中低温热解煤气利用途径分析及建议

李学强，郑化安，张生军，樊英杰，陈静升，赵鹤翔

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西　西安　710065)



中低温热解煤气利用途径分析及建议

李学强，郑化安，张生军，樊英杰，陈静升，赵鹤翔

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西西安710065)

中低温热解煤气是低阶煤分质利用过程中重要的产物之一，富含H2、CO、CH4等有效组分。过去兰炭炉由于煤气品质低、单炉规模小且建设分散，煤气很难集中利用，大都以燃烧供热或以“点天灯”外排的方式简单处理，不仅造成了资源的巨大浪费，也产生了严重的环境污染问题。本文首先对国内典型热解工艺产生的煤气组成特性进行分析总结，在此基础上阐述了中低温热解煤气的利用途径，并对中低温热解煤气综合利用提出建议，认为兰炭企业应根据煤气组成特性和厂区的具体需要，继续加强中低温热解煤气合理利用工艺路径的探索和研究，选择适宜的利用途径对对中低温热解煤气进行深加工分质利用，从而达到变废为宝、节能减排的目的。

热解煤气；组成特性；利用方式

低阶煤分质利用多联产技术是根据低阶煤的物质构成及其物理化学性质，首先采用先进中低温热解技术对全粒径煤炭进行分质，将煤热解成气、液、固三相物质，然后再根据各类热解产物的物理化学性质有区别的进行利用，梯级延伸加工、生产大宗化工原料和各类精细化学品[1]。中低温热解煤气是低阶煤分质利用过程中重要的产物之一，对热解煤气进行分质综合利用，提高热解煤气的附加值，对于降低热解技术可能的环境污染、提高热解系统能源利用效率和经济价值、延伸热解技术产业链具有重要的意义。

近些年来，随着兰炭产业的快速发展，热解煤气的产量也随之快速增加。2010年我国兰炭产量已达4000万吨以上，副产煤气高达4.5×1010m3以上[2]。目前，兰炭生产企业副产的煤气除部分作为焦炉自供燃料外，其余近一半气体被放空焚烧，虽然有些企业利用放空焚烧煤气作为热源生产金属镁和石灰等，但是由于工艺技术简单粗糙且受资源、成本和市场等因素的影响，热解煤气实际利用率和利用水平非常低，普遍存在着严重的资源浪费和环境污染。

为了对中低温热解煤气进行分质综合利用，从根本上解决热解煤气放空、焚烧所造成的环境污染，达到充分利用煤气而变废为宝的目的，本文首先对中低温热解煤气的组成进行了分析总结，进而分析了中低温热解煤气的利用途径，并针对中低温热解煤气的综合利用提出建议，以期对中低温热解煤气的清洁、高效和合理利用有所帮助。

1　中低温热解煤气组成

由于中低温热解煤气的组成与煤种、热解工艺及操作条件息息相关，不同热解工艺产生的煤气组成也有所差异。根据文献[3-8]可知，中低温热解工艺的热解煤气典型组分中含有大量CH4、H2、CO 以及C2～C4等大量有用组分，有效组分含量高达50%～90%，煤气热值在3200～5500 kcal/Nm3，并且随着多种以还原气体(气化气、焦炉气等)为热载体的热解新技术的开发，热解煤气的品质将进一步提高。因此，针对中低温热解煤气的组成特性，开展对热解煤气的分质综合利用研究，进行分离提纯或联产化工产品，从根本上解决热解尾气放空、焚烧所造成的环境污染，变废为宝，有效提高热解技术的经济效益，具有显著的节能、环保和资源循环利用等优势。

2　中低温热解煤气的利用途径分析

2.1用作城市燃气和发电

早在20世纪80年代，我国引入的伍德(Uhde)炉即以生产城市煤气为主，副产半焦。随着热解技术的发展，热解煤气的产量迅速增长，品质也逐渐提高，热解煤气中含有H2、CO、CH4等大量可燃性成分，将热解煤气处理后用作城市煤气，是对我国天然气供应不足局面的一个有效缓解。

此外，可配套相应的蒸汽锅炉或电站锅炉，以热解煤气为燃料生产高品质蒸汽，为工业园区提供产品蒸汽或发电，可以增加企业收益，降低生产成本。以60万吨/年兰炭厂为例，兰炭生产所产生的兰炭尾气外排量约为60000 Nm3/h，扣除兰炭生产自用4000 Nm3/h外，尚余56000 Nm3/h可供电厂燃用。兰炭尾气发热量1900 kcal/Nm3计算，相当每小时提供15.2吨标煤，供蒸汽锅炉或电站锅炉燃烧[8]。若兰炭厂的规模进一步扩大，企业的收益更为可观。可见，充分利用热解煤气具有较高热值的特性作为城市燃气或配套蒸汽锅炉可以作为热解煤气利用的途径之一。

