焦爐煤氣生產濃縮甲烷用于城鎮燃氣的分析

摘 要

摘要：論述了應用變壓吸附技術以焦爐煤氣生產濃縮甲烷的工藝、濃縮甲烷性質參數、濃縮甲烷的應用范圍與優勢、工程的經濟性。濃縮甲烷用于城鎮燃氣具有可行性。關鍵詞：焦爐煤氣
摘要：論述了應用變壓吸附技術以焦爐煤氣生產濃縮甲烷的工藝、濃縮甲烷性質參數、濃縮甲烷的應用范圍與優勢、工程的經濟性。濃縮甲烷用于城鎮燃氣具有可行性。
關鍵詞：焦爐煤氣；變壓吸附；濃縮甲烷；城鎮燃氣
Analysis on Use of Concentrated Methane Produced from Coke 0ven Gas as City Gas
LIU Ning-hua
Abstract：The production process of concentrated methane from coke oven gas by pressure swing adsorption technology，the characteristic parameters of concentrated methane，the application range and advantages of concentrated methane and the engineering economy are expounded. The use of concentrated methane as city gas is feasible.
Key words：coke oven gas；pressure swing adsorption；concentrated methane；city gas
   在相當長一段時期，焦爐煤氣除了在鋼鐵聯合企業得到充分利用外，獨立的煉焦企業大多將其用作城鎮燃氣氣源。近年來，焦炭市場的需求導致了煉焦行業快速發展，但鑒于政策、投資、工藝技術等諸多方面的原因，焦爐煤氣未能很好利用，相當多的獨立焦化廠產生的焦爐煤氣點火炬燃燒后排入大氣，嚴重地污染了環境，浪費了資源。2004年12月，國家發展和改革委員會發布并于2005年1月1日實施的《焦化行業準入條件》中明確規定，“新建或改擴建焦爐，焦爐煤氣必須全部回收利用，不得直排或點火炬。”焦爐煤氣的利用才引起重視，用于生產甲醇或用于發電。本文就焦爐煤氣采用變壓吸附(PSA)工藝生產濃縮甲烷進行分析，探討其用于城鎮燃氣的可行性。
1 生產工藝
   ① 焦爐煤氣的預處理
   煉焦過程產生的荒煤氣經冷凝鼓風、脫硫、脫氨、粗苯回收工序后，得到凈化的焦爐煤氣。干煤氣體積分數見表1，焦爐煤氣雜質的質量濃度見表2。
表1 干煤氣體積分數    %
組分
體積分數
H2
54～59
CH4
24～28
CO
5.5～7.0
N2
3～5
CO2
l～3
CnHm
2～3
O2
0.3～0.7
表2 焦爐煤氣雜質的質量濃度    mg/m3
雜質
質量濃度
焦油及灰塵
≤10
硫化氫
≤50
氨
≤50
萘
～350
    為滿足變壓吸附工藝需要，需進一步脫除萘和其他雜質。首先采用低溫水冷卻煤氣，使其溫度低于15℃，大部分萘結晶而析出，此時煤氣萘質量濃度低于200mg/m3；然后在預處理器用過熱蒸汽(壓力為0.6MPa)進一步脫除萘、硫化氫，焦爐煤氣即達到變壓吸附工藝生產濃縮甲烷的原料氣要求。
    ② 變壓吸附生產濃縮甲烷
    變壓吸附原理是利用不同吸附劑對不同物質的吸附能力、吸附速度和吸附容量的不同，以及吸附劑對混合氣體中各種組分的吸附容量隨壓力而變化的物理特性，采用自動控制閥門開關，實現升壓吸附、降壓解析的氣體分離過程。濃縮甲烷的生產就是利用不同吸附劑對焦爐煤氣的不同組分吸附能力的差異，通過壓力變化，實現甲烷與其他氣體的分離。
濃縮甲烷工藝流程見圖1。經預處理的原料焦爐煤氣，經壓縮機加壓至0.8MPa，送至變壓吸附裝置。在PSA-1裝置中脫碳，利用所裝吸附劑對焦爐煤氣中不同組分的吸附能力不同、吸附容量隨壓力而變化的特性，在降壓的過程中，原料氣中H2和CH4因吸附能力小先釋放出來，作為凈化氣以約0.8MPa壓力送至PSA-2。焦爐煤氣中80%的CnHm、CO2則與之分離，達到除去CnHm、CO2的目的。提氫過程中，利用PSA-2裝置內所裝吸附劑對凈化氣中H2、N2、O2、CO2等氣體與CH4吸附能力不同、吸附容量隨壓力而變化的特性，在降壓的過程中，98%的H2(包括部分N2、O2、CO2)因吸附能力小先釋放出來，從而實現與CH4的分離。經PSA-2提氫而排出的氫氣既可作為其他工業的原料，也可與脫碳后的CnHm、CO2混合用于發電。最后以解析氣的形式分離出CH4，形成以CH4為主的可燃氣體(以下稱其為濃縮甲烷)。濃縮甲烷的組成見表3。濃縮甲烷的產量約為原料氣體積的18%。
 

