煤制天燃氣（SNG）技術應用研究

摘要：煤制天燃氣（SNG）有效解決了焦爐煤氣的出路問題，變廢為寶，符合《河北省節約能源條例》的宗旨，為河北省建設資源節約型、環境友好型企業、實現“十二五”節能減排目標做出貢獻。SNG項目的實施有助于大力推進雙向減排，為改善用能結構、促進節能減排起到示范作用。

關鍵詞：焦爐煤氣；煤制天燃氣；清潔能源；節能減排；硫化物 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD94 文章編號：1009-2374（2016）02-0147-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.072

改革開放以來，我國經濟快速發展，能源的消費量也不斷增加，目前中國已成為僅次于美國的世界第二大能源生產與消費國、世界第一大煤炭生產與消費國、世界第三大石油消費國。在快速發展的過程中，在能源加工和利用過程中產生的環境污染問題困擾著我國的經濟發展，每年因環境污染造成的損失超過1100億元。

隨著我國汽車保有量的高速增長，汽車尾氣排放已成為我國城市大氣污染的主要污染源之一。非采暖期城區機動車輛排放的CO、HC和NOx已分別占單項總排污的60%、86.8%和54.7%。在目前使用的各種汽車代用燃料中，天燃氣作為最清潔的民用燃料及車用替代能源，由于其自身對大氣環境污染小等特點，成為最理想的清潔燃料。以“能源的可持續發展支持經濟社會的可持續發展”的戰略，在目前能源供應和節能減排環保要求的形勢下，發展清潔能源已勢在必行。

工藝介紹：煤制天燃氣（SNG）共分為五個主要工藝過程：預凈化工序、壓縮工序、脫苯工序、變換脫硫工序、變壓吸附工序。

1 煤氣預處理

焦爐煤氣凈化在國內是十分成熟的工藝技術，但由于焦爐煤氣來源不同，氣相組成及雜質含量不盡相同。對焦爐煤氣中雜質組分（除硫化物外）的凈化手段也多種多樣。焦爐煤氣的預凈化主要是脫除焦爐煤氣中的粉塵、焦油、萘。由于焦爐的粗煤氣出口壓力不高，需通過復式壓縮機組對焦爐煤氣進行加壓脫萘在采用較低溫度下油洗的辦法，油洗處理后的焦爐煤氣中因仍然含有萘、焦油及粉塵等。所以粗脫焦油脫萘需要采用兩臺吸附器切換使用。

2 焦爐煤氣壓縮

焦爐煤氣壓縮機是SNG項目中十分重要的動力設備，由于焦爐煤氣中含有焦油、塵埃等，對壓縮機的葉輪是致命的傷害，為保證壓縮機的連續正常運轉，最好選擇往復式壓縮機。盡管焦爐煤氣含有焦油及塵埃等雜質，經過粗脫萘和焦油，通過蒸汽的定期吹掃，能夠保證壓縮機在一定周期連續穩定運轉。主機冷卻形式采用噴軟化水或柴油，防止雜質對缸體產生影響，雜質則隨軟水一起排出。

3 脫苯工序

經過粗脫萘的焦爐煤氣，經過氣柜緩沖后壓力約4kPa，溫度40℃，其中12000Nm3/h焦爐煤氣進入焦爐煤氣鼓風機加壓至35kPa·G后進入TSA系統脫苯，脫苯后的10000Nm3/h焦爐煤氣送出界區去發電裝置，2000Nm3/h、15kPa的脫苯再生氣送界外焦化裝置洗苯系統。

變溫吸附裝置再生所需的熱介質通過電加熱器升溫、冷吹氣冷卻器冷卻，形成吸附（A）、降壓（D）、加熱（H）、冷吹（C）、升壓（R）的再生循環。再生氣來自脫苯氣，脫苯氣首先進入處于冷吹步序的凈化器，再通過換熱器升溫至160℃，進入處于加熱再生步序的凈化器，最終的再生廢氣經冷卻器、氣液分離器后去焦化裝置洗苯系統，約4小時再生一次。

4 變換脫硫工序

焦爐煤氣中CO含量約為8.4%（干基），H2含量約為56.18%，為獲得盡量多的氫氣，須對焦爐煤氣進行全氣量變換反應，增加H2含量。變換反應方程式如下：

CO+H2O→CO2+H2+Q

在催化劑作用下，原料氣中的CO與H2O反應生成相應量的CO2和H2，并放出大量反應熱。

因焦爐煤氣具有硫含量較高的特點，適合采用耐硫變換工藝。鈷鉬系催化劑具有有機硫加氫轉化功能，可以有效降低有機硫含量。鈷鉬系催化劑活性高，特別是低溫活性要比鐵鉻系高得多，使用鈷鉬系催化劑可以降低催化劑裝量，減小反應器體積。

耐硫變換工藝裝置主要有中變工藝、中串低工藝、全低變工藝和中低低工藝等。因全低變工藝具有溫度低、蒸汽消耗少、易于操作、操作成本低等優點，故變換采用全低變工藝。

在PSA提氫裝置中變換氣壓力具有較寬的活性溫區。其活性溫區一般在170℃～480℃之間，這是能夠應用于全低變工藝的基本保證，其具有良好的耐低硫、抗高硫及抗毒性能。原料氣體H2S濃度在50～500mg/Nm3均可長期穩定運轉。硫化后強度亦可提高30%～50%。采用全低變工藝，一段催化劑可使用3年或更長。

