曹文會(冀中能源井陘礦業(yè)集團,河北 石家莊 050000)

焦爐煤氣制取天然氣技術及經(jīng)濟分析

曹文會(冀中能源井陘礦業(yè)集團,河北 石家莊 050000)

在焦化生產(chǎn)中，副產(chǎn)大量的焦爐煤氣，利用焦爐煤氣制取天然氣是一種新的可靠的天然氣供給方式，還能有效減少工業(yè)廢氣的排放，控制住對環(huán)境的污染，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提升。本文簡要敘述了國內(nèi)焦爐煤氣制天然氣的發(fā)展現(xiàn)狀,工藝流程,并對焦爐煤氣制天然氣項目的經(jīng)濟性進行了分析，利用焦爐煤氣制取天然氣的技術，在社會持續(xù)發(fā)展的今天有著重要的意義。

焦爐煤氣；天然氣技術；制取；發(fā)展狀況；經(jīng)濟分析

1 焦爐煤氣制取天然氣技術的發(fā)展狀況

目前的焦爐煤氣，主要作為城市煤氣氣源、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料，以及甲醇和化肥等生產(chǎn)原料；隨著城市化進程的加速，以及居民生活條件改善對天然氣能源需求的提升，焦爐煤氣制天然氣市場正逐步打開，以焦爐煤氣為原料制天然氣的比較效益正逐步取得市場的認可。國內(nèi)焦爐煤氣制天然氣項目工業(yè)化速度較快，其技術也大多國產(chǎn)化，國內(nèi)已有多家單位掌握了焦爐煤氣制天然氣技術。

為了利用焦爐煤氣中的CH4，國內(nèi)開發(fā)了利用焦爐煤氣生產(chǎn)液化天然氣的方法，該工采用變壓吸附和深度冷相結臺的物理方法，可以分離出焦爐煤氣中的CH4和CO。該法過程簡單、能耗低，但是其中的H2未得到有效利用，LNG產(chǎn)率低，后來對該方法進行改進，即將焦爐煤氣先進行甲烷化反應，然后深冷分離制取LNG，不凝氣體通過變壓吸附裝置生產(chǎn)純度99%以上的H2，提高了焦爐煤氣中組分的利用率，但甲烷效率有待提高。

西南化工研究院采用兩段或三段甲烷化反應和變壓吸附相結合的方法，利用焦爐煤氣制取合成天然氣，甲烷濃度大于90%，熱值大于32MJ，由于焦爐煤氣中氫多碳少，H2還有部分剩余。山西科靈環(huán)境工程設計技術有限公司設計了先對焦爐煤氣補碳，優(yōu)化H/C比，然后甲烷化制取SNG的方法，進一步提高了SNG產(chǎn)率和H2利用率。

武漢科林精細化工有限公司與武漢理工大學合作，采用自主研發(fā)的催化劑和部分循環(huán)與多級冷激結合的新工藝，解決了甲烷化反應器的溫升控制問題，可副產(chǎn)中壓蒸汽，同時變壓吸附制氫，目前利用該技術設計的新晶科技9000萬Nm3/a焦爐氣制CNG項目一期工程已于2013年7月完工投產(chǎn)。該技術經(jīng)濟效益好，能耗低，值得大力推廣。

2 利用焦爐煤氣制取天然氣技術的基礎程序

焦爐煤氣是煉焦的副產(chǎn)品，其主要成分為氫氣、甲烷，是一種良好的化工原料和高熱值燃料，但其所含雜質（如各種形態(tài)硫、焦油、苯、萘、氨和HCN等）種類繁多，成份復雜。原料氣首先采用吸附法脫除苯、萘和焦油等雜質，加壓預熱后脫氯后，之后經(jīng)過兩段加氫轉化，將有機硫轉化無機硫，并經(jīng)過兩段脫硫凈化后，進入甲烷化工序。在此將大部分CO、CO2與氫氣經(jīng)過甲烷化反應生成甲烷。甲烷化反應是強放熱反應，通過副產(chǎn)中壓蒸汽的方式移出反應熱并回收。由于焦爐煤氣中氫含量較高，甲烷化反應后還有較多剩余氫氣，可分離出來作為副產(chǎn)品銷售或建加氫項目。