表3 濃縮甲烷的組成
組分
體積分數/%
CH4
81～83
CO
7～9
H2
3～5
CnHm
1～2
CO2
1～2
O2+N2
～1
    焦爐煤氣生產濃縮甲烷工藝屬綜合技術創新，雖然目前并無已投產的應用項目，但是上述生產工藝及設備都是成熟的，基本不存在技術風險。
2 濃縮甲烷的應用分析
2.1 濃縮甲烷的參數
    根據濃縮甲烷的組成，經計算可得到該燃氣的低熱值為30.8～32.6MJ/m3，高熱值為32.0～34.3MJ/m3，華白數為41.48～44.47MJ/m3，燃燒勢為45.2。
2.2 應用分析
    焦爐煤氣經過回收焦油、粗苯和脫除硫化氫、氨等雜質后，凈化的焦爐煤氣即可作為城鎮燃氣氣源。但其應用和經營中存在著以下局限性：
    ① 由于煉焦行業的特殊性和環境保護的要求，近年來所建焦化廠相對靠近煤炭資源，遠離大中城市。所在區域的城市規模一般都較小，以常住人口為(8～10)×104人的縣級城市計算，發展2×104戶居民和相應的商業用戶，日供氣量不過3×104m3/d；而常住人口為20×104人左右的地級城市，日供氣量也不過(5～6)×104m3/d，發展前景不好。
    ② 該燃氣僅能作為民用、商業和工業的燃料，應用范圍較窄。
    ③ 按焦爐煤氣氣質和各地經濟發展情況，焦爐煤氣民用氣價格不會高于1.50元/m3。在規模和價格的影響下，燃氣企業經營將十分困難。
    利用變壓吸附工藝生產的濃縮甲烷用于城鎮燃氣，不僅可用于居民和商業用戶，還可作為燃料用于公共交通及專用車輛，擴大了應用范圍。采用CNG方式輸送，也使相臨近的城鎮實現燃氣化成為可能，經營規模成倍擴大[1]。與焦爐煤氣相比，濃縮甲烷還具有以下優勢：
    ① 更為潔凈且熱值高，符合城鎮燃氣向高熱值發展的趨勢。
② 由于熱值高，在滿足同等規模用戶需求的情況下，濃縮甲烷比焦爐煤氣輸送量小，可降低管道及輸送設備的造價。
③ 在石油產品價格不斷攀升的環境下，濃縮甲烷采用CNG方式用于公共交通及專用車輛，其售價受石油產品價格影響可隨之提高，企業經營效益將大幅提高。
    ④ 輸送方式多樣化，既可管道輸送，也可采用CNG方式輸送。
    ⑤ 變壓吸附裝置開停機方便，生產負荷可隨城鎮燃氣用量調整。
    上述分析表明，濃縮甲烷有著焦爐煤氣不具備的優勢，是中小城市發展城鎮燃氣的較佳氣源。焦化廠用于發電的焦爐煤氣，可以先提取甲烷再發電，從而實現資源的合理利用，并獲得良好的經濟效益。一座年產60×104t/a焦炭的焦化廠，可日產(6～7)×104m3/d濃縮甲烷。根據城鎮燃氣用氣量指標估算，考慮居民、商業及部分公共交通工具用氣，可滿足2～3個縣級城市或1個地級城市用氣需求。
2.3 經濟分析
    焦化廠濃縮甲烷的生產，主要需要增加煤氣脫萘裝置、溴化鋰制冷裝置、煤氣冷卻塔、預處理器、煤氣壓縮機、變壓吸附裝置。日產(6～7)×104m3/d濃縮甲烷規模的工程造價約(3500～4000)×104元。以1m3濃縮甲烷實現0.7元利潤計，2～3年即可收回投資。
    濃縮甲烷的成本主要由運行費用和原料成本構成。運行費用主要由壓縮機的電費、蒸汽費以及人員工資組成，運行費用估算不超過0.7元/m3。焦爐煤氣價格以0.3元/m3計，按熱量比例分攤，1m3濃縮甲烷的原料成本約0.6元?？紤]投資回收后，濃縮甲烷的總成本不會超過1.5元/m3。
3 結論
    利用遠離大中城市焦化廠的焦爐煤氣，經脫萘、預處理和變壓吸附得到濃縮甲烷作為城鎮燃氣氣源，技術經濟上可行，且能充分利用資源。以往在天然氣價格偏低的情況下，分離焦爐煤氣得到濃縮甲烷的價格優勢并不突出。在目前天然氣價格日益上漲的趨勢下，濃縮甲烷作為城鎮燃氣的經濟效益相當可觀。
參考文獻：
[1] 彭世尼，楊苑鶯.小城鎮生活能源與燃氣化建設[J]煤氣與熱力，2006，26(3)：36-38.
 
(本文作者：劉寧華 昆明煤氣(集團)控股有限公司 云南昆明 650216)