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半焦煤氣的脫氮提質(zhì)和利用

尚俊法

(山西陽煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司山西運(yùn)城044100)

0前言

半焦是長焰煤、不黏煤、弱黏煤、褐煤以及高揮發(fā)分的煙煤經(jīng)低溫(500~700 ℃)干餾所得的可燃性固體產(chǎn)物，又稱低溫焦，俗稱蘭炭。半焦的生產(chǎn)起源于20世紀(jì)90年代的陜北府谷、神木以及內(nèi)蒙古鄂爾多斯等新興的煤資源豐富地區(qū)，為緩解我國的焦煤資源緊缺矛盾起到了一定的作用。

半焦生產(chǎn)技術(shù)簡單，但煤氣產(chǎn)率低、焦油產(chǎn)率高，其副產(chǎn)的中低溫焦油產(chǎn)率在6%～10%。不同于高溫焦油，中低溫焦油含有較多的含氧化合物及鏈狀烴，重油含量較少，適合采用加氫技術(shù)生產(chǎn)車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料油和化學(xué)品。噸半焦副產(chǎn)半焦煤氣(又稱蘭炭煤氣)在80～1 500 m3(標(biāo)態(tài))，自用率在40%～50%，富裕的半焦煤氣因熱值較低、H2+CO含量低，主要于發(fā)電和供熱，很少用于生產(chǎn)甲醇與合成氨，沒有得到很好的綜合利用。

1制約半焦煤氣綜合利用的瓶頸

1.1H2+CO含量低

因生產(chǎn)工藝原因，半焦煤氣成分不同于焦?fàn)t煤氣，熱值和有效成分低，而N2含量較高(表1)。

表1　半焦煤氣與焦?fàn)t煤氣成分對比(體積分?jǐn)?shù))　%

半焦煤氣的熱值為7 900～8 300 kJ/m3(標(biāo)態(tài))，而焦?fàn)t煤氣為17 000～19 000 kJ/m3(標(biāo)態(tài))，比焦?fàn)t煤氣熱值低53%～56%。半焦煤氣中的φ(H2+CO)僅為45%～55%，即使將其中的CH4全部轉(zhuǎn)化為H2和CO，也僅為60%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合成氨、甲醇原料氣中φ(H2+CO)>90%的指標(biāo)。

1.2半焦煤氣的脫氮變壓吸附技術(shù)不經(jīng)濟(jì)

半焦煤氣中的φ(N2)高達(dá)40%～45%，如生產(chǎn)甲醇，不需要其中的N2；如生產(chǎn)合成氨，也只用少量的N2。因此，無論是生產(chǎn)甲醇或合成氨，都要全部或部分脫除其中的N2，以提高H2和CO的含量。如生產(chǎn)甲醇，需將H2/CO(物質(zhì)的量之比，下同)調(diào)至2左右；如生產(chǎn)合成氨，則將(H2+CO)/N2比例調(diào)至3左右。要脫除半焦煤氣中N2，目前成熟的技術(shù)只有變壓吸附，但由于氣體中的酸性氣體(CO2，CO及CH4)種類多、含量高，所以在變壓吸附脫氮過程中，這些酸性氣體損失太大而不經(jīng)濟(jì)。

1.3半焦裝置能力小，聯(lián)產(chǎn)甲醇、合成氨的規(guī)模偏小

21世紀(jì)初，由于技術(shù)、資金等原因，建在陜北、內(nèi)蒙古地區(qū)的半焦生產(chǎn)裝置規(guī)模都在900～1 600 kt/a。以榆林橫山地區(qū)的煤為例，生產(chǎn)1 t半焦富?？捎玫陌虢姑簹饬考s136 m3(標(biāo)態(tài))，比焦?fàn)t煤氣量少約30%。以900 kt/a半焦裝置為例，富?？捎玫陌虢姑簹饬績H為1.53×104m3/h(標(biāo)態(tài))。

按φ(H2)25%、φ(CH4)7%、生產(chǎn)1 t甲醇消耗1 400 m3(標(biāo)態(tài))H2、年生產(chǎn)8 000 h計(jì)，如要產(chǎn)甲醇，不轉(zhuǎn)化CH4，但由于H2量太少，僅能生產(chǎn)19.0 kt/a；如將CH4轉(zhuǎn)化為H2和CO，也僅能生產(chǎn)28.0 kt/a。

按φ(H2)25%、φ(CH4)7%、φ(CO)15%、生產(chǎn)1 t合成氨消耗1 917 m3(標(biāo)態(tài))H2、年生產(chǎn)8 000 h計(jì)，如要產(chǎn)合成氨，則先要將CO變換為H2和CO2，將CH4轉(zhuǎn)化H2和CO2，再脫除CO2和富余的N2，則能生產(chǎn)29.2 kt/a。

