焦炉气低温氢分离流程制冷循环

    1 前言

    氢能具有热效率高、能量密度大、燃烧清洁、可运输、可储存、可再生等特点,各国都高度重视氢能的发展,将其视为21世纪的绿色能源和战略能源。

    我国现在是世界上最大的焦炭生产国, 2004年,我国焦炭产量2. 09亿吨[1],据国家统计局资料显示,我国焦炭2006年度产量已超过2. 8亿吨[2]。产生的焦炉气同样居世界首位,每生产一吨焦炭所产生的焦炉气量约为450Nm³,[1]则我国焦炉气年排放量将超过1000亿Nm³,焦炉气中氢气的含量一般超过50% (表1),这意味着产生了500亿Nm³以上的氢气。现在的焦炭生产系统中没有充分利用这部分焦炉气,但据专家测算,按照我国年焦炭总产量计算,每年白白烧掉的焦炉煤气有300多亿立方米。相当于国家/西气东输0设计年输气量120亿立方米的2倍多[3]。为了治理这些污染需要耗费巨大的人力、财力和物力。如果将这些焦炉气中的氢能提取出来,即能消除与此相关的污染,又可获得巨量的氢能源,且随着焦炉气作为城市燃气被天然气所取代,将有更多的焦炉气有待利用。而且氢能的价值高于焦炭,对焦炉气进行大规模的氢能回收,将获得显著的经济效益和社会效益。

    2 焦炉气分区液化分离模型

    焦炉气的氢分离方法主要有变压吸附(PSA)法、膜分离法、低温分离法,其中低温分离法处理气体量大,且对大规模的处理系统更具经济性[5]。从未来能源基础应用考虑,低温分离法即能进行大规模的氢分离,又具经济性,具有良好的发展前景。

    焦炉气低温氢分离法是一个低温技术的综合利用,依据焦炉气中各组分冷凝温度的不同(表2),通过低温分离技术将焦炉气中主要成分氢气与其他气体分离。其中涉及的关键过程如:液化、分凝、精馏等,是多种过程的组合。

    焦炉气是多组分混合物,液化分离过程式中各组分是逐步冷凝液化而分离的,分离状态点的确定需要依据各组分冷凝特点而定。由各组分的冷凝压力、温度数据可得冷凝压力)温度变化曲线图(图1),图中曲线表明焦炉气中各组分在一定压力下冷凝温度各不相同,用低温分离法进行氢能的分离时,可依据各冷凝温度以及组分的含量进行分区液化分离,使分离流程紧凑而高效。

    据表1和图1知焦炉液化分离过程中,曲线6(乙烯)和曲线7(丙烷)所代表的碳氢化合物含量低且为易液化组分,为简化分离流程可以视为一个分离温区;由曲线5知同条件下甲烷的冷凝温度较低,与其余气体都有一定差距,且甲烷含量较高,则可作为一个分离温区;曲线2, 3, 4联系紧密,表明氮、一氧化碳和氧在一定的压力下其冷凝温度相差不大,不易单独分离,且含量都不高,可同时在一个温区进行分离。曲线1表明氢的冷凝温度极低,与焦炉气中其它组分的数值相差很大,单独作为一个温区。则整个焦炉气的低温氢分离可分为四个温区:丙烷、乙烯等碳氢化合物温区;甲烷温区;氮、一氧化碳和氧温区、氢温区。基于四个温区的特点可以对液化分离流程的组织进行研究,确定相应的制冷循环。