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蘭炭焦爐煤氣綜合利用探討
點擊次數：49 發布時間：2023/1/31 10:04:45
蘭炭又稱半焦，是利用神府煤田盛產的優質煤塊燒制而成的一種炭素材料，因其固定炭高、比電阻高、化學活性高、含灰份低、低硫、低磷的特性，逐步取代冶金焦而廣泛運用于電石、鐵合金、硅鐵以及碳化硅等產品的生產，成為一種重要的炭素材料。
蘭炭生產多以低溫干餾技術為主，干餾溫度一般在600℃左右，產物按照形態可分為固體產物、液態產物和氣態產物。其中，固態產物主要是蘭炭；液體產物主要是低溫煤焦油，其中的中酚（主要是低酚），占1%左右，是高附加值的精細化工產品的重要原料，并且低溫煤焦油加氫后可以得到多種油品，可以作為石油的替代品；氣態產物主要是蘭炭焦爐煤氣，目多放空，或直接燃燒利用，造成了較嚴重的環境污染，也加大了當地節能減排的壓力。2010年我國蘭炭產能超過4500萬噸，產生炭焦爐煤氣超過450億m³/a，由此可見其對環境造成的污染是相當嚴重的。過去，由于蘭炭爐建設分散，煤氣很難集中利用，因此多數廠直接放空，污染嚴重。近幾年，經過“關小上大”產業調整，集中建設60萬t/a以上蘭炭廠，這為蘭炭焦爐氣綜合利用提供了基礎，因此探索蘭炭焦爐煤氣的綜合利用技術具有很強的現實意義和巨大的潛在應用市場。
1 蘭炭焦爐煤氣利用現狀
榆林地區廣泛使用的方型蘭炭爐屬于內熱式低溫干餾爐。借助熱載體把熱量傳給煤料，氣體熱載體直接進入干餾室，穿過塊粒狀干餾料層，把熱量傳給料層，氣體熱載體一般是燃料煤氣燃燒的煙氣，熱載體也可以是固體的，例如用熱半焦|蘭炭|或其他物料，與煤料在干餾系統相混合，熱載體把煤料加熱，進行干餾。
這種低溫干餾爐是目蘭炭生產的優良爐型，不但投資少、產量大而且操作簡單，其初設計的目標產品是蘭炭和焦油，由于內熱式低溫干餾爐降低生產成本的要求，生產過程中爐中煤炭是與空氣接觸，所以其氣態產品煤氣中氮氣含量較高，屬低熱值煤氣。
由表1可以看出 典型的蘭炭焦爐煤氣中N2含量占了總量的48%，H2和CH4組分只占到28%和8.8%，熱值約7113～8368 kJ/Nm3，C0大于10% 即氮含量高、氫含量低、熱值低、CO含量大于10%，因此，不宜直接作為民用燃氣，因此好作為工業燃氣使用。
發電以及供金屬鎂廠、鐵合金廠作為燃料，少數提取H2供煤焦油加氫，部分解決了煤氣放空污染問題。
2 綜合利用方案探討
2.1 常規利用方案分析
蘭炭焦爐煤氣脫硫后用于發電，以及作為生石灰、金屬鎂、水泥等工業窯爐的燃料。以60萬t/a蘭炭廠蘭炭焦爐煤氣為例，60萬t蘭炭廠每年生產蘭炭焦爐煤氣約6億m³。這些蘭炭焦爐煤氣可提供4套6MW發電機組的燃料需求，或100萬t/a生石灰生產燃料需要。具體經濟技術比較見表2。
從表2中對比可以看出雖然成熟相對技術，但熱能利用效率低，煤氣消耗大，煙氣污染也很嚴重。因此，如要使用以上技術進行利用，還需要完善煤氣脫硫、脫氨等凈化系統，同時對煤氣中所含有的擁有高附加值的“三苯”和酚類等化工產品，應提出后再作為燃料燃燒，這樣既不浪費資源，也可提高經濟效益。
2.2 蘭炭焦爐煤氣綜合利用方案
根據研究，提出的蘭炭焦爐煤氣利用方案如圖1所示。其基本思路是：先對蘭炭焦爐煤氣進行凈化，凈化后回收高附加值化工產品，然后CO變換，再經過不同工藝生產包括合成氨、城市燃氣以及焦油加氫生產石腦油、燃料油等產品。
2.2.1 作為合成氨生產原料的關鍵技術途徑
合成氨的生產技術是建立在公式
N2+3H2→2NH3-92.4 kJ/mol
可知 合成氨生產需要將合成氣中的氮氫比調整至N2∶H2=1:3。
從上式可知道，H2是氨合成的主要成分，而焦爐煤氣的成分中，本身就含有合成氨所需要的基本原料，因此可以考慮提取焦爐煤氣中的H2使用其進行氨的合成生產原料。提取焦爐煤氣中的H2可采用的關鍵技術主要有
1 無甲烷制氫技術
