤氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)見表4。
表4 利用焦爐煤氣生產(chǎn)的12T代天然氣產(chǎn)品組成與燃燒特性參數(shù)表
項目
組成
LNG調(diào)制方式
LPG調(diào)制方式
H2體積分數(shù)(%)
12.07
36.51
CH4體積分數(shù)(%)
74.64
34.33
N2體積分數(shù)(%)
0.68
2.15
O2體積分數(shù)(%)
0.09
0.04
CO體積分數(shù)(%)
1.76
5.29
CO2體積分數(shù)(%)
1.27
3.83
CmHn體積分數(shù)(%)
9.49
17.85
高位熱值(MJ/m3)
39.39
39.22
低位熱值(MJ/m3)
35.59
35.59
花白指數(shù)(MJ/m3)
51.43
48.16
燃燒勢
53.81
74.25
氣體密度(kg/m3)
0.76
0.86
3.3 轉(zhuǎn)換效率
    按照上述解吸氣工藝，1.0m3焦爐煤氣可產(chǎn)生0.44m3左右的氫氣，并釋放出0.5m3左右的解吸氣，解吸氣與LNG或LPG混配生產(chǎn)代天然氣的轉(zhuǎn)換效率為93.2%～97.6%。
4 結(jié)論
    將煉焦企業(yè)、氫氣產(chǎn)品用戶與燃氣企業(yè)聯(lián)合起來，先將焦爐煤氣中的氫氣組分分離提純，以提高其附加值，然后將剩余的解吸氣體用于生產(chǎn)代天然氣產(chǎn)品供應城市燃氣管網(wǎng)，實現(xiàn)低值產(chǎn)品高值利用。采用這種集成的工藝技術，能夠使各種工況下的能源利用得到最優(yōu)化，是焦爐煤氣綜合利用的發(fā)展方向之一。
參考文獻
[1] 王海風，張春霞，胡長慶，等.鋼鐵企業(yè)焦爐煤氣利用的一個重要發(fā)展方向[J].鋼鐵研究學報，2008，20(3).
[2] 周云輝，劉新，粟蓮芳.變壓吸附技術在焦爐煤氣制氫中的應用[J].河南冶金，2007(5)：35-37.
[3] 寧紅軍，趙新亮，曹曉寶.焦爐煤氣變壓吸附制氫新工藝[J].河南化工，2007，11：48-50.
[4] 豐恒夫，羅小林，熊偉，等.我國焦爐煤氣綜合利用技術的進展[J].武鋼技術，2008(4)：55-58.
[5] 高志軍，張瑞剛，杜然，等.焦爐煤氣制取氫氣后的利用[J].燃料與化工，2007(5)：41-43.
[6] 曹德或，粟蓮芳.焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝的應用[J].煤氣與熱力，2008，28(10)：25-27.
 
(本文作者：羅東曉1，2 1.廣州燃氣集團有限公司；2.華南理工大學)