[发明专利]一种用含H2、N2多组分气制备特定组成氢氮气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用含H₂、N₂多组分气制备特定组成氢氮气的方法；特别地讲本发明涉及一种用内热式煤干馏过程产富氮气荒煤气制取合成氨原料气的方法；更特别地讲本发明涉及一种用内热式煤制兰炭过程产富氮气荒煤气制取合成氨原料气的方法。

背景技术

众所周知，中国钢铁集团鞍山热能研究院于二十世纪八十年代初开始不断研究开发的“以不粘煤或弱粘煤块煤为原料在内热式直立炭化炉炼制铁合金专用兰炭”技术(以下简称中钢造气技术BT)，采用合适煤源(比如中国大同、神府地区的煤炭)，炼制兰炭并副产荒煤气和中低温煤焦油，是一种兰炭产品质量优良、产能高、煤焦油产率高、有效组分气体产量大、工程造价较低、配套环保技术完善的成熟工业化技术，业已得到大量应用。该技术具有内热式煤制兰炭工艺的一般特征：以空气为供氧体，燃烧室控温组分(燃烧室燃烧过程存在的非可燃、非氧化剂组分)的主体为氮气，炭化室控温组分(炭化室气固传热过程存在的非可燃、非氧化剂组分)的主体为氮气，产生的荒煤气是富氮气的以CO₂-CH₄-CO-N₂(通常为主体组分)-H₂为代表组分的物系，典型荒煤气体积组成见表1。

以空气为供氧体的煤制兰炭过程产生的荒煤气H₂/N₂分子比KA，随煤种、干馏温度、干馏时间等操作因素的变化而变化而且通常小于3.0，KA系数一般为0.3～1.2之间、通常为0.5～1.0，当然，少数情况下可能超出上述范围。

煤制兰炭过程产生的荒煤气(CO+H₂)/N₂分子比KB，随煤种、干馏温度、干馏时间等操作因素的变化而变化而且小于3.0，KB系数一般为0.6～1.6之间、通常为0.8～1.4，当然，少数情况下可能超出上述范围，本发明主要针对KB小于3的煤制兰炭过程。

煤制兰炭过程产生的荒煤气(CO+H₂+烃类水蒸气转化H₂)/N₂分子比KC，随煤种、干馏温度、干馏时间等操作因素的变化而变化而且小于3.0，KB系数一般为0.9～2.6之间、通常为1.2～2.2，当然，少数情况下可能超出上述范围，本发明主要针对KC小于3的煤制兰炭过程，但是同样适用于KC大于3的煤制兰炭过程。

表1以空气为氧化剂的兰炭过程荒煤气体积组成

CO₂-CH₄-CO-N₂(通常为主体组分)-H₂为代表组分的物系，是一个良好的制备合成氨原料气的原料，但是煤制兰炭过程产生的荒煤气(CO+H₂)/N₂分子比与合成氨原料气理想组成H₂/N₂分子比为3.0相差太远，氮气大量过剩，需要分离过量的氮气同时分离CH₄、CO、CO₂等组分，即需要设置相关分离步骤，然而，多年来一直未出现使用变压吸附技术的能够控制产品气H₂/N₂分子比的方法。比如申请号为201010220144.X的发明名称为合成氨工艺的发明申请公开了一种荒煤气制备合成氨原料气方法，然而并未提出控制产品气H₂/N₂分子比的具体方案。

而中国煤制兰炭规模将达到3000～4000万吨/年，其副产的荒煤气，即使不考虑甲烷等烃类组分，理论上可以产生750～1000万吨/年合成氨或2250～3000万吨/年碳铵或2250～3000万吨/年尿素，可以节约～1000万吨/年原煤，因此效益巨大。

本发明提出了先对荒煤气进行综合处理，然后对综合处理气有控制地分路加工制备高纯氢气和高纯氢氮气，然后混合成预期H₂/N₂分子比的合成氨原料气的方法，解决了这一技术难题。

煤制兰炭过程副产的荒煤气，由于烃类组分体积浓度低(一般低于10％)，简单地直接对煤制兰炭过程产荒煤气设置烃类水蒸气转化过程，其制氢效率能量利用率较低、系统规模庞大。合理的烃类水蒸气转化方法是先提浓烃类组分、然后完成烃类水蒸气转化，最后联合回收合成气组分CO、H₂，提高荒煤气中氮气组分的利用率。而本发明恰好具备分离和提浓烃类组分的功能。