兰炭焦炉煤气综合利用探讨

兰炭又称半焦，是利用神府煤田盛产的优质煤块烧制而成的一种炭素材料，因其固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、低硫、低磷的特性，逐步取代冶金焦而广泛运用于电石、铁合金、硅铁以及碳化硅等产品的生产，成为一种重要的炭素材料。

兰炭生产多以低温干馏技术为主，干馏温度一般在600℃左右，产物按照形态可分为固体产物、液态产物和气态产物。其中，固态产物主要是兰炭；液体产物主要是低温煤焦油，其中的中酚（主要是低级酚），占1%左右，是高附加值的精细化工产品的重要原料，并且低温煤焦油加氢后可以得到多种油品，可以作为石油的替代品；气态产物主要是兰炭焦炉煤气，目前多放空，或直接燃烧利用，造成了较严重的环境污染，也加大了当地节能减排的压力。2010年我国兰炭产能超过4500万吨，产生炭焦炉煤气超过450亿m³/a，由此可见其对环境造成的污染是相当严重的。过去，由于兰炭炉建设分散，煤气很难集中利用，因此多数厂直接放空，污染严重。近几年，经过“关小上大”产业调整，集中建设60万t/a以上兰炭厂，这为兰炭焦炉气综合利用提供了基础，因此探索兰炭焦炉煤气的综合利用技术具有很强的现实意义和巨大的潜在应用市场。
1 兰炭焦炉煤气利用现状
榆林地区广泛使用的方型兰炭炉属于内热式低温干馏炉。借助热载体把热量传给煤料，气体热载体直接进入干馏室，穿过块粒状干馏料层，把热量传给料层，气体热载体一般是燃料煤气燃烧的烟气，热载体也可以是固体的，例如用热半焦|兰炭|或其他物料，与煤料在干馏系统相混合，热载体把煤料加热，进行干馏。
这种低温干馏炉是目前兰炭生产的优良炉型，不但投资少、产量大而且操作简单，其最初设计的目标产品是兰炭和焦油，由于内热式低温干馏炉降低生产成本的要求，生产过程中炉中煤炭是与空气接触，所以其气态产品煤气中氮气含量较高，属低热值煤气。
由表1可以看出 典型的兰炭焦炉煤气中N2含量占了总量的48%，H2和CH4组分只占到28%和8.8%，热值约7113～8368 kJ/Nm3，C0大于10% 即氮含量高、氢含量低、热值低、CO含量大于10%，因此，不宜直接作为民用燃气，因此最好作为工业燃气使用。
发电以及供金属镁厂、铁合金厂作为燃料，少数提取H2供煤焦油加氢，部分解决了煤气放空污染问题。
2 综合利用方案探讨
2.1 常规利用方案分析
兰炭焦炉煤气脱硫后用于发电，以及作为生石灰、金属镁、水泥等工业窑炉的燃料。以60万t/a兰炭厂兰炭焦炉煤气为例，60万t兰炭厂每年生产兰炭焦炉煤气约6亿m³。这些兰炭焦炉煤气可提供4套6MW发电机组的燃料需求，或100万t/a生石灰生产燃料需要。具体经济技术比较见表2。
从表2中对比可以看出虽然成熟相对技术，但热能利用效率低，煤气消耗大，烟气污染也很严重。因此，如要使用以上技术进行利用，还需要完善煤气脱硫、脱氨等净化系统，同时对煤气中所含有的拥有高附加值的“三苯”和酚类等化工产品，应提出后再作为燃料燃烧，这样既不浪费资源，也可提高经济效益。
2.2 兰炭焦炉煤气综合利用方案
根据研究，提出的兰炭焦炉煤气利用方案如图1所示。其基本思路是：首先对兰炭焦炉煤气进行净化，净化后回收高附加值化工产品，然后CO变换，再经过不同工艺生产包括合成氨、城市燃气以及焦油加氢生产石脑油、燃料油等产品。
2.2.1 作为合成氨生产原料的关键技术途径
合成氨的生产技术是建立在公式
N2+3H2→2NH3-92.4 kJ/mol
可知 合成氨生产需要将合成气中的氮氢比调整至N2∶H2=1:3。
从上式可知道，H2是氨合成的主要成分之一，而焦炉煤气的成分中，本身就含有合成氨所需要的基本原料，因此可以考虑提取焦炉煤气中的H2使用其进行氨的合成生产原料。提取焦炉煤气中的H2可采用的关键技术主要有
1 无甲烷制氢技术
6亿m³/a兰炭焦炉煤气中本身就含有28%即1.68亿m³/a 的H2。如设置变换工序
CO + H2O → CO2+ H2
CO经过变换转换成为CO2，经计算可生产H27200万m³/a，由此可得H2共2.4亿m³/a。再经过脱出酸性气体、变压吸附脱碳、氮气和甲烷等工序。
由于兰炭焦炉煤气组分中N2占到48％。即2.88亿m³/a。由此气体组分生产合成氨，H2量决定了合成氨的产量，即2.4亿m³H2与8000万m³N2反应，可生产合成氨10万t/a。
2  有甲烷制氢工序
由于兰炭焦炉煤气中甲烷含量较高，达到总体积的8.8%，可以通过甲烷水蒸气重整制氢工艺SRM制取H2。
由于制氢工艺是一个强吸热反应，所以需要燃烧一部分甲烷提供热量。６亿m³/a兰炭焦炉煤气可制取约1.5亿m³/aH2，加上原有以及经过CO变换后的H2，其总量达到3.9亿m³/a，与1.3亿m³/aN2可生产合成氨总量达到20万t/a。
2.2.2  作为生产油品原料
石油是工业的血液，也是一种战略物资，事关国家能源安全，我国是一个多煤少油贫气的国家，所以生产石油替代产品有着广阔的市场前景。
2.2.3  作为城市燃气原料
净化后的煤气经压缩变换、活性炭脱碳后，60万t/a兰炭厂兰炭素炉煤气量可达5.1亿m³/a。其主要组分为N2、H2和ＣH4，其热值＞14.7MJ，可直接作城市燃气，通过管道输送供给周围城市使用。