6億m³/a蘭炭焦爐煤氣中本身就含有28%即1.68億m³/a 的H2。如設置變換工序
CO + H2O → CO2+ H2
CO經過變換轉換成為CO2，經計算可生產H27200萬m³/a，由此可得H2共2.4億m³/a。再經過脫出酸性氣體、變壓吸附脫碳、氮氣和甲烷等工序。
由于蘭炭焦爐煤氣組分中N2占到48％。即2.88億m³/a。由此氣體組分生產合成氨，H2量決定了合成氨的產量，即2.4億m³H2與8000萬m³N2反應，可生產合成氨10萬t/a。
2 有甲烷制氫工序
由于蘭炭焦爐煤氣中甲烷含量較高，達到總體積的8.8%，可以通過甲烷水蒸氣重整制氫工藝SRM制取H2。
由于制氫工藝是一個強吸熱反應，所以需要燃燒一部分甲烷提供熱量。6億m³/a蘭炭焦爐煤氣可制取約1.5億m³/aH2，加上原有以及經過CO變換后的H2，其總量達到3.9億m³/a，與1.3億m³/aN2可生產合成氨總量達到20萬t/a。
2.2.2 作為生產油品原料
石油是工業的血液，也是一種戰略物資，事關國家能源安全，我國是一個多煤少油貧氣的國家，所以生產石油替代產品有著廣闊的市場景。
2.2.3 作為城市燃氣原料
凈化后的煤氣經壓縮變換、活性炭脫碳后，60萬t/a蘭炭廠蘭炭素爐煤氣量可達5.1億m³/a。其主要組分為N2、H2和ＣH4，其熱值＞14.7MJ，可直接作城市燃氣，通過管道輸送供給周圍城市使用。
3 焦爐煤氣制氫工藝中過程氣體分析成套系統的應用
采用天禹智控的過程氣體分析成套系統能在線實時自動、連續、準確、可靠地分析監測H2、O2、CO、CO2、CH4等氣體的體積分數，采用自動控制系統的采樣、排水、探頭吹掃、故障監測并處理等操作。系統正常運行期間能連續提供被測組分的4~20mA標準輸出信號,可同時監測反吹壓力、樣氣濕度、樣氣流量等報警信號并根據狀態信號控制系統的運行狀態，還能根據需要輸出測量組分含量上限報警信號。該系統技術方案、結構簡明、部件性能可靠、自動化程度高、操作簡便、維護量小,是工業工藝中氣體含量分析的理想設備。
在煤氣化裝置中，H2、O2、CO、CO2、CH4等氣體的體積分數是工藝控制的重要參數，能否準確測量其體積分數成為考核整套裝置節能效率的重要指標。在工業生產中,要求對被測氣體進行不間斷的測量，采用各種辦法有效控制氣體中各氣體的成分，使得易燃易爆氣體H2和CO濃度在可控范圍之內，也有利于安全生產，產生良好的經濟效益，對提高產品質量、產量、保障安全生產及節能降耗具有十分重要的現實意義。
4 結語
{1}根據蘭炭焦爐煤氣成分及生產和利用現狀，本文提出的蘭炭焦爐煤氣綜合利用方案可提高對蘭炭焦爐煤氣的利用價值，減輕對環境的污染，井可促進產業生產健康發展，有利于提高資源的綜合利用。
{2}內熱式方型蘭炭爐是榆林地區應用多的爐型，技術上也有較大改進，已成為榆林一大產業，帶動了地方經濟的發展。內熱式方型蘭炭爐短期內難以用其它新技術替代，應有一個改造過渡期。應根據市場需求和原料來源進行技術升，積開發新的多聯生產技術。
1 蘭炭焦爐煤氣利用現狀
榆林地區廣泛使用的方型蘭炭爐屬于內熱式低溫干餾爐。借助熱載體把熱量傳給煤料，氣體熱載體直接進入干餾室，穿過塊粒狀干餾料層，把熱量傳給料層，氣體熱載體一般是燃料煤氣燃燒的煙氣，熱載體也可以是固體的，例如用熱半焦|蘭炭|或其他物料，與煤料在干餾系統相混合，熱載體把煤料加熱，進行干餾。
這種低溫干餾爐是目蘭炭生產的優良爐型，不但投資少、產量大而且操作簡單，其初設計的目標產品是蘭炭和焦油，由于內熱式低溫干餾爐降低生產成本的要求，生產過程中爐中煤炭是與空氣接觸，所以其氣態產品煤氣中氮氣含量較高，屬低熱值煤氣。
發電以及供金屬鎂廠、鐵合金廠作為燃料，少數提取H2供煤焦油加氫，部分解決了煤氣放空污染問題。
2 綜合利用方案探討
2.1 常規利用方案分析
蘭炭焦爐煤氣脫硫后用于發電，以及作為生石灰、金屬鎂、水泥等工業窯爐的燃料。以60萬t/a蘭炭廠蘭炭焦爐煤氣為例，60萬t蘭炭廠每年生產蘭炭焦爐煤氣約6億m³。這些蘭炭焦爐煤氣可提供4套6MW發電機組的燃料需求，或100萬t/a生石灰生產燃料需要。具體經濟技術比較見表2。
