李學強，鄭化安，張生軍，樊英杰，陳靜升，趙鶴翔

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西　西安　710065)

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中低溫熱解煤氣利用途徑分析及建議

李學強，鄭化安，張生軍，樊英杰，陳靜升，趙鶴翔

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西西安710065)

中低溫熱解煤氣是低階煤分質利用過程中重要的產物之一，富含H2、CO、CH4等有效組分。過去蘭炭爐由于煤氣品質低、單爐規(guī)模小且建設分散，煤氣很難集中利用，大都以燃燒供熱或以“點天燈”外排的方式簡單處理，不僅造成了資源的巨大浪費，也產生了嚴重的環(huán)境污染問題。本文首先對國內典型熱解工藝產生的煤氣組成特性進行分析總結，在此基礎上闡述了中低溫熱解煤氣的利用途徑，并對中低溫熱解煤氣綜合利用提出建議，認為蘭炭企業(yè)應根據煤氣組成特性和廠區(qū)的具體需要，繼續(xù)加強中低溫熱解煤氣合理利用工藝路徑的探索和研究，選擇適宜的利用途徑對對中低溫熱解煤氣進行深加工分質利用，從而達到變廢為寶、節(jié)能減排的目的。

熱解煤氣；組成特性；利用方式

低階煤分質利用多聯產技術是根據低階煤的物質構成及其物理化學性質，首先采用先進中低溫熱解技術對全粒徑煤炭進行分質，將煤熱解成氣、液、固三相物質，然后再根據各類熱解產物的物理化學性質有區(qū)別的進行利用，梯級延伸加工、生產大宗化工原料和各類精細化學品[1]。中低溫熱解煤氣是低階煤分質利用過程中重要的產物之一，對熱解煤氣進行分質綜合利用，提高熱解煤氣的附加值，對于降低熱解技術可能的環(huán)境污染、提高熱解系統(tǒng)能源利用效率和經濟價值、延伸熱解技術產業(yè)鏈具有重要的意義。

近些年來，隨著蘭炭產業(yè)的快速發(fā)展，熱解煤氣的產量也隨之快速增加。2010年我國蘭炭產量已達4000萬噸以上，副產煤氣高達4.5×1010m3以上[2]。目前，蘭炭生產企業(yè)副產的煤氣除部分作為焦爐自供燃料外，其余近一半氣體被放空焚燒，雖然有些企業(yè)利用放空焚燒煤氣作為熱源生產金屬鎂和石灰等，但是由于工藝技術簡單粗糙且受資源、成本和市場等因素的影響，熱解煤氣實際利用率和利用水平非常低，普遍存在著嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。

為了對中低溫熱解煤氣進行分質綜合利用，從根本上解決熱解煤氣放空、焚燒所造成的環(huán)境污染，達到充分利用煤氣而變廢為寶的目的，本文首先對中低溫熱解煤氣的組成進行了分析總結，進而分析了中低溫熱解煤氣的利用途徑，并針對中低溫熱解煤氣的綜合利用提出建議，以期對中低溫熱解煤氣的清潔、高效和合理利用有所幫助。

1　中低溫熱解煤氣組成

由于中低溫熱解煤氣的組成與煤種、熱解工藝及操作條件息息相關，不同熱解工藝產生的煤氣組成也有所差異。根據文獻[3-8]可知，中低溫熱解工藝的熱解煤氣典型組分中含有大量CH4、H2、CO 以及C2～C4等大量有用組分，有效組分含量高達50%～90%，煤氣熱值在3200～5500 kcal/Nm3，并且隨著多種以還原氣體(氣化氣、焦爐氣等)為熱載體的熱解新技術的開發(fā)，熱解煤氣的品質將進一步提高。因此，針對中低溫熱解煤氣的組成特性，開展對熱解煤氣的分質綜合利用研究，進行分離提純或聯產化工產品，從根本上解決熱解尾氣放空、焚燒所造成的環(huán)境污染，變廢為寶，有效提高熱解技術的經濟效益，具有顯著的節(jié)能、環(huán)保和資源循環(huán)利用等優(yōu)勢。

2　中低溫熱解煤氣的利用途徑分析

2.1用作城市燃氣和發(fā)電

早在20世紀80年代，我國引入的伍德(Uhde)爐即以生產城市煤氣為主，副產半焦。隨著熱解技術的發(fā)展，熱解煤氣的產量迅速增長，品質也逐漸提高，熱解煤氣中含有H2、CO、CH4等大量可燃性成分，將熱解煤氣處理后用作城市煤氣，是對我國天然氣供應不足局面的一個有效緩解。

