焦炉煤气生产浓缩甲烷用于城镇燃气的分析

摘 要

摘要：论述了应用变压吸附技术以焦炉煤气生产浓缩甲烷的工艺、浓缩甲烷性质参数、浓缩甲烷的应用范围与优势、工程的经济性。浓缩甲烷用于城镇燃气具有可行性。关键词：焦炉煤气
摘要：论述了应用变压吸附技术以焦炉煤气生产浓缩甲烷的工艺、浓缩甲烷性质参数、浓缩甲烷的应用范围与优势、工程的经济性。浓缩甲烷用于城镇燃气具有可行性。
关键词：焦炉煤气；变压吸附；浓缩甲烷；城镇燃气
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
   在相当长一段时期，焦炉煤气除了在钢铁联合企业得到充分利用外，独立的炼焦企业大多将其用作城镇燃气气源。近年来，焦炭市场的需求导致了炼焦行业快速发展，但鉴于政策、投资、工艺技术等诸多方面的原因，焦炉煤气未能很好利用，相当多的独立焦化厂产生的焦炉煤气点火炬燃烧后排入大气，严重地污染了环境，浪费了资源。2004年12月，国家发展和改革委员会发布并于2005年1月1日实施的《焦化行业准入条件》中明确规定，“新建或改扩建焦炉，焦炉煤气必须全部回收利用，不得直排或点火炬。”焦炉煤气的利用才引起重视，用于生产甲醇或用于发电。本文就焦炉煤气采用变压吸附(PSA)工艺生产浓缩甲烷进行分析，探讨其用于城镇燃气的可行性。
1 生产工艺
   ① 焦炉煤气的预处理
   炼焦过程产生的荒煤气经冷凝鼓风、脱硫、脱氨、粗苯回收工序后，得到净化的焦炉煤气。干煤气体积分数见表1，焦炉煤气杂质的质量浓度见表2。
表1 干煤气体积分数    %
组分
体积分数
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 焦炉煤气杂质的质量浓度    mg/m3
杂质
质量浓度
焦油及灰尘
≤10
硫化氢
≤50
氨
≤50
萘
～350
    为满足变压吸附工艺需要，需进一步脱除萘和其他杂质。首先采用低温水冷却煤气，使其温度低于15℃，大部分萘结晶而析出，此时煤气萘质量浓度低于200mg/m3；然后在预处理器用过热蒸汽(压力为0.6MPa)进一步脱除萘、硫化氢，焦炉煤气即达到变压吸附工艺生产浓缩甲烷的原料气要求。
    ② 变压吸附生产浓缩甲烷
    变压吸附原理是利用不同吸附剂对不同物质的吸附能力、吸附速度和吸附容量的不同，以及吸附剂对混合气体中各种组分的吸附容量随压力而变化的物理特性，采用自动控制阀门开关，实现升压吸附、降压解析的气体分离过程。浓缩甲烷的生产就是利用不同吸附剂对焦炉煤气的不同组分吸附能力的差异，通过压力变化，实现甲烷与其他气体的分离。
浓缩甲烷工艺流程见图1。经预处理的原料焦炉煤气，经压缩机加压至0.8MPa，送至变压吸附装置。在PSA-1装置中脱碳，利用所装吸附剂对焦炉煤气中不同组分的吸附能力不同、吸附容量随压力而变化的特性，在降压的过程中，原料气中H2和CH4因吸附能力小先释放出来，作为净化气以约0.8MPa压力送至PSA-2。焦炉煤气中80%的CnHm、CO2则与之分离，达到除去CnHm、CO2的目的。提氢过程中，利用PSA-2装置内所装吸附剂对净化气中H2、N2、O2、CO2等气体与CH4吸附能力不同、吸附容量随压力而变化的特性，在降压的过程中，98%的H2(包括部分N2、O2、CO2)因吸附能力小先释放出来，从而实现与CH4的分离。经PSA-2提氢而排出的氢气既可作为其他工业的原料，也可与脱碳后的CnHm、CO2混合用于发电。最后以解析气的形式分离出CH4，形成以CH4为主的可燃气体(以下称其为浓缩甲烷)。浓缩甲烷的组成见表3。浓缩甲烷的产量约为原料气体积的18%。
 