2.2 蘭炭焦爐煤氣綜合利用方案
根據研究，提出的蘭炭焦爐煤氣利用方案如圖1所示。其基本思路是：先對蘭炭焦爐煤氣進行凈化，凈化后回收高附加值化工產品，然后CO變換，再經過不同工藝生產包括合成氨、城市燃氣以及焦油加氫生產石腦油、燃料油等產品。
合成氨的生產技術是建立在公式
N2+3H2→2NH3-92.4 kJ/mol
可知 合成氨生產需要將合成氣中的氮氫比調整至N2∶H2=1:3。
從上式可知道，H2是氨合成的主要成分，而焦爐煤氣的成分中，本身就含有合成氨所需要的基本原料，因此可以考慮提取焦爐煤氣中的H2使用其進行氨的合成生產原料。提取焦爐煤氣中的H2可采用的關鍵技術主要有
1 無甲烷制氫技術
6億m³/a蘭炭焦爐煤氣中本身就含有28%即1.68億m³/a 的H2。如設置變換工序
CO + H2O → CO2+ H2
CO經過變換轉換成為CO2，經計算可生產H27200萬m³/a，由此可得H2共2.4億m³/a。再經過脫出酸性氣體、變壓吸附脫碳、氮氣和甲烷等工序。
由于蘭炭焦爐煤氣組分中N2占到48％。即2.88億m³/a。由此氣體組分生產合成氨，H2量決定了合成氨的產量，即2.4億m³H2與8000萬m³N2反應，可生產合成氨10萬t/a。
2 有甲烷制氫工序
由于蘭炭焦爐煤氣中甲烷含量較高，達到總體積的8.8%，可以通過甲烷水蒸氣重整制氫工藝SRM制取H2。
由于制氫工藝是一個強吸熱反應，所以需要燃燒一部分甲烷提供熱量。6億m³/a蘭炭焦爐煤氣可制取約1.5億m³/aH2，加上原有以及經過CO變換后的H2，其總量達到3.9億m³/a，與1.3億m³/aN2可生產合成氨總量達到20萬t/a。
2.2.2 作為生產油品原料
石油是工業的血液，也是一種戰略物資，事關國家能源安全，我國是一個多煤少油貧氣的國家，所以生產石油替代產品有著廣闊的市場景。
2.2.3 作為城市燃氣原料
凈化后的煤氣經壓縮變換、活性炭脫碳后，60萬t/a蘭炭廠蘭炭素爐煤氣量可達5.1億m³/a。其主要組分為N2、H2和ＣH4，其熱值＞14.7MJ，可直接作城市燃氣，通過管道輸送供給周圍城市使用。
3 焦爐煤氣制氫工藝中過程氣體分析成套系統的應用
采用天禹智控的過程氣體分析成套系統能在線實時自動、連續、準確、可靠地分析監測H2、O2、CO、CO2、CH4等氣體的體積分數，采用自動控制系統的采樣、排水、探頭吹掃、故障監測并處理等操作。系統正常運行期間能連續提供被測組分的4~20mA標準輸出信號,可同時監測反吹壓力、樣氣濕度、樣氣流量等報警信號并根據狀態信號控制系統的運行狀態，還能根據需要輸出測量組分含量上限報警信號。該系統技術方案、結構簡明、部件性能可靠、自動化程度高、操作簡便、維護量小,是工業工藝中氣體含量分析的理想設備。
天禹智控在線防爆分析系統
在煤氣化裝置中，H2、O2、CO、CO2、CH4等氣體的體積分數是工藝控制的重要參數，能否準確測量其體積分數成為考核整套裝置節能效率的重要指標。在工業生產中,要求對被測氣體進行不間斷的測量，采用各種辦法有效控制氣體中各氣體的成分，使得易燃易爆氣體H2和CO濃度在可控范圍之內，也有利于安全生產，產生良好的經濟效益，對提高產品質量、產量、保障安全生產及節能降耗具有十分重要的現實意義。
4 結語
{1}根據蘭炭焦爐煤氣成分及生產和利用現狀，本文提出的蘭炭焦爐煤氣綜合利用方案可提高對蘭炭焦爐煤氣的利用價值，減輕對環境的污染，井可促進產業生產健康發展，有利于提高資源的綜合利用。
{2}內熱式方型蘭炭爐是榆林地區應用多的爐型，技術上也有較大改進，已成為榆林一大產業，帶動了地方經濟的發展。內熱式方型蘭炭爐短期內難以用其它新技術替代，應有一個改造過渡期。應根據市場需求和原料來源進行技術升，積開發新的多聯生產技術。
原創作者：武漢天禹智控科技有限公司