2.1 焦爐煤氣的凈化處理

從焦化廠來的焦爐氣含有多種雜質組份，特別是苯、萘等的含量較高，該組份將對下游的凈化分離工序會造成危害，此外焦爐氣中含有H2S，這些硫化物對甲烷化催化劑有很強的毒性，因此在焦爐煤氣進入后續(xù)工段之前需預處理將萘、大量H2S脫除。一般來說，在進行除苯等除雜環(huán)節(jié)后，要在進一步的進行精脫硫處理。甲烷化催化劑對硫敏感，非常容易硫中毒，但有部分有機硫只有在高溫催化下才可以轉化為硫化氫，通常采用二段加氫工藝的干法脫硫工藝。首先利用原料氣中的氫氣（H2）在鈷鉬催化劑作用下將其中的COS等有機硫轉化為H2S。采用鐵錳脫硫劑、氧化鋅（ZnO）作為脫硫劑，脫除焦爐煤氣中的無機硫。最終將原料氣中總硫脫至＜0.1ppm。

2.2 甲烷化

甲烷化是焦爐煤氣制取天然氣的核心部分，可將焦爐煤氣中的CO、CO2、H2轉化為甲烷，甲烷含量可提高約10%，這樣焦爐氣就變成主要含CH4、H2和少量N2的氣體混合物。甲烷化過程為放熱反應，出甲烷化反應器的氣體進入廢熱鍋爐回收余熱，副產(chǎn)蒸汽。焦爐氣甲烷化過程中伴隨系統(tǒng)析碳，生產(chǎn)的碳沉積在催化劑表會造成催化劑失活，并且使床層阻力增加，裝置無法運行，若甲烷化轉化不完全，不僅會使甲烷的收集率造成重大的干擾，還會對制取后天然氣的品質產(chǎn)生影響。因此，對焦爐氣甲烷化催化工藝的催化劑要求較高。在當今企業(yè)的不斷發(fā)展中，我國的大連普瑞特化工有限公司和武漢科林精細化工有限公司以及中科院等諸多單位都在催化劑方面取得了較好的成績，特別是武漢科林更是針對這個方面的問題進行了深入細致的研究，開發(fā)出了一種新型的甲烷化催化劑，并進行了大批量的應用，在催化劑領域得到了高效的認可。

2.3 合成氣變壓吸附分離

當前工業(yè)上比較廣泛應用的分離技術有變壓吸附和膜分離兩種，變壓吸附技術投資少、運行費用低、產(chǎn)品純度高、操作簡單、靈活，原料氣源適應范圍寬在工業(yè)氣體的分離提純方面應用廣泛。從甲烷化工段出來的甲烷氣純度超過了60%，其余為氫氣和部分氮氣。采用變壓吸附工藝將甲烷化后的氣體提純，可以將甲烷的濃度提升到90%以上，達到國家車用天然氣標準的產(chǎn)品氣體，副產(chǎn)的工業(yè)氫氣也可以直接進行銷售。

2.4 天然氣壓縮及脫水

經(jīng)變壓吸附分離工序后甲烷含量將達到92%以上，將此甲烷氣送入CNG壓縮工段，然后進入脫水工序高壓脫水，即利用床層的吸附劑（分子篩）脫除工藝氣體中的水分。脫水后的天然氣經(jīng)加氣柱計量后，對天然氣運輸槽車進行充裝，再由天然氣槽車運輸?shù)娇蛻糇诱緝?nèi)經(jīng)加氣機計量后銷售。

3 焦爐煤氣制取天然氣的經(jīng)濟性的分析

一個天然氣（CNG)產(chǎn)量為9000萬Nm3/年的焦爐煤氣制天然氣項目，投資大約2.6個億，占地面積約7500平方米，每年可處理焦爐煤氣2.4億立方，生產(chǎn)天然氣9000萬Nm3，氫氣3300萬Nm3，蒸汽5.4萬噸，項目達產(chǎn)后正常年份銷售收入約為2.2億元，利潤7000多萬元，3-4年可收回投資，經(jīng)濟效益良好。同時，它可以解決90多人的就業(yè)問題，減少CO、CO2等的排放，具有很高的社會價值。

4 結語

總而言之，焦爐煤氣制天然氣技術，流程簡單，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品效益好，可最大限度地利用焦爐煤氣中的有效組份。不僅從根源上解決了焦化廠煤氣的環(huán)境污染問題，又可變廢為寶，延伸煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，提高焦化企業(yè)的產(chǎn)品附加值，順應建設節(jié)能型、環(huán)保型社會的發(fā)展方向，符合國家產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整的政策，具有經(jīng)濟、環(huán)境生態(tài)及社會可持續(xù)發(fā)展的重大意義，對傳統(tǒng)的焦化產(chǎn)業(yè)轉型升級具有重大的戰(zhàn)略意義，因此，焦爐煤氣制取天然氣技術在我國具有廣闊的市場前景。

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