2.2热解煤气制甲醇

甲醇是有机化学工业的主要原料之一，可以用来制造甲醛、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲胺、聚乙烯醇、氯甲烷类和醋酸等多种化工产品。热解煤气中含有大量的H2和CO成分，经过变换调整二者比例后可作为甲醇合成的原料。基于焦化工艺的焦炭-甲醇联产工艺已在焦化行业进行了积极的尝试，以中低温热解煤气为原料生产甲醇也将成为中低温热解煤气的一个有效利用途径，其工艺流程为：中低温热解煤气经过除尘、脱硫精制、压缩后，首先进行一氧化碳变换，调整煤气中的H2和CO至合适比例，然后进入甲醇合成塔生产甲醇，工艺流程如图1所示。以中低温热解煤气制甲醇工艺技术的开发，相比较单纯的煤或天然气制甲醇技术，具有资源利用效率高、生产成本较低、环境效益良好等优势[9]。

图1中低温热解煤气制甲醇工艺流程

2.3热解煤气制合成氨

氨是重要的无机化工产品之一，主要用于制造氮肥和复合肥料，在国民经济中占有重要地位。目前方形炉以热烟气作为热载体，所产尾气中N2高达40%左右(V/V)，而热解所得H2约为28%(V/V)，以此热解尾气进行合成氨生产，不仅解决了方形炉热解尾气热值低的问题，而且利用了煤气中的N2组分，是方形炉热解尾气的一个有效利用途径。

热解煤气制合成氨的工艺流程为：先将热解煤气进行除尘、压缩，然后进行一氧化碳变换，调整H2和N2的比例，接下来进入合成塔合成氨，工艺流程如图2所示。以180万吨/年兰炭厂为例，采用中低温热解煤气经变换后制合成氨技术，可以生产合成氨30万吨/年，具有可观的经济效益和节能减排优势[3]。

图2　中低温热解煤气合成氨工艺流程

2.4热解煤气制氢

氢气是中低温热解煤气中重要的组分之一，既是一种高热值、零污染的理想清洁能源燃料，同时也是一种重要的化工原料，在合成氨、石油加氢精制、煤焦油加氢等工艺中具有广泛应用。随着热解技术的发展，以合成气等还原气氛作为热载体成为热解技术的一个重要发展方向，其一个重要特征就是热解气含氮量低，CO和H2等有效组分高，而低氮煤气变换制氢工艺技术成熟，成本低廉，可以作为中低温热解煤气利用的有效途径之一。

热解煤气制氢工艺流程为：中低温热解煤气脱除H2S后，经过甲烷部分氧化法，将煤气中CH4转化为CO和H2，接着煤气进行一氧化碳变换，将煤气中CO转化为H2，最后通过变压吸附(PSA)将H2分离出来，供后续工段使用，其工艺流程如图3所示。

目前从热解荒煤气中分离回收氢气在陕西、内蒙等地区已经有了一些成功的工程案例，其中比较典型的是陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司2007年建成并已投产的制氢装置。该装置采用水洗脱氨、全低温变换、变压吸附(V-PSA)提纯氢气工艺，生产规模为26000 Nm3/h工业氢气，为后续焦油加氢制轻质油品提供氢源，具有显著的经济效益[9-10]。

图3　中低温热解煤气制氢工艺流程

2.5热解煤气制天然气

天然气作为新型洁净的能源，在国家环保安全和能源保障方面具有重要意义。目前国内天然气供应的缺口正逐年加大，对外依存度更是呈快速上升之势。热解荒煤气中含有大量的甲烷成分(即天然气主要成分)，从热解煤气中分离出甲烷气体，是缓解我国天然气供求矛盾的一条有效途径。热解煤气制天然气工艺流程为：中低温热解煤气通过净化脱除苯、萘、硫化物后，再经过压缩、换热，在催化剂作用下进行甲烷化反应，将CO、CO2与H2转化成甲烷，再采用气体分离技术将混合产品气中的氢气分离制得液化天然气，其工艺流程如图4所示。将中低温煤气甲烷化生产LNG，具有投资小、消耗低、无污染、能量利用率高、产品市场前景好等优势，是热解煤气有效的利用途径之一[11]。

