荒煤氣制氫脫焦油、脫萘工藝分析與比較

盧軍祥

神華新疆吐魯番煤化工有限責(zé)任公司 新疆 838000

前言

荒煤氣制氫是一種新型的制氫技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用近年來被廣泛應(yīng)用到我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于荒煤氣本身是焦炭生產(chǎn)的一種副產(chǎn)品，其中含有焦油和萘等多種雜質(zhì)，因此，有必要對(duì)其所制得的氫氣進(jìn)行加工處理，從而提高氫氣純度。本文通過對(duì)荒煤氣的概念和特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并對(duì)以變溫吸附工藝為主的荒煤氣制氫脫焦油、脫萘工藝中的兩種方法進(jìn)行了深入探討。

一、荒煤氣簡(jiǎn)述

荒煤氣又稱為粗煤氣或焦?fàn)t煤氣，是由焦炭生產(chǎn)得到的一種副產(chǎn)品，因其組成成分較為復(fù)雜（H2、O2、N2、CH4、CO和CO2等），所以荒煤氣具有多個(gè)理化性質(zhì)，具體如下：（1）外觀與形狀：黃褐色氣體混合物；（2）相對(duì)水密度：760g/m3；（3）其內(nèi)部主要成分氫氣不容于水、乙醇和乙醚[1]。由于以不同煤原料進(jìn)行生產(chǎn)的焦炭所得到的荒煤氣中，其各個(gè)組成成分的含量是不同的，但其所呈現(xiàn)出的共性為荒煤氣中均含有焦油、萘以及硫化物等多種雜質(zhì)[2]。如何將荒煤氣中的上述雜質(zhì)去除，并提高荒煤氣的利用效率是荒煤氣制氫需要解決的首要問題，因此，下文引入了變溫吸附工藝，并對(duì)應(yīng)用此工藝進(jìn)行荒煤氣制氫的脫焦油和脫萘處理展開分析。

二、荒煤氣制氫脫焦油、脫萘工藝——變溫吸附工藝

1.變溫吸附工藝簡(jiǎn)述

所謂變溫吸附是指利用吸附劑的平衡吸附量隨溫度升高而降低的特點(diǎn)，借助常溫吸附或高溫吸附的手段，對(duì)吸附對(duì)象中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附的操作方法。

2.變溫吸附工藝的原理與設(shè)備

以雜質(zhì)脫除和雜質(zhì)回收作為原料荒煤氣的主要處理方法對(duì)焦炭生產(chǎn)得到的荒煤氣進(jìn)行處理后，利用TSA變溫生產(chǎn)工藝對(duì)內(nèi)部具有較高含量焦油和萘的荒煤氣進(jìn)行進(jìn)一步處理，并將選取的吸附劑的更新時(shí)間設(shè)置為1年[3]。利用變溫吸附工藝進(jìn)行荒煤氣脫焦油、脫萘制氫所涉及到的設(shè)備包括了吸附床（2臺(tái)及以上的復(fù)合床），加熱器、冷卻器、吸附劑與相應(yīng)數(shù)量的閥門。