3  焦炉煤气制氢工艺中过程气体分析成套系统的应用
采用天禹智控的过程气体分析成套系统能在线实时自动、连续、准确、可靠地分析监测H2、O2、CO、CO2、CH4等气体的体积分数，采用自动控制系统的采样、排水、探头吹扫、故障监测并处理等操作。系统正常运行期间能连续提供被测组分的4~20mA标准输出信号,可同时监测反吹压力、样气湿度、样气流量等报警信号并根据状态信号控制系统的运行状态，还能根据需要输出测量组分含量上限报警信号。该系统技术方案先进、结构简明、部件性能可靠、自动化程度高、操作简便、维护量小,是工业工艺中气体含量分析的理想设备。



在煤气化装置中，H2、O2、CO、CO2、CH4等气体的体积分数是工艺控制的重要参数，能否准确测量其体积分数成为考核整套装置节能效率的重要指标之一。在工业生产中,要求对被测气体进行不间断的测量，采用各种办法有效控制气体中各气体的成分，使得易燃易爆气体H2和CO浓度在可控范围之内，也有利于安全生产，产生良好的经济效益，对提高产品质量、产量、保障安全生产及节能降耗具有十分重要的现实意义。

4  结语
{1}根据兰炭焦炉煤气成分及生产和利用现状，本文提出的兰炭焦炉煤气综合利用方案可提高对兰炭焦炉煤气的利用价值，减轻对环境的污染，井可促进产业生产健康发展，有利于提高资源的综合利用。
{2}内热式方型兰炭炉是榆林地区应用最多的炉型，技术上也有较大改进，已成为榆林一大产业，带动了地方经济的发展。内热式方型兰炭炉短期内难以用其它新技术替代，应有一个改造过渡期。应根据市场需求和原料来源进行技术升级，积极开发新的多联生产技术。
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