煤制天燃气(SNG)技术应用研究

摘要：煤制天燃气（SNG）有效解决了焦炉煤气的出路问题，变废为宝，符合《河北省节约能源条例》的宗旨，为河北省建设资源节约型、环境友好型企业、实现“十二五”节能减排目标做出贡献。SNG项目的实施有助于大力推进双向减排，为改善用能结构、促进节能减排起到示范作用。

关键词：焦炉煤气；煤制天燃气；清洁能源；节能减排；硫化物 文献标识码：A

中图分类号：TD94 文章编号：1009-2374（2016）02-0147-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.02.072

改革开放以来，我国经济快速发展，能源的消费量也不断增加，目前中国已成为仅次于美国的世界第二大能源生产与消费国、世界第一大煤炭生产与消费国、世界第三大石油消费国。在快速发展的过程中，在能源加工和利用过程中产生的环境污染问题困扰着我国的经济发展，每年因环境污染造成的损失超过1100亿元。

随着我国汽车保有量的高速增长，汽车尾气排放已成为我国城市大气污染的主要污染源之一。非采暖期城区机动车辆排放的CO、HC和NOx已分别占单项总排污的60%、86.8%和54.7%。在目前使用的各种汽车代用燃料中，天燃气作为最清洁的民用燃料及车用替代能源，由于其自身对大气环境污染小等特点，成为最理想的清洁燃料。以“能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展”的战略，在目前能源供应和节能减排环保要求的形势下，发展清洁能源已势在必行。

工艺介绍：煤制天燃气（SNG）共分为五个主要工艺过程：预净化工序、压缩工序、脱苯工序、变换脱硫工序、变压吸附工序。

1 煤气预处理

焦炉煤气净化在国内是十分成熟的工艺技术，但由于焦炉煤气来源不同，气相组成及杂质含量不尽相同。对焦炉煤气中杂质组分（除硫化物外）的净化手段也多种多样。焦炉煤气的预净化主要是脱除焦炉煤气中的粉尘、焦油、萘。由于焦炉的粗煤气出口压力不高，需通过复式压缩机组对焦炉煤气进行加压脱萘在采用较低温度下油洗的办法，油洗处理后的焦炉煤气中因仍然含有萘、焦油及粉尘等。所以粗脱焦油脱萘需要采用两台吸附器切换使用。

2 焦炉煤气压缩

焦炉煤气压缩机是SNG项目中十分重要的动力设备，由于焦炉煤气中含有焦油、尘埃等，对压缩机的叶轮是致命的伤害，为保证压缩机的连续正常运转，最好选择往复式压缩机。尽管焦炉煤气含有焦油及尘埃等杂质，经过粗脱萘和焦油，通过蒸汽的定期吹扫，能够保证压缩机在一定周期连续稳定运转。主机冷却形式采用喷软化水或柴油，防止杂质对缸体产生影响，杂质则随软水一起排出。

3 脱苯工序

经过粗脱萘的焦炉煤气，经过气柜缓冲后压力约4kPa，温度40℃，其中12000Nm3/h焦炉煤气进入焦炉煤气鼓风机加压至35kPa・G后进入TSA系统脱苯，脱苯后的10000Nm3/h焦炉煤气送出界区去发电装置，2000Nm3/h、15kPa的脱苯再生气送界外焦化装置洗苯系统。

变温吸附装置再生所需的热介质通过电加热器升温、冷吹气冷却器冷却，形成吸附（A）、降压（D）、加热（H）、冷吹（C）、升压（R）的再生循环。再生气来自脱苯气，脱苯气首先进入处于冷吹步序的净化器，再通过换热器升温至160℃，进入处于加热再生步序的净化器，最终的再生废气经冷却器、气液分离器后去焦化装置洗苯系统，约4小时再生一次。

4 变换脱硫工序

焦炉煤气中CO含量约为8.4%（干基），H2含量约为56.18%，为获得尽量多的氢气，须对焦炉煤气进行全气量变换反应，增加H2含量。变换反应方程式如下：

CO+H2OCO2+H2+Q

在催化剂作用下，原料气中的CO与H2O反应生成相应量的CO2和H2，并放出大量反应热。

因焦炉煤气具有硫含量较高的特点，适合采用耐硫变换工艺。钴钼系催化剂具有有机硫加氢转化功能，可以有效降低有机硫含量。钴钼系催化剂活性高，特别是低温活性要比铁铬系高得多，使用钴钼系催化剂可以降低催化剂装量，减小反应器体积。

耐硫变换工艺装置主要有中变工艺、中串低工艺、全低变工艺和中低低工艺等。因全低变工艺具有温度低、蒸汽消耗少、易于操作、操作成本低等优点，故变换采用全低变工艺。

在PSA提氢装置中变换气压力具有较宽的活性温区。其活性温区一般在170℃～480℃之间，这是能够应用于全低变工艺的基本保证，其具有良好的耐低硫、抗高硫及抗毒性能。原料气体H2S浓度在50～500mg/Nm3均可长期稳定运转。硫化后强度亦可提高30%～50%。采用全低变工艺，一段催化剂可使用3年或更长。

