浅谈焦炉煤气制氢工艺

   日期:2020-09-16     浏览:0    评论:0    
核心提示:焦炉煤气是焦炭生产过程中煤炭在高温、缓慢干馏过程中产生的一种可燃性气体。我国是焦炭产量最大的国家,2017年我国焦炭产量4314
 焦炉煤气是焦炭生产过程中煤炭在高温、缓慢干馏过程中产生的一种可燃性气体。我国是焦炭产量最大的国家,2017年我国焦炭产量43142.6t依此计算,我国焦炉煤气产量是非常高的。全国焦炭产能约有1/3在钢铁联合企业,2/3在独立焦化企业。独立焦化企业富余的焦炉气曾因无法直接用于生产而被大量放散,放散量最高峰时曾达30km³/a

 

200911日起实施的《焦化行业准入条件》修订版规定,焦化生产企业生产的焦炉煤气应全部回收利用,不得放散。这给焦炉煤气的综合利用提供了有利的政策支持,也进一步推动了焦炉煤气制氢、甲醇等工业技术的发展。

炼焦过程中释放的焦炉煤气中富含氢气(55%左右),焦炉煤气制氢是目前可实现的大规模低成本高效率获得工业氢气的重要途径。而我国晋、冀、豫几省是资源大省和焦化大省,氢源非常丰富,如何高效、合理地利用是关系环保、资源综合利用和节能减排的重大课题。

 

1、焦炉煤气制氢原理

焦炉煤气制氢工序主要有:脱硫脱萘、压缩预处理、变压吸附制氢、脱氧干燥等。其中焦炉煤气预处理系统为变温吸附(TSA),制氢系统为变压吸附(PSA),而氢气精制系统也为变温吸附(TSA),可用焦炉煤气制取99.999%的氢气。

吸附剂在常温高压下大量吸附原料气中除氢以外的杂质组分,然后降解杂质的分压使各种杂质得以解吸。在实际应用中一般依据气源的组成、压力及产品要求的不同来选择组合工艺。变温吸附的循环周期长、投资较大,但再生彻底,通常用于微量杂质或难解吸杂质的净化;变压吸附的循环周期短,吸附剂利用率高,用量相对较少,不需要外加换热设备,广泛用于大气量、多组分气体的分离和提纯。

由于焦炉煤气提纯氢气的特点是:原料压力低,原料组分复杂并含有焦油、萘、硫、重烃等难以解吸的重组分,产品纯度要求高。因而装置需采用“加压+TSA预处理+PSA氢提纯+脱氧+TSA干燥”流程。

2、主要生产过程

焦炉煤气是炼焦的副产品,产率和组成因炼焦煤质量和焦化过程不同而有所差别,一般每吨干煤可生产焦炉煤气300~350m³(标准状态)。焦炉煤气为有毒和易燃易爆气体,在空气中的爆炸极限为6%~30%

焦炉煤气由于含有多种杂质组分,除了有大量的CH4和一定量的N2O2COCO2、饱和烃和不饱和烃外,还有少量的C5以上饱和烃、焦油、苯等

经过压缩的焦炉煤气首先通过变温吸附工艺除去C5以上烃类及萘和微量高沸点杂质,达到净化焦炉煤气的目的,然后再经过变压吸附工艺除去氧以外的所有杂质,得到99.9%以上纯度的氢气,再通过催化反应除去氧,使氧含量≤2ppm,并经干燥制得纯度为99.999%以上,露点≤-60℃的产品氢气。整个工艺过程分为4个工序,如下图。

焦炉煤气制氢工艺简图

1)压缩和预净化工序:将处于常压的焦炉煤气脱去萘、苯、焦油和部分H2SNH3等,然后送入变温吸附工序。

2)预处理工序:进一步除去焦炉煤气中有害组分,如焦油、苯、萘、硫化物、高级烃类及压缩后气体中携带的机油。

3)变温吸附工序:除去焦炉煤气中绝大部分杂质组分,氢气得到浓缩和提纯。

4)氢气精制工序:除去提纯氢气中少量的氧气和水分,保证产品氢纯度达到99.999%

 

