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任公司 新疆 838000

前言

荒煤氣制氫是一種新型的制氫技術，該項技術的應用近年來被廣泛應用到我國社會生產生活的各個領域。但是，由于荒煤氣本身是焦炭生產的一種副產品，其中含有焦油和萘等多種雜質，因此，有必要對其所制得的氫氣進行加工處理，從而提高氫氣純度。本文通過對荒煤氣的概念和特點進行闡述，并對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行了深入探討。

一、荒煤氣簡述

荒煤氣又稱為粗煤氣或焦爐煤氣，是由焦炭生產得到的一種副產品，因其組成成分較為復雜（H2、O2、N2、CH4、CO和CO2等），所以荒煤氣具有多個理化性質，具體如下：（1）外觀與形狀：黃褐色氣體混合物；（2）相對水密度：760g/m3；（3）其內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行生產的焦炭所得到的荒煤氣中，其各個組成成分的含量是不同的，但其所呈現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[2]。如何將荒煤氣中的上述雜質去除，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，并對應用此工藝進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，借助常溫吸附或高溫吸附的手段，對吸附對象中的雜質進行吸附的操作方法。

2.變溫吸附工藝的原理與設備

以雜質脫除和雜質回收作為原料荒煤氣的主要處理方法對焦炭生產得到的荒煤氣進行處理后，利用TSA變溫生產工藝對內部具有較高含量焦油和萘的荒煤氣進行進一步處理，并將選取的吸附劑的更新時間設置為1年[3]。利用變溫吸附工藝進行荒煤氣脫焦油、脫萘制氫所涉及到的設備包括了吸附床（2臺及以上的復合床），加熱器、冷卻器、吸附劑與相應數量的閥門。

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，將吸附床依次進行吸附、降壓、加熱、、冷吹和升壓，使兩臺吸附床組成一個完整的吸附系統。利用吸附床進行荒煤氣處理的具體工藝流程為：（1）吸附。將吸附時吸附床的工作壓力設定為0.004-0.5MPa，經2.2中以雜質回收和雜質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入復合型吸附床，進入吸附床后，荒煤氣中具有較強吸附性的雜質被吸附床中內置的吸附劑所吸附，而具有較弱吸附性的雜質經過吸附床上端閥門流出，持續進行這一操作，直到荒煤氣中的雜質達到規定濃度[3]。此時，將吸附床上下兩端的閥門同時關閉，進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，將內部氣體經由吸附床底端排出，一直到吸附床內部達到規定壓力位置（0.005MPa）；（3）加熱。打開吸附床的加熱閥門，將溫度在150-300。C之間的解吸器經由吸附床頂部進入其內，持續升高吸附床的溫度，進而吸附床內的雜質全部氣化，使氣化后的焦油霧和萘氣同荒煤氣中的雜質從吸附底端排出，促進吸附床內吸附劑的再生；（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入、底端排出，反復進行此操作，直到吸附劑床內的荒煤氣與原料焦炭煤氣的溫度相一致。當溫度將至相關標準后，開啟吸附床的升壓閥門，將經上述凈化處理而得到的荒煤氣緩慢注入吸附床中，進行吸附床的升壓工作，一直到達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

經焦炭生產得到的荒煤氣內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的沸點較高，因此，其難以在常溫下脫附。此外，由于此類物質對于吸附工藝在變換過程中所用到的吸附劑具有較強的吸附性，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處理技術便是為了去除荒煤氣中萘和焦油等沸點較高的雜質，以達到凈化荒煤氣的目的。

2.處理方案

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

利用變溫吸附再生工藝對進行脫焦油、脫萘的處理方案主要分為如下4個步驟：（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）系統預處理器再生。系統預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荒煤氣進行處理后，再對機床進行充壓。將再生氣體加熱到170。C，并將其送入預處理器并對再生氣體進行冷卻；再生荒煤氣中需要保證其內各部分雜質的含量符合如下標準：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，仍要對預處理器進行降壓、降溫、冷卻和升壓等操作，使荒煤氣經由原料管道自上而下地進入預處理器（預處理器的數量為4臺），根據其內部的吸附劑（焦炭）對不同雜質含量荒煤氣有選擇地進行吸附。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（相對于荒煤氣），進而將其從預處理器的頂端排出。最后，將由預處理器頂端得到的預凈化荒煤氣返回，進行壓縮加工。經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的先進程度而言，變溫吸附再生工藝要比非再生吸附工藝更為先進和科學，其對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，從設備和技術的投資方面看，非再生工藝對脫萘和脫焦油的處理需要具備較大體積的設備，除此之外，還需增設相關的精確脫除設備，大幅增加了設備和技術的投入資金，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，在設備和技術的投資方面，非再生工藝投入的資金量較大大。

最后，從年運行費用的角度出發對二者進行分析可知，非再生工藝雖然在單次的吸附處理中，購進材料和設備運行的費用較少，但由以焦炭為主的吸附劑需要進行頻繁更換，這就大幅增加了其設備的運行和投入費用。綜上所述，無論是在工藝的先進性還是設備的投入、運行費用方面，變溫吸附再生工藝均要強于變溫吸附的非再生工藝。

結論

本文通過對荒煤氣的特點和概念進行分析，從變溫吸附再生工藝與變溫吸附非再生工藝兩方面出發，對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研究，并從工藝的先進性、設備投資與運行費用等方面對兩種處理方法進行了綜合比較。可見，未來加強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用力度，對于促進荒煤氣制氫行業以及工業產業的整體發展具有重要的歷史作用和現實意義。

[1]孫朝慶，孟進.焦爐煤氣精制及變壓吸附制氫在梅鋼的應用[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備的設計[J].燃料與化工，2010，02:50-52.

[3]沈立嵩，畢振清.馬鋼焦爐煤氣脫萘工藝與國內其他工藝的比較[J].安徽冶金，2010，02:27-32.

[4]呂勇.焦爐煤氣凈化系統工藝優化及填料無污染再生技術研究[J].冶金動力，2010，03:16-18.

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