3.工藝流程

在同一吸附床中加入兩種或兩種以上的吸附劑后，將吸附床依次進(jìn)行吸附、降壓、加熱、、冷吹和升壓，使兩臺(tái)吸附床組成一個(gè)完整的吸附系統(tǒng)。利用吸附床進(jìn)行荒煤氣處理的具體工藝流程為：（1）吸附。將吸附時(shí)吸附床的工作壓力設(shè)定為0.004-0.5MPa，經(jīng)2.2中以雜質(zhì)回收和雜質(zhì)脫除處理后得到的荒煤氣從吸附床的底端的閥門及原料管道進(jìn)入復(fù)合型吸附床，進(jìn)入吸附床后，荒煤氣中具有較強(qiáng)吸附性的雜質(zhì)被吸附床中內(nèi)置的吸附劑所吸附，而具有較弱吸附性的雜質(zhì)經(jīng)過吸附床上端閥門流出，持續(xù)進(jìn)行這一操作，直到荒煤氣中的雜質(zhì)達(dá)到規(guī)定濃度[3]。此時(shí)，將吸附床上下兩端的閥門同時(shí)關(guān)閉，進(jìn)而停止吸附床的吸附；（2）降壓。待停止吸附后2mins后，開啟吸附床的降壓閥門，充分利用吸附床自身的重力，將內(nèi)部氣體經(jīng)由吸附床底端排出，一直到吸附床內(nèi)部達(dá)到規(guī)定壓力位置（0.005MPa）；（3）加熱。打開吸附床的加熱閥門，將溫度在150-300。C之間的解吸器經(jīng)由吸附床頂部進(jìn)入其內(nèi)，持續(xù)升高吸附床的溫度，進(jìn)而吸附床內(nèi)的雜質(zhì)全部氣化，使氣化后的焦油霧和萘氣同荒煤氣中的雜質(zhì)從吸附底端排出，促進(jìn)吸附床內(nèi)吸附劑的再生；（4）冷吹與升壓。由于加熱后所得的荒煤氣具有較高溫度，因此需要開啟冷吹閥門，使常溫解吸器從吸附床的頂端進(jìn)入、底端排出，反復(fù)進(jìn)行此操作，直到吸附劑床內(nèi)的荒煤氣與原料焦炭煤氣的溫度相一致。當(dāng)溫度將至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，開啟吸附床的升壓閥門，將經(jīng)上述凈化處理而得到的荒煤氣緩慢注入吸附床中，進(jìn)行吸附床的升壓工作，一直到達(dá)到吸附床工作的正常壓力為止。

三、變溫吸附再生工藝

1.工藝說明

經(jīng)焦炭生產(chǎn)得到的荒煤氣內(nèi)除了有大量的一氧化碳、二氧化碳以及甲烷等氣體外，還摻有少量的焦油、萘以及硫化物和烴類等，由于焦油和萘等物質(zhì)的沸點(diǎn)較高，因此，其難以在常溫下脫附。此外，由于此類物質(zhì)對(duì)于吸附工藝在變換過程中所用到的吸附劑具有較強(qiáng)的吸附性，所以大幅增加了荒煤氣的解吸難度。變溫吸附再生工藝的預(yù)處理技術(shù)便是為了去除荒煤氣中萘和焦油等沸點(diǎn)較高的雜質(zhì)，以達(dá)到凈化荒煤氣的目的。

2.處理方案

利用吸附劑對(duì)氣體的吸附容量是隨著溫度的變化而變化這一特性，對(duì)吸附劑的吸附條件進(jìn)行合理選擇，并在常溫條件下吸附荒煤氣中的雜質(zhì)組分，在高溫條件下對(duì)雜質(zhì)組分進(jìn)行脫附[4]。最后，利用吸附劑再生或者更新的特性達(dá)到對(duì)荒煤氣中的萘和焦油等雜質(zhì)進(jìn)行連續(xù)吸附的目的。

利用變溫吸附再生工藝對(duì)進(jìn)行脫焦油、脫萘的處理方案主要分為如下4個(gè)步驟：（1）吸附劑再生。由前文可知，吸附劑再生步驟包括了降壓、降溫、冷卻和升壓。（2）系統(tǒng)預(yù)處理器再生。系統(tǒng)預(yù)處理器的再生首先需需要將吸附床的壓力降至常壓，在加入冷卻吸附劑對(duì)荒煤氣進(jìn)行處理后，再對(duì)機(jī)床進(jìn)行充壓。將再生氣體加熱到170。C，并將其送入預(yù)處理器并對(duì)再生氣體進(jìn)行冷卻；再生荒煤氣中需要保證其內(nèi)各部分雜質(zhì)的含量符合如下標(biāo)準(zhǔn)：萘≤1mg/Nm3，焦油≤1mg/Nm3。

四、變溫吸附非再生工藝

1.工藝說明

同變溫吸附再生工藝不同，非再生工藝主要是以具有較強(qiáng)吸附能力的焦炭作為吸附劑，由于吸附荒煤氣中焦油和萘后，焦炭不可再生，因此，將其直接作為燃料送入鍋爐。

