荒煤气制氢脱焦油、脱萘工艺分析与比较

卢军祥

神华新疆吐鲁番煤化工有限责任公司 新疆 838000

前言

荒煤气制氢是一种新型的制氢技术，该项技术的应用近年来被广泛应用到我国社会生产生活的各个领域。但是，由于荒煤气本身是焦炭生产的一种副产品，其中含有焦油和萘等多种杂质，因此，有必要对其所制得的氢气进行加工处理，从而提高氢气纯度。本文通过对荒煤气的概念和特点进行阐述，并对以变温吸附工艺为主的荒煤气制氢脱焦油、脱萘工艺中的两种方法进行了深入探讨。

一、荒煤气简述

荒煤气又称为粗煤气或焦炉煤气，是由焦炭生产得到的一种副产品，因其组成成分较为复杂（H2、O2、N2、CH4、CO和CO2等），所以荒煤气具有多个理化性质，具体如下：（1）外观与形状：黄褐色气体混合物；（2）相对水密度：760g/m3；（3）其内部主要成分氢气不容于水、乙醇和乙醚[1]。由于以不同煤原料进行生产的焦炭所得到的荒煤气中，其各个组成成分的含量是不同的，但其所呈现出的共性为荒煤气中均含有焦油、萘以及硫化物等多种杂质[2]。如何将荒煤气中的上述杂质去除，并提高荒煤气的利用效率是荒煤气制氢需要解决的首要问题，因此，下文引入了变温吸附工艺，并对应用此工艺进行荒煤气制氢的脱焦油和脱萘处理展开分析。

二、荒煤气制氢脱焦油、脱萘工艺——变温吸附工艺

1.变温吸附工艺简述

所谓变温吸附是指利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特点，借助常温吸附或高温吸附的手段，对吸附对象中的杂质进行吸附的操作方法。

2.变温吸附工艺的原理与设备

以杂质脱除和杂质回收作为原料荒煤气的主要处理方法对焦炭生产得到的荒煤气进行处理后，利用TSA变温生产工艺对内部具有较高含量焦油和萘的荒煤气进行进一步处理，并将选取的吸附剂的更新时间设置为1年[3]。利用变温吸附工艺进行荒煤气脱焦油、脱萘制氢所涉及到的设备包括了吸附床（2台及以上的复合床），加热器、冷却器、吸附剂与相应数量的阀门。

3.工艺流程

在同一吸附床中加入两种或两种以上的吸附剂后，将吸附床依次进行吸附、降压、加热、、冷吹和升压，使两台吸附床组成一个完整的吸附系统。利用吸附床进行荒煤气处理的具体工艺流程为：（1）吸附。将吸附时吸附床的工作压力设定为0.004-0.5MPa，经2.2中以杂质回收和杂质脱除处理后得到的荒煤气从吸附床的底端的阀门及原料管道进入复合型吸附床，进入吸附床后，荒煤气中具有较强吸附性的杂质被吸附床中内置的吸附剂所吸附，而具有较弱吸附性的杂质经过吸附床上端阀门流出，持续进行这一操作，直到荒煤气中的杂质达到规定浓度[3]。此时，将吸附床上下两端的阀门同时关闭，进而停止吸附床的吸附；（2）降压。待停止吸附后2mins后，开启吸附床的降压阀门，充分利用吸附床自身的重力，将内部气体经由吸附床底端排出，一直到吸附床内部达到规定压力位置（0.005MPa）；（3）加热。打开吸附床的加热阀门，将温度在150-300。C之间的解吸器经由吸附床顶部进入其内，持续升高吸附床的温度，进而吸附床内的杂质全部气化，使气化后的焦油雾和萘气同荒煤气中的杂质从吸附底端排出，促进吸附床内吸附剂的再生；（4）冷吹与升压。由于加热后所得的荒煤气具有较高温度，因此需要开启冷吹阀门，使常温解吸器从吸附床的顶端进入、底端排出，反复进行此操作，直到吸附剂床内的荒煤气与原料焦炭煤气的温度相一致。当温度将至相关标准后，开启吸附床的升压阀门，将经上述净化处理而得到的荒煤气缓慢注入吸附床中，进行吸附床的升压工作，一直到达到吸附床工作的正常压力为止。

三、变温吸附再生工艺

1.工艺说明

经焦炭生产得到的荒煤气内除了有大量的一氧化碳、二氧化碳以及甲烷等气体外，还掺有少量的焦油、萘以及硫化物和烃类等，由于焦油和萘等物质的沸点较高，因此，其难以在常温下脱附。此外，由于此类物质对于吸附工艺在变换过程中所用到的吸附剂具有较强的吸附性，所以大幅增加了荒煤气的解吸难度。变温吸附再生工艺的预处理技术便是为了去除荒煤气中萘和焦油等沸点较高的杂质，以达到净化荒煤气的目的。