焦爐煤氣中的有機硫經過耐硫變換后大部分轉化為無機硫，PSA系統要求脫硫后氣體中總硫≤5mg/Nm3，由于變換氣中硫含量不高（<94mg/Nm3）、變換氣氣量不大（濕基：～31931Nm3/h），所以采用活性炭脫硫劑。

在凈化系統中包括吸附器、相應數量的閥門、加熱器、冷卻器等設備。吸附器均采用復合床，在一臺吸附器內分別裝填至少兩種不同的吸附劑，每臺吸附器分別經歷吸附、降壓、加熱（吹掃）、冷卻（吹掃）、升壓等過程，實現焦爐煤氣脫苯。吸附劑采用脫苯氣再生，再生廢氣送焦化系統洗苯裝置回收苯后，焦爐煤氣送本裝置循環利用，不產生再生廢液。

5 變壓吸附（PSA）工序

變壓吸附工藝過程的工作原理是：利用吸附劑對氣體混合物中各組分的吸附能力隨著壓力變化而呈現差異的特性，對混合氣中的不同氣體組分進行選擇性吸附，實現不同氣體的分離。變壓吸附過程在加壓下進行吸附，減壓下進行解吸。由于吸附循環周期短，吸附熱來不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，波動范圍僅為幾攝氏度，可近似看作等溫過程。變壓吸附工作狀態是在一條等溫吸附線上變化。為了有效而經濟地實現氣體吸附分離凈化，除了吸附劑要有良好的吸附性能外，吸附劑的再生方法也具有關鍵意義。因此，選擇合適的再生方法及吸附周期時間，對吸附分離法的工業化起著重要的作用。

常用的減壓解吸方法有下列三種，其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓，使吸附劑得到再生：（1）降壓：吸附床在一定壓力下吸附雜質組分，然后通過降壓方式（通常降至接近大氣壓），使被吸附組分解吸出來。采用降壓方式，被吸附組分解吸不太充分，吸附劑再生不太完全。（2）抽真空：吸附床降到大氣壓后，為了進一步減小被吸附組分的分壓，可用抽空的方法來進一步降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果。（3）沖洗：利用較純凈的產品氣或者其他適當的氣體通過進行再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣用量和沖洗氣純度。

通常在變壓吸附過程中根據被分離的氣體混合物各組分性質、產品要求、吸附劑的特性以及操作條件來選擇幾種上述的再生方法配合實施。

PSA工序由PSA-CO2/R、PSA-CH4、PSA-H2三套PSA系統組成：

5.1 PSA-CO2/R系統

脫硫后的變換氣與返回氣混合后在1.0MPa壓力下經氣液分離器后，進入PSA-CO2/R系統。PSA-CO2/R系統是由8臺吸附器和一系列程序控制閥門構成的變壓吸附系統。在PSA-CO2/R系統中，任一時刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，在出口端得到壓力0.95MPa的脫碳氣，每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附（A）、均壓降（EiD）、順向放壓（PP）、沖洗（P）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。順放氣與來自PSA-CH4系統置換廢氣混合后經加壓返回PSA-CO2/R前與脫硫后的變換氣混合作為PSA系統的原料氣；被吸附的CO2通過來自PSA-H2的沖洗氣的沖洗得到解吸，解吸氣經緩沖罐穩壓后輸出界區。

5.2 PSA-CH4系統

從PSA-CO2/R系統過來的脫碳氣作為PSA-CH4的原料氣由入口端通入，PSA-CH4是由8臺吸附器和一系列程序控制閥門構成的變壓吸附系統。在PSA-CH4系統中，任一時刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，出口端得到的吸附廢氣作為粗氫氣進入PSA-H2系統；每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附（A）、均壓降（EiD）、置換（RP）、逆向放壓（D）、抽真空（V）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。被吸附的CH4通過逆放、抽空得到解吸。逆放和抽空的氣體一部分經置換氣壓縮機加壓后返回做置換氣，大部分作為SNG產品經穩壓后輸出界區。置換廢氣與來自PSA-CO2系統的順放氣混合后經返回氣壓縮機加壓返回PSA工序入口與脫硫后的變換氣混合作為PSA工序的原料氣。

5.3 PSA-H2系統

從PSA-CH4過來的粗氫氣作為PSA-H2的原料氣由入口端通入，PSA-H2是由8臺吸附器和一系列程序控制閥門構成的變壓吸附系統。在PSA-H2系統中，任一時刻總是有吸附器處于吸附步驟的不同階段，由入口端通入原料，出口端得到的產品H2輸出界區；每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附（A）、均壓降（EiD）、逆向放壓（D）、抽真空（V）、均壓升（EiR）、最終升壓（FR）。被吸附的雜質通過逆放、抽空得到解吸，解吸氣返回PSA-CO2/R作為再生沖洗氣，最后經PSA-CO2/R解吸氣緩沖罐穩壓后輸出界區。

6 結語

該工藝技術成熟，先進可靠，產品質量好、消耗定額低，“三廢”排放量少，符合國家的產業政策、環保政策、能源政策和建設單位的發展規劃。煤制天燃氣（SNG）有效解決了焦爐煤氣的出路問題，變廢為寶，符合《河北省節約能源條例》的宗旨，為河北省建設資源節約型、環境友好型企業以及實現“十二五”節能減排目標做出貢獻。SNG項目的實施大力推進雙向減排，為改善用能結構、促進節能減排起到示范作用。

參考文獻

[1]天一科技股份有限公司工程設計技術要求[S].

作者簡介：馮振輝（1983-），男，河北中煤旭陽焦化有限公司助理工程師。

（責任編輯：蔣建華）