2.處理方案

首先，仍要對(duì)預(yù)處理器進(jìn)行降壓、降溫、冷卻和升壓等操作，使荒煤氣經(jīng)由原料管道自上而下地進(jìn)入預(yù)處理器（預(yù)處理器的數(shù)量為4臺(tái)），根據(jù)其內(nèi)部的吸附劑（焦炭）對(duì)不同雜質(zhì)含量荒煤氣有選擇地進(jìn)行吸附。其次，在吸附過程中，荒煤氣中的萘、焦油以及灰塵等物質(zhì)被有效吸附，而未被吸附的甲烷、一氧化碳、氫氣和氧氣等由于密度較小（相對(duì)于荒煤氣），進(jìn)而將其從預(yù)處理器的頂端排出。最后，將由預(yù)處理器頂端得到的預(yù)凈化荒煤氣返回，進(jìn)行壓縮加工。經(jīng)此方案得到的荒煤氣中焦油與萘的脫除精度為：萘≤1mg/Nm3、焦油≤1mg/Nm3[5]。

五、兩種脫焦油、脫萘工藝的比較

首先，就萘與焦油的脫除精度和技術(shù)的先進(jìn)程度而言，變溫吸附再生工藝要比非再生吸附工藝更為先進(jìn)和科學(xué)，其對(duì)萘與焦油的脫除精度也處于較高水平，可以較好地滿足工序變換的具體要求。

其次，從設(shè)備和技術(shù)的投資方面看，非再生工藝對(duì)脫萘和脫焦油的處理需要具備較大體積的設(shè)備，除此之外，還需增設(shè)相關(guān)的精確脫除設(shè)備，大幅增加了設(shè)備和技術(shù)的投入資金，但其所收到的效果，即荒煤氣制氫的純度卻不如變溫吸附再生工藝處理荒煤氣得到的氫氣純度高。由此可知，在設(shè)備和技術(shù)的投資方面，非再生工藝投入的資金量較大大。

最后，從年運(yùn)行費(fèi)用的角度出發(fā)對(duì)二者進(jìn)行分析可知，非再生工藝雖然在單次的吸附處理中，購(gòu)進(jìn)材料和設(shè)備運(yùn)行的費(fèi)用較少，但由以焦炭為主的吸附劑需要進(jìn)行頻繁更換，這就大幅增加了其設(shè)備的運(yùn)行和投入費(fèi)用。綜上所述，無(wú)論是在工藝的先進(jìn)性還是設(shè)備的投入、運(yùn)行費(fèi)用方面，變溫吸附再生工藝均要強(qiáng)于變溫吸附的非再生工藝。

結(jié)論

本文通過對(duì)荒煤氣的特點(diǎn)和概念進(jìn)行分析，從變溫吸附再生工藝與變溫吸附非再生工藝兩方面出發(fā)，對(duì)以變溫吸附工藝為主的荒煤氣制氫脫焦油和脫萘的處理方法展開了詳細(xì)研究，并從工藝的先進(jìn)性、設(shè)備投資與運(yùn)行費(fèi)用等方面對(duì)兩種處理方法進(jìn)行了綜合比較。可見，未來加強(qiáng)變溫吸附工藝在荒煤氣制氫脫焦油、脫萘處理中的研究和應(yīng)用力度，對(duì)于促進(jìn)荒煤氣制氫行業(yè)以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展具有重要的歷史作用和現(xiàn)實(shí)意義。

[1]孫朝慶，孟進(jìn).焦?fàn)t煤氣精制及變壓吸附制氫在梅鋼的應(yīng)用[J].梅山科技，2012，06（12）：22-26.

[2]沈立嵩，鄒華.馬鋼煤氣脫萘工藝與設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].燃料與化工，2010，02:50-52.

[3]沈立嵩，畢振清.馬鋼焦?fàn)t煤氣脫萘工藝與國(guó)內(nèi)其他工藝的比較[J].安徽冶金，2010，02:27-32.

[4]呂勇.焦?fàn)t煤氣凈化系統(tǒng)工藝優(yōu)化及填料無(wú)污染再生技術(shù)研究[J].冶金動(dòng)力，2010，03:16-18.

[5]謝克昌.化學(xué)工業(yè)出版社[J].《煤化工概論》2012，10（06）：47-49.