2.处理方案

利用吸附剂对气体的吸附容量是随着温度的变化而变化这一特性，对吸附剂的吸附条件进行合理选择，并在常温条件下吸附荒煤气中的杂质组分，在高温条件下对杂质组分进行脱附[4]。最后，利用吸附剂再生或者更新的特性达到对荒煤气中的萘和焦油等杂质进行连续吸附的目的。

利用变温吸附再生工艺对进行脱焦油、脱萘的处理方案主要分为如下4个步骤：（1）吸附剂再生。由前文可知，吸附剂再生步骤包括了降压、降温、冷却和升压。（2）系统预处理器再生。系统预处理器的再生首先需需要将吸附床的压力降至常压，在加入冷却吸附剂对荒煤气进行处理后，再对机床进行充压。将再生气体加热到170。C，并将其送入预处理器并对再生气体进行冷却；再生荒煤气中需要保证其内各部分杂质的含量符合如下标准：萘≤1mg/Nm3，焦油≤1mg/Nm3。

四、变温吸附非再生工艺

1.工艺说明

同变温吸附再生工艺不同，非再生工艺主要是以具有较强吸附能力的焦炭作为吸附剂，由于吸附荒煤气中焦油和萘后，焦炭不可再生，因此，将其直接作为燃料送入锅炉。

2.处理方案

首先，仍要对预处理器进行降压、降温、冷却和升压等操作，使荒煤气经由原料管道自上而下地进入预处理器（预处理器的数量为4台），根据其内部的吸附剂（焦炭）对不同杂质含量荒煤气有选择地进行吸附。其次，在吸附过程中，荒煤气中的萘、焦油以及灰尘等物质被有效吸附，而未被吸附的甲烷、一氧化碳、氢气和氧气等由于密度较小（相对于荒煤气），进而将其从预处理器的顶端排出。最后，将由预处理器顶端得到的预净化荒煤气返回，进行压缩加工。经此方案得到的荒煤气中焦油与萘的脱除精度为：萘≤1mg/Nm3、焦油≤1mg/Nm3[5]。

五、两种脱焦油、脱萘工艺的比较

首先，就萘与焦油的脱除精度和技术的先进程度而言，变温吸附再生工艺要比非再生吸附工艺更为先进和科学，其对萘与焦油的脱除精度也处于较高水平，可以较好地满足工序变换的具体要求。

其次，从设备和技术的投资方面看，非再生工艺对脱萘和脱焦油的处理需要具备较大体积的设备，除此之外，还需增设相关的精确脱除设备，大幅增加了设备和技术的投入资金，但其所收到的效果，即荒煤气制氢的纯度却不如变温吸附再生工艺处理荒煤气得到的氢气纯度高。由此可知，在设备和技术的投资方面，非再生工艺投入的资金量较大大。

最后，从年运行费用的角度出发对二者进行分析可知，非再生工艺虽然在单次的吸附处理中，购进材料和设备运行的费用较少，但由以焦炭为主的吸附剂需要进行频繁更换，这就大幅增加了其设备的运行和投入费用。综上所述，无论是在工艺的先进性还是设备的投入、运行费用方面，变温吸附再生工艺均要强于变温吸附的非再生工艺。

结论

本文通过对荒煤气的特点和概念进行分析，从变温吸附再生工艺与变温吸附非再生工艺两方面出发，对以变温吸附工艺为主的荒煤气制氢脱焦油和脱萘的处理方法展开了详细研究，并从工艺的先进性、设备投资与运行费用等方面对两种处理方法进行了综合比较。可见，未来加强变温吸附工艺在荒煤气制氢脱焦油、脱萘处理中的研究和应用力度，对于促进荒煤气制氢行业以及工业产业的整体发展具有重要的历史作用和现实意义。

[1]孙朝庆，孟进.焦炉煤气精制及变压吸附制氢在梅钢的应用[J].梅山科技，2012，06（12）：22-26.

[2]沈立嵩，邹华.马钢煤气脱萘工艺与设备的设计[J].燃料与化工，2010，02:50-52.

[3]沈立嵩，毕振清.马钢焦炉煤气脱萘工艺与国内其他工艺的比较[J].安徽冶金，2010，02:27-32.

[4]吕勇.焦炉煤气净化系统工艺优化及填料无污染再生技术研究[J].冶金动力，2010，03:16-18.

[5]谢克昌.化学工业出版社[J].《煤化工概论》2012，10（06）：47-49.