3焦炉煤气主要制氢方式

焦炉煤气常用的提氢的手段有膜分离提氢技术、深冷分离提氢技术与变压吸附(PSA)提氢技术三大类。

3.1  膜分离提氢技术

膜分离技术的原理是膜的选择透过性,即在分子水平上,不同粒径的分子混合物在通过半透膜时,大于膜截留分子量的物质分子无法穿过膜而流回料罐,小于膜截留分子量的物质或分子则通过膜形成透析液。但在工程操作中,由于泵加压后液流截面的不均匀性,一些透过膜速度慢的物质也会少量渗透到膜的富氢侧。膜分离提氢技术产品纯度一般在85%~99% 之间,氢气回收率为65%~80%

3.2  深冷分离提氢技术

深冷分离技术是利用不同气体冷凝点的不同,从而逐级液化混合气体以达到气体分离效果的工艺技术。在焦炉煤气的深加工中,深冷分离很少单独应用于氢气的分离提纯,多是用于与甲烷气体同时分离提纯的场景,其氢气产品纯度可达85% 以上,回收率可达95% 左右。但由于诸如氮气、甲烷等气体的液化温度均很低,因此在气量大时,深冷分离装置需要提供大量的冷能,以完成目标气体的液化工作,耗能非常高,除此之外由于液化气体温度极低,因此在管道材质及保温材料上的投资也很高。

3.3  变压吸附提氢技术

变压吸附提氢技术是近年来逐步发展起来的一种气体分离工艺技术,利用吸附剂在不同压力下对不同物质的吸附能力的不同而达到气体分离净化目的的技术,以其自动化程度高,能耗低等优点逐步增加自身市场份额,并且在提氢、脱碳等气体分离领域均有着广泛的使用。

变压吸附技术由于能耗低、自动化程度高、产气速度快,对原料气净化程度要求低等优势,在焦化厂中得到了广泛应用,其产品气纯度最高可达99.9%,但回收率在60%~90%。在部分生产线中,为了稳定产品氢纯度,也有在变压吸附工序后串接膜分离工艺的生产线。

此外,甲烷、甲醇转化制氢以及天然气制氢在工业中也已广泛应用,不再一一说明。

4、焦炉煤气制氢工艺中过程气体分析成套系统的应用

采用TY-8330EX过程气体分析成套系统能在线实时自动、连续、准确、可靠地分析监测H2O2COCO2CH4等气体的体积分数,采用自动控制系统的采样、排水、探头吹扫、故障监测并处理等操作。系统正常运行期间能连续提供被测组分的4~20mA标准输出信号,可同时监测反吹压力、样气湿度、样气流量等报警信号并根据状态信号控制系统的运行状态,还能根据需要输出测量组分含量上限报警信号。该系统技术方案先进、结构简明、部件性能可靠、自动化程度高、操作简便、维护量小,是工业工艺中气体含量分析的理想设备。

  TY-8330EX在线防爆分析系统

 

在煤气化装置中,H2O2COCO2CH4等气体的体积分数是工艺控制的重要参数,能否准确测量其体积分数成为考核整套装置节能效率的重要指标之一。在工业生产中,要求对被测气体进行不间断的测量,采用各种办法有效控制气体中各气体的成分,使得易燃易爆气体H2CO浓度在可控范围之内,也有利于安全生产,产生良好的经济效益,对提高产品质量、产量、保障安全生产及节能降耗具有十分重要的现实意义。

 

天禹智控气体分析系统现场案例

 

5总结

利用焦炉煤气制氢有效的解决焦炉煤气去向问题,得到清洁能源,变废为宝,为企业带来经济效益,减少温室气体的排放,利于可持续发展。据预测,到2050年,氢能约占全球能源消耗总量的20%,氢产业链年产值将达2.5万亿美元。巨大的市场潜力和发展前景将吸引更多企业加大对氢能的投入。目前国内氢能的商业化应用才刚刚起步,焦炉煤气制氢主要工艺并不成熟,尚未形成完整的产业链与行业分工,在氢气制取、运输、存储、利用等各个环节都存在市场空间,为焦化企业介入氢燃料产业链提供了良好的发展机会!

 
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