图4　中低温热解煤气制LNG工艺流程

2.6热解煤气制H2联产LNG

在热解煤气制氢和热解煤气制天然气两种利用途径的基础上，相关学者[12]提出热解煤气制H2联产LNG的工艺。具体工艺为：中低温煤气先经除尘、初加压和压缩，接着送往变换装置进行一氧化碳变换，再经过低温甲醇洗脱除酸性气体，然后送往深冷分离装置进行分离，制得氢气和LNG产品，深冷分离所得氢气送PSA提氢装置进一步提纯，其工艺流程如图5所示。该工艺可根据用氢量的多少，灵活调节氢气产量，具有投资和运行成本低、能耗低、能量利用率高等优点。因此，热解煤气制H2联产LNG是热解煤气综合利用的较佳选择。

图5　中低温热解煤气制H2联产LNG工艺流程

3　结　论

中低温热解煤气中含有H2、CO、CH4等有效组分，过去“点天灯”外排和简单燃烧供热的利用方式不仅造成了巨大的资源浪费，也产生了环境污染等问题。随着兰炭产业的快速发展，热解煤气的产量也势必大量增加，热解煤气的分质利用是煤炭分质清洁转化利用技术的重要环节，对热解产业的健康发展具有重要的意义。因此，建议企业根据不同热解工艺产生的煤气组分的特性和结合自身产区的需要，继续加强中低温热解煤气合理利用工艺路径的探索和研究，选择适宜的利用途径对中低温热解煤气进行最优的分质利用，从而达到变废为宝、节能减排的目的。

[1]甘建平,马宝岐,尚建选,等. 煤炭分质转化理念与路线的形成和发展[J]. 煤化工，2013(1):3-6.

[2]闫冬. 兰炭焦炉煤气综合利用方案探讨[J]. 广州化工，2012,40(12):177-178.

[3]田玉虎. 兰炭煤气生产合成氨工艺探究[J].纯碱工业，2011(4): 17-19.

[4]李文英,邓靖,喻长连. 褐煤固体热载体热解提质工艺进展[J]. 煤化工，2012(1):1-5.

[5]方梦祥. 陕西烟煤 1MW 循环流化床煤分级利用多联产试验研究报告[R]. 杭州:浙江大学,2013.

[6]谢小兵. 外热式回转炉低温干馏工艺简介[R]. 西安:西安三瑞实业有限公司，2011.

[7]吴道洪.蓄热式无热载体旋转床干馏新技术[EB/OL]. http://www.docin.com/p-454577399.html, 2011-9-19.

[8]杨湛明. 年产60万吨兰炭炉尾气治理可行性报告[R]. 神木:府谷县三联煤电化工有限责任公司, 2008.

[9]苏婷，高雯雯，李健. 兰炭尾气中主要成分的分析利用[J]. 广州化工，2013,41(14):82-84.

[10]张建清. 兰炭伴生焦炉煤气膜分离强制氢分离工艺及经济性分析[J]. 煤炭技术，2013,23(9):212-213.

[11]亢玉红,李健,任国瑜,等. 兰炭尾气资源化利用技术途径[J]. 应用化工，2014,43(3):549-551.

[12]朱书成,白太宽,张立新.低温热解煤气制氢联产LNG 的方法[P].中国,CN 103803492 A,2014-5-1.

Analysis of the Utilization of Pyrolysis Gas

LI Xue-qiang, ZHENG Hua-an, ZHANG Sheng-jun, FAN Ying-jie, CHEN Jing-sheng, ZHAO He-xiang

(Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co., Ltd., State Energy Key LaboratoryofClearCoalGradingConversion,ShaanxiXi’an710065,China)

Pyrolysis gas at relative low temperature, which is one of the most important products in the process of low rank coal grading utilization, is rich in effective components such as H2, CO and CH4. In the past, pyrolyzers were built small-scaled and scattered which caused the pyrolysis gas hard to be used for its low quality and quantity, so the pyrolysis gas was burned to supply heat or emitted into the atmosphere directly which was called “lantern to the sky”, while this treatment to pyrolysis gas made not only a great waste of resources, but also a serious pollution to environment. Some suggestions on integrated utilization of pyrolysis gas were put forward on the basis of summarizing its composition properties and utilization approaches of the typical coal-pyrolysis process in domestic. The enterprise should choose a proper way to make deep and staged processing of pyrolysis gas according to the gas properties and the plant’s specific needs, so as to recycle energy and reduce emission.

pyrolysis gas; composition properties; utilization approaches

李学强，男，工程师，主要从事煤化工技术相关领域研发。

陈静升。

TQ523.6

A

1001-9677(2016)01-0147-03