此外，可配套相應的蒸汽鍋爐或電站鍋爐，以熱解煤氣為燃料生產高品質蒸汽，為工業(yè)園區(qū)提供產品蒸汽或發(fā)電，可以增加企業(yè)收益，降低生產成本。以60萬噸/年蘭炭廠為例，蘭炭生產所產生的蘭炭尾氣外排量約為60000 Nm3/h，扣除蘭炭生產自用4000 Nm3/h外，尚余56000 Nm3/h可供電廠燃用。蘭炭尾氣發(fā)熱量1900 kcal/Nm3計算，相當每小時提供15.2噸標煤，供蒸汽鍋爐或電站鍋爐燃燒[8]。若蘭炭廠的規(guī)模進一步擴大，企業(yè)的收益更為可觀。可見，充分利用熱解煤氣具有較高熱值的特性作為城市燃氣或配套蒸汽鍋爐可以作為熱解煤氣利用的途徑之一。

2.2熱解煤氣制甲醇

甲醇是有機化學工業(yè)的主要原料之一，可以用來制造甲醛、對苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲胺、聚乙烯醇、氯甲烷類和醋酸等多種化工產品。熱解煤氣中含有大量的H2和CO成分，經過變換調整二者比例后可作為甲醇合成的原料?；诮够に嚨慕固?甲醇聯產工藝已在焦化行業(yè)進行了積極的嘗試，以中低溫熱解煤氣為原料生產甲醇也將成為中低溫熱解煤氣的一個有效利用途徑，其工藝流程為：中低溫熱解煤氣經過除塵、脫硫精制、壓縮后，首先進行一氧化碳變換，調整煤氣中的H2和CO至合適比例，然后進入甲醇合成塔生產甲醇，工藝流程如圖1所示。以中低溫熱解煤氣制甲醇工藝技術的開發(fā)，相比較單純的煤或天然氣制甲醇技術，具有資源利用效率高、生產成本較低、環(huán)境效益良好等優(yōu)勢[9]。

圖1中低溫熱解煤氣制甲醇工藝流程

2.3熱解煤氣制合成氨

氨是重要的無機化工產品之一，主要用于制造氮肥和復合肥料，在國民經濟中占有重要地位。目前方形爐以熱煙氣作為熱載體，所產尾氣中N2高達40%左右(V/V)，而熱解所得H2約為28%(V/V)，以此熱解尾氣進行合成氨生產，不僅解決了方形爐熱解尾氣熱值低的問題，而且利用了煤氣中的N2組分，是方形爐熱解尾氣的一個有效利用途徑。

熱解煤氣制合成氨的工藝流程為：先將熱解煤氣進行除塵、壓縮，然后進行一氧化碳變換，調整H2和N2的比例，接下來進入合成塔合成氨，工藝流程如圖2所示。以180萬噸/年蘭炭廠為例，采用中低溫熱解煤氣經變換后制合成氨技術，可以生產合成氨30萬噸/年，具有可觀的經濟效益和節(jié)能減排優(yōu)勢[3]。

圖2　中低溫熱解煤氣合成氨工藝流程

2.4熱解煤氣制氫

氫氣是中低溫熱解煤氣中重要的組分之一，既是一種高熱值、零污染的理想清潔能源燃料，同時也是一種重要的化工原料，在合成氨、石油加氫精制、煤焦油加氫等工藝中具有廣泛應用。隨著熱解技術的發(fā)展，以合成氣等還原氣氛作為熱載體成為熱解技術的一個重要發(fā)展方向，其一個重要特征就是熱解氣含氮量低，CO和H2等有效組分高，而低氮煤氣變換制氫工藝技術成熟，成本低廉，可以作為中低溫熱解煤氣利用的有效途徑之一。

熱解煤氣制氫工藝流程為：中低溫熱解煤氣脫除H2S后，經過甲烷部分氧化法，將煤氣中CH4轉化為CO和H2，接著煤氣進行一氧化碳變換，將煤氣中CO轉化為H2，最后通過變壓吸附(PSA)將H2分離出來，供后續(xù)工段使用，其工藝流程如圖3所示。

目前從熱解荒煤氣中分離回收氫氣在陜西、內蒙等地區(qū)已經有了一些成功的工程案例，其中比較典型的是陜西煤業(yè)化工集團神木天元化工有限公司2007年建成并已投產的制氫裝置。該裝置采用水洗脫氨、全低溫變換、變壓吸附(V-PSA)提純氫氣工藝，生產規(guī)模為26000 Nm3/h工業(yè)氫氣，為后續(xù)焦油加氫制輕質油品提供氫源，具有顯著的經濟效益[9-10]。

