焦炉煤气的生产与利用及工艺螺杆压缩机的选择R2

焦炉气的生产与利用及工艺螺杆压缩机的
选择
焦炉煤气是几种烟煤配制成炼焦用煤、在炼焦过程中煤炭隔绝空气高温干馏出来的除焦炭和焦油产品的气体产物。

正常生产的情况下，每炼1 t焦炭，消耗1.33 t煤炭，产生400～420 m3焦炉煤气，约一半的气体需炉助燃以维持焦炉炭化室的温度，剩余约一半的焦炉煤气可用于进一步的深加工。

在中国，每年副产焦炉煤气约为900亿m3,产生这些大量剩余焦炉煤气的主要有两类焦化厂：一是以生产焦碳为主的独立焦化企业厂，其生产的焦炉煤气不能供应城市用户，又没有合适的工业用户；二是目前供应城市煤气用户的焦化厂，在采用天然气取代焦炉煤气供应城市煤气用户后，焦炉煤气没有合适的用户[1]。

焦炉煤气中的可燃成分高达90%(体积分数)以上，净煤气的热值在16.7 MJ/m3以上，是很好的燃料。

其主要成分组成如表1所示：
表1 焦炉煤气主要组成：
Table 1. The main composition of coke oven gas:
1.焦炉煤气的传统利用途径
焦炉煤气的利用途径有很多，传统的利用方式有用作燃料、发电、制甲醇、用于工业还原[2]，如图1所示：
图1 焦炉煤气的传统利用途径
Fig.1 The traditional utilization ways of Coke oven gas
焦炉煤气用作燃料时，与固体燃料相比，使用便捷、可以管道运输、传热效率高；
用于发电比较可行，主要有蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机发电3种方式；
氢气是重要的清洁燃料和化工产品原料。

焦炉煤气中氢气的体积分数含量超过50%,是一种重要的氢源。

由于国内甲醇产能过剩，利用焦炉煤气制作工业原料甲醇经经济效益并不乐观。

故近年
来，焦炉煤气制天然气（管道天然气、压缩天然气CNG、液化天然气LNG）备受关注。

该技术能量利用效率高，工艺流程简单，市场前景看好，正逐渐成为焦炉煤气综合利用具有较强竞争力的新领域之一。

在焦炉煤气制LNG及制氢新工艺中，螺杆压缩机是整个工序中第一个重要设备，下文以螺杆压缩机在焦炉煤气生产利用中的应用为例，阐述焦炉煤气制LNG及制氢新工艺特点。

2焦炉煤气制LNG工艺
天然气主要以甲烷（CH4）为主，液化天然气LNG是天然气经过预处理，脱除重质烃、硫化物、二氧化碳、水等杂质后，在常压下深冷到-162 ℃液化而成，其液态体积仅为气态体积的1/625，大大节约储运空间及运输成本，提高燃烧性能。

焦炉煤气制LNG可采用甲烷化合成天然气或直接分离提纯甲烷两种技术路线。

一般而言，甲烷化合成天然气更适合国内独立的焦化企业。

2.1甲烷化工艺路线
焦炉煤气中含有一定量的杂质，需要对其净化以满足工艺过程的要求，工艺生产装置包括压缩、脱硫、合成，液化四个阶段，总工艺流程如图2所示：
图2 甲烷化工艺流程
Fig. 2 The methanation process
2.1.1压缩工段
管道输送过来的焦炉煤气经气柜储存缓冲，经螺杆压缩机加压至0.4 Mpag左右送入脱油脱萘塔、粗脱硫塔对焦炉煤气进行初步净化，而后经往复机加压至2.8 Mpag左右送入脱硫工段对焦炉气进行精脱硫[3]。

国内对焦炉煤气制甲醇或制氢工艺流程中，传统的压缩设备几乎均采用活塞式压缩机。

内蒙一能源有限责任公司建成了国内首套1.2亿m3/年焦炉煤气制LNG装置，该公司根据对制LNG工艺的掌握，根据介质气脏、带液等特点，在焦炉煤气的压缩问题方面，经多方论证后，采用了分步压缩方案，在低压工段采用了螺杆压缩机将介质气升压到0.4～0.45 Mpag，脱除了其中的杂质组分后，再用活塞式压缩机升压。

采用螺杆压缩机压缩焦炉煤气的优点有几个方面：螺杆机结构简单、机组无故障运行时间长，能保证装置长周期安全稳定运行，适应介质气夹带杂质、带液工况，且不需要备机。

与活塞压缩机相比较，不需要维修频繁堵塞的气阀（焦炉煤气中焦油、萘等杂质的含量很高，往复机需要经常停车以更换气阀内件），维修工作量几乎为零。

传统的往复压缩机辅助设备相对较多，检修频率相对也高，若用于焦
炉煤气压缩，气阀更容易堵塞，维修工作量增大，并且还需要备机[4]。

该焦炉煤气制LNG装置(全求首套)自2013年9月开机运行一年以来，初级压缩采用某厂家的螺杆压缩机平稳运行未出现故障。

2.1.2 脱硫工段
精脱硫采用干法脱硫与加氢转化工艺脱除焦炉气中的有机硫和无机硫，出口焦炉气中的含硫量控制在0.1 mg/kg以下送至合成工段。

2.1.3 合成工段
甲烷合成采用“焦炉气合成天然气预还原催化剂及工艺”技术，使焦炉气中的CO、CO2与H2反应生成SNG，出口合成气中总CO2含量控制在30 mg/kg以下直接送往液化工段。

2.1.4 液化工段
采用混合制冷剂制冷液化SNG，采用低温精馏工艺以确保在分离不凝气体时减少甲烷的带出量，以提高LNG的收益，lNG中甲烷的含量大于98%，送至LNG储罐储存后待售。

甲烷化工艺的优势在于可以将CO2的含量控制有国家标准范围内且不需要额外增加脱碳装置、提高了CH4的产量、甲烷化后仅剩CH4、H2、N2，使气体分离过程简化、使得处理的气体量减少，节约能耗。

2.2净化、分离、液化工艺路线
焦炉煤气经螺杆压缩机加压粗脱硫后进入预处理过程，在此除掉煤气中的苯、萘及焦油等杂质后，压缩至较高压力后进入水解脱硫工序，经水解脱除硫化氢，经水解脱除硫化氢，并利用N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶液除掉二氧化碳酸性气体后，经吸附过程脱掉残余硫化物、汞、水分、高碳（C5以上化合物）即可进入膜分离装置。

经过膜分离装置的焦炉煤气组分主要为甲烷、还有少量的H2、N2、CO。

经过膜分离装置的焦炉煤气经降温至-170℃后，进入低温精馏塔，液态甲烷将在精馏塔底部排出，装入液态甲烷槽车。

H2、N2、CO等将从精馏塔顶部抽出，复热后进蒸汽锅炉燃烧以产生动力用蒸汽。

整个系统的绝大多数冷量由一个闭式氮气膨胀制冷循环或氮气甲烷混合们膨胀制冷循环提供[5]。

具体工艺流程如图3所示：
图3 焦炉煤气生产LNG联产氢气净化分离工艺路线
Figure 3 The production of LNG together with hydrogen using coke oven gas by purification separation
process route
该工艺关键技术在于将CO、N2等和CH4分离，在这方面中科院理化技术研究所低温技术相对成熟，先后完成了小型天然气液化试验装置、中国第一套15×105 m3/d的LNG装置、含氧煤层气液化装置（4300 m3/d）一次开车成功。