焦炉煤气生产液化天然气的工艺研究

一、前言

我国是世界焦炭主要生产地, 仅2011年, 副产的焦炉煤气即达1900亿立方米, 除回炉加热自用、民用及发电、化工利用外, 每年直接排空或白白烧掉的焦炉煤气相当于西气东输工程每年输送的天然气量。大量富余的焦炉煤气放散到空气中, 不仅对环境造成污染, 而且也严重的浪费了资源。

二、焦炉煤气的传统利用途径, 经济性较差

由于焦化工艺的不同, 焦炉煤气的组成略有变化, 其一般组成见表1。将焦炉气回收利用, 变废为宝, 实现其内在价值的最大提升, 是一个历久弥新的话题。

目前, 焦炉煤气已广泛应用在以下传统产业:生产化肥、甲醇、氢气及发电等。

化肥行业:合成氨产业中, 尿素已经严重供过于求, 尿素价格下行明显, 同时, 受此影响, 主要用于化肥生产的硝酸和硝铵等, 价格将逐步走低, 产业发展趋势与氮肥趋同:投资前景暗淡。甲醇行业:如果国家推广甲醇汽油、甲醇制烯烃等项目, 甲醇行业还有投资机会, 否则即使有成本优势, 投资风险仍然较大;并且, 国家对甲醇的投资规模又有新的限制 (120万吨/年) , 焦炉煤气生产甲醇前景不容乐观。氢气行业:焦炉煤气本身含氢55-60%, 采用变压吸附或膜分离技术可从焦炉煤气中提取氢气, 但气态氢贮存容积大、不利于远距离运输;如果将气态氢液化, 1Nm3氢气要消耗0.5-1k Wh电;因此氢气贮存和运输的安全性、经济性严重制约着焦炉煤气生产氢气行业的发展。发电行业:1m3的煤气可发电1.1-1.3k Wh, 但随着焦炉煤气开发利用的深入, 焦炉煤气价格也在不断增长, 相比之下, 焦炉煤气发电利润较低。

三、焦炉煤气制天然气, 符合低碳、洁净、循环利用的能源应用趋势

近年来, 我国对焦化行业实施“准入”制度, 焦炉煤气的综合利用成为炼焦企业生存与发展的关键。2012年6月公布的《国家鼓励的循环经济技术、工艺和设备名录 (第一批) 》, 其中“焦炉煤气制天然气技术”入选, 针对焦炉煤气中H2、CO和CO2含量高, CH4含量低, 热值小的特点, 对焦炉煤气进行净化预处理, 在高效催化剂作用下进行甲烷化合成甲烷, 分离出H2, 得到合成天然气。

21世纪, 作为清洁、低碳的天然气将成为世界能源结构中的第一大能源, 我国天然气需求量也以年均7%速度增长, 焦炉煤气生产天然气前景广阔、是国家鼓励项目。焦炉煤气生产LNG不仅可以弥补能源供应缺口, 而且可以改善能源质量、减少温室气体的排放, 使资源最大限度得到利用, 符合国家的能源政策, 具有良好的经济效益和深远的社会意义。

四、焦炉煤气生产天然气的工艺研究

1. 工艺路线多样, 可满足不同的需求

(1) 非甲烷化 (直接提取甲烷) , 适用于中小型焦化企业

焦炉煤气含有25%左右的甲烷, 氢含量在55-60%之间, 如直接经深冷液化和低温精馏工艺, 则可实现甲烷与其他气体的分离。分离后的富氢尾气可以通过提氢装置制纯氢, 也可以用来生产合成氨。

此工艺流程相对简单, 但甲烷产量低。尾气中产生的氢气可用于生产液氢、或提供锅炉为全厂提供动力和热力;还可以配套合成氨等装置。具有相对投资少、效益更高、工艺流程短、操作简单的特点。适用于中小型焦化企业对焦炉煤气的综合利用。

(2) 甲烷化工艺, 资源利用更加充分

甲烷化工艺是利用焦炉气中的含碳化合物与氢气反应生产甲烷, 再提取天然气。较非甲烷化工艺, 可增产天然气30%, 并省略了含碳化合物的脱除。

焦炉煤气含有的少量杂质:焦油、苯、萘、氨以及无机硫、有机硫, 可能会引起甲烷合成催化剂的中毒, 故甲烷化前, 必须对其进行深度净化。

由于焦炉煤气中H2含量在55-60%之间, 而CO和CO2总含量约10%, 故甲烷化后, 还会有一定的富余H2, 为了使焦炉煤气得到最大化利用, 根据焦化厂的实际情况, 甲烷化工艺可衍生出补碳或提氢工段。补碳一般指向焦炉煤气中补入CO或CO2, 这样可以得到更多的CH4。

甲烷化工艺的提氢一般指提取尾气中富余的H2, H2作为副产品出售, 与富氢尾气作燃料相比, 有更高的附加值, 受H2储存、运输条件的限制, 只有合适的氢气用户, 才考虑建设提氢装置。

如果甲烷化工艺不上补碳或提氢装置, 那么富氢尾气可用作燃料。

因此甲烷化工艺的工艺装置一般包括:压缩、脱硫及合成单元。

(3) 天然气液化, 工艺比较成熟

天然气的液化流程一般有三种:阶式制冷工艺、膨胀制冷工艺、混合冷剂制冷工艺。其能耗比为1:1.7:1.25。混合冷剂制冷循环克服了阶式制冷循环的某些缺点。具有:机组少、流程简单、投资省, 投资比阶式制冷循环少15~20%、管理方便等优点, 因而, 受到越来越多的应用。

同时, 天然气经液化后, 其经济半径可扩展到2000公里的范围, 使用气量相对较小且不在管道辐射区内的城镇都具备了用气可能, 从而使本项目产品的利用率大为提升。

2. 焦炉煤气制液化天然气, 产品多样化, 可满足不同用户的需求

焦炉煤气制取LNG, 除可提供LNG产品外, 还可以提供代用天然气 (SNG) 和CNG

焦炉煤气经甲烷化后, 甲烷含量56~60%, 氢气含量33~37%, 其热值大于24MJ/Nm, 满足《人工煤气》GB/T13612-2006的要求。可作为SNG使用。

如果增加补碳工段, 其中甲烷含量达85%以上, 其热值大于31.4MJ/Nm, 满足《天然气》GB17820-1999要求;气体可直接压缩成CNG。

此外, 流程中的催化剂、核心设备、塔器等, 均可实现国产化。

结论

焦炉气制LNG项目与传统的利用途径相比:能量利用率高, 市场前景广阔, 符合国家减排节能、产业结构调整政策的要求。根据不同的客户需求, 可提供H2、SNG、CNG、LNG等不同产品。同时, 项目的核心技术和主要设备可国产化。

摘要：虽然焦炉煤气可用于生产化肥、甲醇、氢气及发电等, 但是, 存在资源利用率不高, 浪费严重的现象。随着人们对低碳、环保的要求, 利用焦炉煤气生产天然气成为必然的选择:在生产清洁能源的同时, 提高了焦炉煤气的利用率;如再将天然气液化, 则产品的经济半径扩展到2000公里的范围, 极大的提高了产品的利用率。

关键词：焦炉煤气,天然气,液化,工艺研究