圖3　中低溫熱解煤氣制氫工藝流程

2.5熱解煤氣制天然氣

天然氣作為新型潔凈的能源，在國家環(huán)保安全和能源保障方面具有重要意義。目前國內天然氣供應的缺口正逐年加大，對外依存度更是呈快速上升之勢。熱解荒煤氣中含有大量的甲烷成分(即天然氣主要成分)，從熱解煤氣中分離出甲烷氣體，是緩解我國天然氣供求矛盾的一條有效途徑。熱解煤氣制天然氣工藝流程為：中低溫熱解煤氣通過凈化脫除苯、萘、硫化物后，再經過壓縮、換熱，在催化劑作用下進行甲烷化反應，將CO、CO2與H2轉化成甲烷，再采用氣體分離技術將混合產品氣中的氫氣分離制得液化天然氣，其工藝流程如圖4所示。將中低溫煤氣甲烷化生產LNG，具有投資小、消耗低、無污染、能量利用率高、產品市場前景好等優(yōu)勢，是熱解煤氣有效的利用途徑之一[11]。

圖4　中低溫熱解煤氣制LNG工藝流程

2.6熱解煤氣制H2聯產LNG

在熱解煤氣制氫和熱解煤氣制天然氣兩種利用途徑的基礎上，相關學者[12]提出熱解煤氣制H2聯產LNG的工藝。具體工藝為：中低溫煤氣先經除塵、初加壓和壓縮，接著送往變換裝置進行一氧化碳變換，再經過低溫甲醇洗脫除酸性氣體，然后送往深冷分離裝置進行分離，制得氫氣和LNG產品，深冷分離所得氫氣送PSA提氫裝置進一步提純，其工藝流程如圖5所示。該工藝可根據用氫量的多少，靈活調節(jié)氫氣產量，具有投資和運行成本低、能耗低、能量利用率高等優(yōu)點。因此，熱解煤氣制H2聯產LNG是熱解煤氣綜合利用的較佳選擇。

圖5　中低溫熱解煤氣制H2聯產LNG工藝流程

3　結　論

中低溫熱解煤氣中含有H2、CO、CH4等有效組分，過去“點天燈”外排和簡單燃燒供熱的利用方式不僅造成了巨大的資源浪費，也產生了環(huán)境污染等問題。隨著蘭炭產業(yè)的快速發(fā)展，熱解煤氣的產量也勢必大量增加，熱解煤氣的分質利用是煤炭分質清潔轉化利用技術的重要環(huán)節(jié)，對熱解產業(yè)的健康發(fā)展具有重要的意義。因此，建議企業(yè)根據不同熱解工藝產生的煤氣組分的特性和結合自身產區(qū)的需要，繼續(xù)加強中低溫熱解煤氣合理利用工藝路徑的探索和研究，選擇適宜的利用途徑對中低溫熱解煤氣進行最優(yōu)的分質利用，從而達到變廢為寶、節(jié)能減排的目的。

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Analysis of the Utilization of Pyrolysis Gas

LI Xue-qiang, ZHENG Hua-an, ZHANG Sheng-jun, FAN Ying-jie, CHEN Jing-sheng, ZHAO He-xiang

(Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co., Ltd., State Energy Key LaboratoryofClearCoalGradingConversion,ShaanxiXi’an710065,China)

Pyrolysis gas at relative low temperature, which is one of the most important products in the process of low rank coal grading utilization, is rich in effective components such as H2, CO and CH4. In the past, pyrolyzers were built small-scaled and scattered which caused the pyrolysis gas hard to be used for its low quality and quantity, so the pyrolysis gas was burned to supply heat or emitted into the atmosphere directly which was called “l(fā)antern to the sky”, while this treatment to pyrolysis gas made not only a great waste of resources, but also a serious pollution to environment. Some suggestions on integrated utilization of pyrolysis gas were put forward on the basis of summarizing its composition properties and utilization approaches of the typical coal-pyrolysis process in domestic. The enterprise should choose a proper way to make deep and staged processing of pyrolysis gas according to the gas properties and the plant’s specific needs, so as to recycle energy and reduce emission.

pyrolysis gas; composition properties; utilization approaches

李學強，男，工程師，主要從事煤化工技術相關領域研發(fā)。

陳靜升。

TQ523.6

A

1001-9677(2016)01-0147-03