表3 浓缩甲烷的组成
组分
体积分数/%
CH4
81～83
CO
7～9
H2
3～5
CnHm
1～2
CO2
1～2
O2+N2
～1
    焦炉煤气生产浓缩甲烷工艺属综合技术创新，虽然目前并无已投产的应用项目，但是上述生产工艺及设备都是成熟的，基本不存在技术风险。
2 浓缩甲烷的应用分析
2.1 浓缩甲烷的参数
    根据浓缩甲烷的组成，经计算可得到该燃气的低热值为30.8～32.6MJ/m3，高热值为32.0～34.3MJ/m3，华白数为41.48～44.47MJ/m3，燃烧势为45.2。
2.2 应用分析
    焦炉煤气经过回收焦油、粗苯和脱除硫化氢、氨等杂质后，净化的焦炉煤气即可作为城镇燃气气源。但其应用和经营中存在着以下局限性：
    ① 由于炼焦行业的特殊性和环境保护的要求，近年来所建焦化厂相对靠近煤炭资源，远离大中城市。所在区域的城市规模一般都较小，以常住人口为(8～10)×104人的县级城市计算，发展2×104户居民和相应的商业用户，日供气量不过3×104m3/d；而常住人口为20×104人左右的地级城市，日供气量也不过(5～6)×104m3/d，发展前景不好。
    ② 该燃气仅能作为民用、商业和工业的燃料，应用范围较窄。
    ③ 按焦炉煤气气质和各地经济发展情况，焦炉煤气民用气价格不会高于1.50元/m3。在规模和价格的影响下，燃气企业经营将十分困难。
    利用变压吸附工艺生产的浓缩甲烷用于城镇燃气，不仅可用于居民和商业用户，还可作为燃料用于公共交通及专用车辆，扩大了应用范围。采用CNG方式输送，也使相临近的城镇实现燃气化成为可能，经营规模成倍扩大[1]。与焦炉煤气相比，浓缩甲烷还具有以下优势：
    ① 更为洁净且热值高，符合城镇燃气向高热值发展的趋势。
② 由于热值高，在满足同等规模用户需求的情况下，浓缩甲烷比焦炉煤气输送量小，可降低管道及输送设备的造价。
③ 在石油产品价格不断攀升的环境下，浓缩甲烷采用CNG方式用于公共交通及专用车辆，其售价受石油产品价格影响可随之提高，企业经营效益将大幅提高。
    ④ 输送方式多样化，既可管道输送，也可采用CNG方式输送。
    ⑤ 变压吸附装置开停机方便，生产负荷可随城镇燃气用量调整。
    上述分析表明，浓缩甲烷有着焦炉煤气不具备的优势，是中小城市发展城镇燃气的较佳气源。焦化厂用于发电的焦炉煤气，可以先提取甲烷再发电，从而实现资源的合理利用，并获得良好的经济效益。一座年产60×104t/a焦炭的焦化厂，可日产(6～7)×104m3/d浓缩甲烷。根据城镇燃气用气量指标估算，考虑居民、商业及部分公共交通工具用气，可满足2～3个县级城市或1个地级城市用气需求。
2.3 经济分析
    焦化厂浓缩甲烷的生产，主要需要增加煤气脱萘装置、溴化锂制冷装置、煤气冷却塔、预处理器、煤气压缩机、变压吸附装置。日产(6～7)×104m3/d浓缩甲烷规模的工程造价约(3500～4000)×104元。以1m3浓缩甲烷实现0.7元利润计，2～3年即可收回投资。
    浓缩甲烷的成本主要由运行费用和原料成本构成。运行费用主要由压缩机的电费、蒸汽费以及人员工资组成，运行费用估算不超过0.7元/m3。焦炉煤气价格以0.3元/m3计，按热量比例分摊，1m3浓缩甲烷的原料成本约0.6元。考虑投资回收后，浓缩甲烷的总成本不会超过1.5元/m3。
3 结论
    利用远离大中城市焦化厂的焦炉煤气，经脱萘、预处理和变压吸附得到浓缩甲烷作为城镇燃气气源，技术经济上可行，且能充分利用资源。以往在天然气价格偏低的情况下，分离焦炉煤气得到浓缩甲烷的价格优势并不突出。在目前天然气价格日益上涨的趋势下，浓缩甲烷作为城镇燃气的经济效益相当可观。
参考文献：
[1] 彭世尼，杨苑莺.小城镇生活能源与燃气化建设[J]煤气与热力，2006，26(3)：36-38.
 
(本文作者：刘宁华 昆明煤气(集团)控股有限公司 云南昆明 650216)