因半焦裝置的生產(chǎn)能力偏小，使聯(lián)產(chǎn)的甲醇、合成氨規(guī)模僅為20.0～30.0 kt/a，很不經(jīng)濟(jì)。

2脫氮提質(zhì)技術(shù)

半焦煤氣因N2含量高、熱值低，限制了其用途和價(jià)值，要拓寬用途、提高半焦煤氣的附加值，關(guān)鍵是要降低其中的N2含量。半焦煤氣中的N2含量高是由于半焦生產(chǎn)工程中回爐煤氣燃燒時(shí)助燃的空氣帶入，若能將助燃劑改為富氧空氣，即可降低半焦煤氣中的N2含量。但助燃空氣中的氧含量過高，會(huì)造成焦?fàn)t內(nèi)的局部溫度過高，使煤的低溫干餾過程無法正常進(jìn)行，所以不能用純氧作為助燃劑，而用富氧空氣替代空氣，調(diào)節(jié)好入爐的氧含量，再通入適量的蒸汽，控制好混合氣的燃燒溫度，能生成接近半水煤氣成分的半焦煤氣，而且還可提高煤氣的產(chǎn)量。

采用半焦煤氣PSA-COM稀釋燃燒脫氮提質(zhì)(簡稱PSA-COM)技術(shù)，可較好地解決此問題。脫氮提質(zhì)后的半焦煤氣中N2體積分?jǐn)?shù)可降至3%，H2，CO和CH4體積分?jǐn)?shù)可提升至85%以上，熱值提高約1倍。如果再對半焦裝置進(jìn)行簡單改造，半焦煤氣的產(chǎn)量可提高30%以上。

半焦的熄焦方式仍采用傳統(tǒng)的水熄焦，如果再對半焦裝置進(jìn)行“低水分干熄焦”的節(jié)能改造，能進(jìn)一步提高外供半焦煤氣量，降低脫氮提質(zhì)的煤氣成本，同時(shí)還可提高半焦的質(zhì)量，減少熄焦裝置生產(chǎn)的用水和排污水量。按氧氣480元/t、蒸汽120元/t計(jì)，則預(yù)計(jì)脫氮提質(zhì)后的半焦煤氣成本增加約0.08元/m3(標(biāo)態(tài))。

根據(jù)焦?fàn)t煤氣與半焦煤氣的熱值比較，按焦?fàn)t煤氣0.55元/m3(標(biāo)態(tài))計(jì)，則半焦煤氣應(yīng)在0.25元/m3(標(biāo)態(tài))左右；脫氮提質(zhì)后，增加0.08元/m3(標(biāo)態(tài))的成本并不算高。PSA-COM技術(shù)的設(shè)施為外掛式設(shè)備，不新增占地，原有生產(chǎn)裝置無需大的改動(dòng)，即可與原生產(chǎn)裝置方便對接，不影響原裝置的生產(chǎn)。如有現(xiàn)成的空分裝置和富裕的氧氣、有低壓鍋爐和富裕蒸汽，則改造更為簡單，投資更省。

3半焦煤氣脫氮提質(zhì)后的利用思路

3.1液化天然氣、液體CO2、甲醇路線

因半焦煤氣中的CH4和CO2含量較高，鑒于陜北、內(nèi)蒙古地區(qū)的液化天然氣和液體CO2的市場不錯(cuò)，根據(jù)“陜西黑貓化工”等企業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)品順序?yàn)橐夯烊粴?、液體CO2、甲醇。

3.2液化天然氣、液體CO2、液氨路線

鑒于半焦煤氣中的N2含量較高、脫氮效率較低等原因，而陜北、內(nèi)蒙古地區(qū)的液氨緊缺等因素，亦可考慮液氨路線，具體產(chǎn)品為液化天然氣、液體CO2、液氨。

3.3液化天然氣、液體CO2、高純度H2路線

鑒于陜北、內(nèi)蒙古地區(qū)半焦生產(chǎn)副產(chǎn)的中低溫焦油來源豐富、價(jià)格低廉，因缺H2氣而不能加氫精制的原因，故可考慮H2路線，具體產(chǎn)品為液化天然氣、液體CO2、高純度H2。

4結(jié)語

半焦煤氣的“PSA-COM脫氮提質(zhì)”技術(shù)簡單、投資小、使用方便，為半焦煤氣的經(jīng)濟(jì)和綜合利用開辟了一條新路，使半焦產(chǎn)業(yè)做到“以化養(yǎng)焦”，為半焦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展拓寬了路徑，提供了技術(shù)保證。

收稿日期(2015- 05- 21)