半焦煤气的脱氮提质和利用

尚俊法

(山西阳煤丰喜肥业〔集团〕有限责任公司山西运城044100)

0前言

半焦是长焰煤、不黏煤、弱黏煤、褐煤以及高挥发分的烟煤经低温(500~700 ℃)干馏所得的可燃性固体产物，又称低温焦，俗称兰炭。半焦的生产起源于20世纪90年代的陕北府谷、神木以及内蒙古鄂尔多斯等新兴的煤资源丰富地区，为缓解我国的焦煤资源紧缺矛盾起到了一定的作用。

半焦生产技术简单，但煤气产率低、焦油产率高，其副产的中低温焦油产率在6%～10%。不同于高温焦油，中低温焦油含有较多的含氧化合物及链状烃，重油含量较少，适合采用加氢技术生产车用发动机燃料油和化学品。吨半焦副产半焦煤气(又称兰炭煤气)在80～1 500 m3(标态)，自用率在40%～50%，富裕的半焦煤气因热值较低、H2+CO含量低，主要于发电和供热，很少用于生产甲醇与合成氨，没有得到很好的综合利用。

1制约半焦煤气综合利用的瓶颈

1.1H2+CO含量低

因生产工艺原因，半焦煤气成分不同于焦炉煤气，热值和有效成分低，而N2含量较高(表1)。

表1　半焦煤气与焦炉煤气成分对比(体积分数)　%

半焦煤气的热值为7 900～8 300 kJ/m3(标态)，而焦炉煤气为17 000～19 000 kJ/m3(标态)，比焦炉煤气热值低53%～56%。半焦煤气中的φ(H2+CO)仅为45%～55%，即使将其中的CH4全部转化为H2和CO，也仅为60%左右，远远低于合成氨、甲醇原料气中φ(H2+CO)>90%的指标。

1.2半焦煤气的脱氮变压吸附技术不经济

半焦煤气中的φ(N2)高达40%～45%，如生产甲醇，不需要其中的N2；如生产合成氨，也只用少量的N2。因此，无论是生产甲醇或合成氨，都要全部或部分脱除其中的N2，以提高H2和CO的含量。如生产甲醇，需将H2/CO(物质的量之比，下同)调至2左右；如生产合成氨，则将(H2+CO)/N2比例调至3左右。要脱除半焦煤气中N2，目前成熟的技术只有变压吸附，但由于气体中的酸性气体(CO2，CO及CH4)种类多、含量高，所以在变压吸附脱氮过程中，这些酸性气体损失太大而不经济。

1.3半焦装置能力小，联产甲醇、合成氨的规模偏小

21世纪初，由于技术、资金等原因，建在陕北、内蒙古地区的半焦生产装置规模都在900～1 600 kt/a。以榆林横山地区的煤为例，生产1 t半焦富裕可用的半焦煤气量约136 m3(标态)，比焦炉煤气量少约30%。以900 kt/a半焦装置为例，富裕可用的半焦煤气量仅为1.53×104m3/h(标态)。

按φ(H2)25%、φ(CH4)7%、生产1 t甲醇消耗1 400 m3(标态)H2、年生产8 000 h计，如要产甲醇，不转化CH4，但由于H2量太少，仅能生产19.0 kt/a；如将CH4转化为H2和CO，也仅能生产28.0 kt/a。

按φ(H2)25%、φ(CH4)7%、φ(CO)15%、生产1 t合成氨消耗1 917 m3(标态)H2、年生产8 000 h计，如要产合成氨，则先要将CO变换为H2和CO2，将CH4转化H2和CO2，再脱除CO2和富余的N2，则能生产29.2 kt/a。

因半焦装置的生产能力偏小，使联产的甲醇、合成氨规模仅为20.0～30.0 kt/a，很不经济。

2脱氮提质技术

半焦煤气因N2含量高、热值低，限制了其用途和价值，要拓宽用途、提高半焦煤气的附加值，关键是要降低其中的N2含量。半焦煤气中的N2含量高是由于半焦生产工程中回炉煤气燃烧时助燃的空气带入，若能将助燃剂改为富氧空气，即可降低半焦煤气中的N2含量。但助燃空气中的氧含量过高，会造成焦炉内的局部温度过高，使煤的低温干馏过程无法正常进行，所以不能用纯氧作为助燃剂，而用富氧空气替代空气，调节好入炉的氧含量，再通入适量的蒸汽，控制好混合气的燃烧温度，能生成接近半水煤气成分的半焦煤气，而且还可提高煤气的产量。

采用半焦煤气PSA-COM稀释燃烧脱氮提质(简称PSA-COM)技术，可较好地解决此问题。脱氮提质后的半焦煤气中N2体积分数可降至3%，H2，CO和CH4体积分数可提升至85%以上，热值提高约1倍。如果再对半焦装置进行简单改造，半焦煤气的产量可提高30%以上。

半焦的熄焦方式仍采用传统的水熄焦，如果再对半焦装置进行“低水分干熄焦”的节能改造，能进一步提高外供半焦煤气量，降低脱氮提质的煤气成本，同时还可提高半焦的质量，减少熄焦装置生产的用水和排污水量。按氧气480元/t、蒸汽120元/t计，则预计脱氮提质后的半焦煤气成本增加约0.08元/m3(标态)。

根据焦炉煤气与半焦煤气的热值比较，按焦炉煤气0.55元/m3(标态)计，则半焦煤气应在0.25元/m3(标态)左右；脱氮提质后，增加0.08元/m3(标态)的成本并不算高。PSA-COM技术的设施为外挂式设备，不新增占地，原有生产装置无需大的改动，即可与原生产装置方便对接，不影响原装置的生产。如有现成的空分装置和富裕的氧气、有低压锅炉和富裕蒸汽，则改造更为简单，投资更省。

3半焦煤气脱氮提质后的利用思路

3.1液化天然气、液体CO2、甲醇路线

因半焦煤气中的CH4和CO2含量较高，鉴于陕北、内蒙古地区的液化天然气和液体CO2的市场不错，根据“陕西黑猫化工”等企业的成功经验，联产的产品顺序为液化天然气、液体CO2、甲醇。

3.2液化天然气、液体CO2、液氨路线

鉴于半焦煤气中的N2含量较高、脱氮效率较低等原因，而陕北、内蒙古地区的液氨紧缺等因素，亦可考虑液氨路线，具体产品为液化天然气、液体CO2、液氨。

3.3液化天然气、液体CO2、高纯度H2路线

鉴于陕北、内蒙古地区半焦生产副产的中低温焦油来源丰富、价格低廉，因缺H2气而不能加氢精制的原因，故可考虑H2路线，具体产品为液化天然气、液体CO2、高纯度H2。

4结语

半焦煤气的“PSA-COM脱氮提质”技术简单、投资小、使用方便，为半焦煤气的经济和综合利用开辟了一条新路，使半焦产业做到“以化养焦”，为半焦产业的可持续发展拓宽了路径，提供了技术保证。

收稿日期(2015- 05- 21)