焦炉煤气质量对化工产品影响分析及对策

2022-03-31付耀

科技创新导报 2022年21期

付耀

（贵州盘江电投天能焦化有限公司贵州六盘水 553531）

近些年，我国多数LNG 生产企业均面临着煤气质量难以达到高质量LNG 生产需求的问题，进而导致LNG 生产效率无法维持在稳定的状态。在上述背景下，相关部门必须对出现的问题展开分析，把重点放在提升焦炉煤气质量方面。此外，针对具体情况，制订有效的解决方案，设法改善煤气处理技术，争取在保证煤气质量的基础上达到LNG 生产相关要求，进而提升LNG 的生产效率。只有如此，方可从根源上改善煤气处理流程，提升焦炉煤气质量，保证更好地满足LNG生产的实际要求。

1 焦炉煤气基本构成

焦炉煤气作为煤炭经过高温干馏炼焦环节的产物，每生产出1t焦炭，焦炉煤气约为400～450m3［1］。焦炉煤气又被称作焦炉气，因其具有较多的可燃成分，是一种高热值煤气。焦炉煤气就是通过几种烟煤配制为炼焦用煤，在炼焦炉内通过高温干馏后，产生焦炭、焦油产品时出现的一种可燃性气体，也是炼焦工业的一种副产品。有调查表明，国内焦化企业每年约产出200亿m3焦炉煤气，如果均给予转化利用，能获得85亿m3天然气，相当700万t汽油［2］。焦炉煤气构成如表1所示。

表1 焦炉煤气组成

焦炉气为混合物，其产率及组成因炼焦用煤质量及焦化过程不同有所差别。焦炉煤气内除去水汽及各类杂质后获得的混合物称作干煤气。必须注意，若焦炉煤气未得到有效的净化，其中包含大量的焦油及萘，容易堵塞管道、管件，为调火工作带来一定的困难。干煤气也是焦炉煤气重要的组成之一，包含H2、CO2、O2、N2等成分，而合成化工产品也需要部分有效气体，如合成甲醇所用成分为CO2、H2、CO、CH4［3］。干煤气组成及产率与装炉煤质量、焦炉类型、炼焦操作等多种因素有关。

2 焦炉煤气质量对LNG生产带来的影响

LNG是一种具有安全、污染小等优点的物质，是供居民使用的气化清洁燃料。而选用LNG 作为发动机燃料，汽车发动机只要适度更换，不仅具有稳定的运行性能，且噪音、能耗比较小。有调查表明，与液化天然气比较，处于相同时间表及运行时间标准下，中小、重型车辆所用LNG 成本降低20%，其燃烧系统成本最少下降2/3［4］。此外，LNG 可用于化石燃料工业生产、海水淡化设备等方面，展现出良好的应用价值。焦炉煤气是LNG 生产的重要原材料，但生产后的煤气内存在一些杂质，需要利用恰当的措施对杂质进行处理，从而为后续LNG 生产打下基础。焦炉煤气质量对LNG 生产效果产生重要的影响，生产LNG 过程中若出现煤气质量比较差的问题，也会对LNG 整体生产质量带来不良的影响。在炼焦过程中，若设备炉门存在问题，会使得一些炉门密封性不佳，进而对集气管实际运行中的压力产生不良影响。若未及时对上述问题给予恰当的处理，进而会影响到生产仪器的功能，严重状况下还会导致碳化室发生漏气，无法取得良好的煤气处理效果。除此以外，碳化室密封性不佳也会导致一部分空气进入反应装置内，使得炉顶温度随之升高，进而影响煤气整体的使用质量，也在一定程度上威胁着LNG生产环节。但因我国LNG 生产时煤气质量存有一定问题，如果使用传统的有机硫脱除方法，难以有效清除煤气内的杂质，无法达到LNG 生产阶段的相关标准及要求。焦炉煤气制LNG 使用原料作为焦化企业生产的副产品，其取决于该企业主营产品生产设备是否正常运行。基于此，稳定气源则是焦炉煤气制LNG 项目运行的重要因素。除气源之外，装置是否长时间安全稳定运行也是一项主要的影响因素。

3 焦炉煤气制LNG主要技术分析

焦炉气主要作用于燃料、发电等领域，但单一的焦炭厂焦炉煤气量有限，创建管理运输经济性不足，且燃烧热值不高，进而影响焦炉煤气的利用效果。如今，我国天然气比较紧缺，焦炉煤气经过甲烷化及液化分离操作制成LNG，有利于提升焦炉煤气的利用价值。采用焦炉煤气生产LNG，包含深度净化、液化分离、甲烷化等。

（1）深度净化技术。甲烷化、低温液化分离对焦炉煤气内的杂质有非常严格的要求，开展甲烷化操作前，要求先把焦炉煤气净化为总硫、氯含量分别为小于0.1×10-6、小于0.2×10-6，苯、砷含量依次为小于10×10-6、小于1×10-6［5-6］。实施液化处理前，使得焦炉煤气进一步净化标准如下：二氧化碳小于50×10-6，水小于0.1×10-6。焦炉煤气脱萘、苯环节使用活性炭吸附，促使焦油、苯等成分吸附于活性炭内，再通过加热方法及时解吸吸附的杂质，促进装置处于连续运行状态。焦炉煤气脱硫处理采用加氢方法把硫醇、二硫化碳等物质转化为硫化氢，利用氧化锌、氧化铁顺利脱除硫化氢，满足甲烷化相关要求。甲烷化处理后，焦炉煤气内主要成分是甲烷、氮气、饱和水、氢气，当二氧化碳来源含量比较高或甲烷化不完全条件下，二氧化碳难以满足液化要求，通过进一步脱除其中二氧化碳，再采用分子筛脱除水，满足液化要求。