焦炉煤气中的有机硫经过耐硫变换后大部分转化为无机硫，PSA系统要求脱硫后气体中总硫≤5mg/Nm3，由于变换气中硫含量不高（

在净化系统中包括吸附器、相应数量的阀门、加热器、冷却器等设备。吸附器均采用复合床，在一台吸附器内分别装填至少两种不同的吸附剂，每台吸附器分别经历吸附、降压、加热（吹扫）、冷却（吹扫）、升压等过程，实现焦炉煤气脱苯。吸附剂采用脱苯气再生，再生废气送焦化系统洗苯装置回收苯后，焦炉煤气送本装置循环利用，不产生再生废液。

5 变压吸附（PSA）工序

变压吸附工艺过程的工作原理是：利用吸附剂对气体混合物中各组分的吸附能力随着压力变化而呈现差异的特性，对混合气中的不同气体组分进行选择性吸附，实现不同气体的分离。变压吸附过程在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于吸附循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅为几摄氏度，可近似看作等温过程。变压吸附工作状态是在一条等温吸附线上变化。为了有效而经济地实现气体吸附分离净化，除了吸附剂要有良好的吸附性能外，吸附剂的再生方法也具有关键意义。因此，选择合适的再生方法及吸附周期时间，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

常用的减压解吸方法有下列三种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生：（1）降压：吸附床在一定压力下吸附杂质组分，然后通过降压方式（通常降至接近大气压），使被吸附组分解吸出来。采用降压方式，被吸附组分解吸不太充分，吸附剂再生不太完全。（2）抽真空：吸附床降到大气压后，为了进一步减小被吸附组分的分压，可用抽空的方法来进一步降低吸附床压力，以得到更好的再生效果。（3）冲洗：利用较纯净的产品气或者其他适当的气体通过进行再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气用量和冲洗气纯度。

通常在变压吸附过程中根据被分离的气体混合物各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择几种上述的再生方法配合实施。

PSA工序由PSA-CO2/R、PSA-CH4、PSA-H2三套PSA系统组成：

5.1 PSA-CO2/R系统

脱硫后的变换气与返回气混合后在1.0MPa压力下经气液分离器后，进入PSA-CO2/R系统。PSA-CO2/R系统是由8台吸附器和一系列程序控制阀门构成的变压吸附系统。在PSA-CO2/R系统中，任一时刻总是有吸附器处于吸附步骤的不同阶段，由入口端通入原料，在出口端得到压力0.95MPa的脱碳气，每台吸附器在不同时间依次经历吸附（A）、均压降（EiD）、顺向放压（PP）、冲洗（P）、均压升（EiR）、最终升压（FR）。顺放气与来自PSA-CH4系统置换废气混合后经加压返回PSA-CO2/R前与脱硫后的变换气混合作为PSA系统的原料气；被吸附的CO2通过来自PSA-H2的冲洗气的冲洗得到解吸，解吸气经缓冲罐稳压后输出界区。

5.2 PSA-CH4系统

从PSA-CO2/R系统过来的脱碳气作为PSA-CH4的原料气由入口端通入，PSA-CH4是由8台吸附器和一系列程序控制阀门构成的变压吸附系统。在PSA-CH4系统中，任一时刻总是有吸附器处于吸附步骤的不同阶段，由入口端通入原料，出口端得到的吸附废气作为粗氢气进入PSA-H2系统；每台吸附器在不同时间依次经历吸附（A）、均压降（EiD）、置换（RP）、逆向放压（D）、抽真空（V）、均压升（EiR）、最终升压（FR）。被吸附的CH4通过逆放、抽空得到解吸。逆放和抽空的气体一部分经置换气压缩机加压后返回做置换气，大部分作为SNG产品经稳压后输出界区。置换废气与来自PSA-CO2系统的顺放气混合后经返回气压缩机加压返回PSA工序入口与脱硫后的变换气混合作为PSA工序的原料气。

5.3 PSA-H2系统

从PSA-CH4过来的粗氢气作为PSA-H2的原料气由入口端通入，PSA-H2是由8台吸附器和一系列程序控制阀门构成的变压吸附系统。在PSA-H2系统中，任一时刻总是有吸附器处于吸附步骤的不同阶段，由入口端通入原料，出口端得到的产品H2输出界区；每台吸附器在不同时间依次经历吸附（A）、均压降（EiD）、逆向放压（D）、抽真空（V）、均压升（EiR）、最终升压（FR）。被吸附的杂质通过逆放、抽空得到解吸，解吸气返回PSA-CO2/R作为再生冲洗气，最后经PSA-CO2/R解吸气缓冲罐稳压后输出界区。

6 结语

该工艺技术成熟，先进可靠，产品质量好、消耗定额低，“三废”排放量少，符合国家的产业政策、环保政策、能源政策和建设单位的发展规划。煤制天燃气（SNG）有效解决了焦炉煤气的出路问题，变废为宝，符合《河北省节约能源条例》的宗旨，为河北省建设资源节约型、环境友好型企业以及实现“十二五”节能减排目标做出贡献。SNG项目的实施大力推进双向减排，为改善用能结构、促进节能减排起到示范作用。

参考文献

[1] 天一科技股份有限公司工程设计技术要求[S].

作者简介：冯振辉（1983-），男，河北中煤旭阳焦化有限公司助理工程师。