（2）液化分离技术。深冷液化是指把焦炉煤气合为甲烷后气体实施冷却、液化处理，分离相应的氮气及氢气，生成满足要求的液化天然气。深冷液化方法使用混合制冷剂液化工艺把天然气冷却到约160oC，通过精馏塔对氮气、氢气进行分离，有利于减少氮气、氢气内甲烷含量。精馏塔塔顶冷源为氮气或混合制冷剂循环［7］。

（3）甲烷化技术。甲烷化就是把焦炉煤气内氢气与一氧化碳及二氧化碳反应，生成相应的甲烷、水，并产生热量。焦炉煤气中一般氢气过量，可通过二氧化碳及一氧化碳彻底反应，达到液化的实际需求，所产生热量借助余热锅炉形成高温水蒸气。

4 提高焦炉煤气质量的对策

4.1 做好煤气质量调查工作

不同的企业存在多方面差异，如所用设备型号、生产工艺等，使得焦炉煤气质量不佳，这也是导致LNG生产质量较差的主要原因。基于此，各企业先要依据实际情况对该企业焦炉煤气生产各阶段开展煤气质量调查工作。例如，比较简易的方法就是做好产出煤气化验工作，检测煤气所含成分及其各占比率。随之，对部分超标的无益杂气，可依据各自处理方案制定恰当的处理方法，有利于提升工作效果及煤气质量。此外，还必须对每次调查结果予以汇总及分析，进而制定恰当的改进方法以备用。

4.2 增设电捕焦油器装置

电捕焦油器在煤气化生产阶段发挥着重要的作用，对煤气质量产生较大的影响。对煤气进行处理时，还必须适当增加电捕焦油器数量，有利于提升煤气处理能力及提高质量，确保煤气质量满足后续生产LNG的实际需要。除此以外，增加电捕焦油器后，生产厂家无需担心生产环节发生机器损伤等问题，可以随时启动备用设备开展工作，确保LNG 生产顺利实施，在一定程度上减小故障对生产进度带来的影响。加之，电捕焦油器装置构造口具有较大的优势，也就不会出现较多的维修烦恼。采用增设电捕焦油器模式，有利于提高煤气焦油处理能力。由于这种设备进出口均具有水封处理功能，开展日常维修阶段，无需对盲板进行加盖处理，确保维修工作更为方便［8］。

4.3 重视设备清扫与维护

焦炉煤气包含硫化物等物质，它们容易沉积在管道，会处于湿环境下腐蚀管道形成锈渣，使得管道发生堵塞，严重情况下，必须停产开展检修工作。基于此，如何确保焦炉煤气管道畅通、安全运行显得尤为重要。但在实际生产中，煤气杂质无法100%脱除，长时间运行后，煤气管道会慢慢沉积焦油、萘等杂质，如果不及时进行检查和清扫，会导致杂质越来越多，进而影响正常生产工作。基于此，应建立煤气管道及相关设备，定期清扫维护制度，例如，年修时期做好管道检查工作，如果发现沉积，通过蒸汽吹扫、机械清扫等方式清除杂质。对煤气管道及附属设施做好防腐处理，若发现防腐层脱落，要及时给予修复，防止管道遭受腐蚀，进而堵塞煤气管道。加强对脱萘过滤网的清扫工作，特别是在日温差较大的时期，适当增加过滤网清扫频率，能有效预防管道堵塞。在此基础上，做好煤气管道沿线排水渠清理与维护工作，确保其能够满足正常工作需要。

4.4 优化液化分离工艺

焦炉煤气的成分与焦炭厂所用煤质存在关联，而同一个焦炭厂煤的来源有所不同导致焦炉煤气成分出现一定的变化。焦炉煤气组成改变对甲烷化单元产生的影响为反应温度改变，一般使用喷入蒸汽或者调整循环气量的方法，总体上可以控制。焦炉煤气构成改变对液化分离产生的影响较大，焦炉煤气内如果二氧化碳含量过高，甲烷化处理后，二氧化碳含量超出液化要求，会导致低温换热器发生冻堵的问题，影响正常生产流程。氮气、氢气这两种成分含量较大，对精馏塔产生的负荷变化比较大，尤其是塔顶冷源难以达到要求，导致生产的LNG 成分不达标，且塔顶会排出含量较高的甲烷［9］。这也充分说明，焦炉煤气组分变化较大，使用常规的天然气液化分离方案不合理。对于这种情况，可使用优化的焦炉煤气液化分离攻击，即：使用汽提塔分离与PSA 分离甲烷相互结合的方法，即使焦炉煤气组分变化比较剧烈，也能确保LNG 合格，解决使用精馏塔分离工艺存在的问题。

4.5 有效控制废气排放

焦炉煤气甲烷化操作中会出现大量的热，这些热有些用在预处理环节的再生气加热，若附近并无蒸汽用户，会导致剩余热量严重浪费，进而增加全厂能耗量。焦炉煤气制LNG 过程中，有组织地排放废气主要是燃烧所产生的G1。LNG生产企业可使用火炬系统，包含冷火炬、氨火炬等，用于正常或非正常工况下的蒸氨尾排放及各类废气焚烧［10］。冷火炬旨在收集源自液化工段冷剂系统不同安全阀气体；氨火炬管网对合成氨装置所排放的氨气进行收集；火炬管网主要功能在于收集LNG 生产净化环节各装置及一些液化装置等。正常工况条件下，火炬系统中只有长明灯不间断燃烧焦炉煤气，焦炉煤气来源于甲烷工段天然气产品总管。火炬包含多个单独的火炬构成，正常条件下，其排除燃烧废气排放高度达到79m，其他排放参数如表2所示。