焦爐煤氣綜合利用技術研究進展

劉凌云 楊海舟 李靜靜 秦玲玲

(1.新干縣環(huán)境保護局，江西 新干 331300；2.四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院，四川 成都 610041；3.鄭州科技學院，河南 鄭州 450064)

我國是世界鋼鐵大國之一，焦炭產(chǎn)量也位居世界前列，且一直呈增長態(tài)勢，其產(chǎn)量由2004年的2.09億t增長到2012年的4.43億t[1]，占世界焦炭生產(chǎn)總量的60%以上，在生產(chǎn)焦炭過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品焦爐煤氣產(chǎn)量達1945億m3，相當于6.5個2012年西氣東輸工程年輸氣量(300億m3)，如此之大的焦爐煤氣產(chǎn)生量若能夠得到充分合理的利用，所帶來的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益都將是巨大的。因此，如何高效、合理地綜合利用焦爐煤氣是事關國家資源綜合利用、節(jié)能減排、環(huán)境保護的重大課題，對實現(xiàn)我國資源的循環(huán)利用和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 焦爐煤氣的組成及綜合利用的可行性

煙煤隔絕空氣加熱到950～1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、黏結(jié)、固化、收縮等過程最終制得焦炭，這一過程叫高溫煉焦。煉焦除了可以得到焦炭外，還可以得到氣體產(chǎn)品—荒煤氣(也稱粗煤氣)?；拿簹饨?jīng)過電捕焦油器脫除焦油、濕法脫硫、酸洗脫氨、洗油脫苯后成為凈焦爐煤氣。凈焦爐煤氣的組成如表1所示[2]。

表1 凈焦爐煤氣的組成

從表1可看出，焦爐煤氣中含有大量的H2和CH4，另外還含有少量的CO、CO2、N2、O2及CnHm等，其中H2、CH4、CO和CnHm為可燃組分，CO2、N2和O2為不可燃組分。焦爐煤氣的組分性質(zhì)，決定了其主要利用途徑有以下幾個方面：發(fā)電、燃料、制氫、制甲醇、制天然氣、生產(chǎn)海綿鐵的還原劑等[3-7]。

2 焦爐煤氣綜合利用現(xiàn)狀

2.1 焦爐煤氣用于發(fā)電

焦爐煤氣作為燃料用于發(fā)電，是焦爐煤氣的一種有效的用途。采用焦爐煤氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的原煤發(fā)電，具有熱效率高、輸送成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點。焦爐煤氣用于發(fā)電有3種方式，分別為蒸汽機發(fā)電、燃氣機發(fā)電和內(nèi)燃機發(fā)電[3，7-8]。

①蒸汽輪機發(fā)電由鍋爐、凝汽式汽輪機和發(fā)電機組組成，利用鍋爐直接燃燒焦爐煤氣生產(chǎn)蒸汽，驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電[9]。該技術成熟可靠，已在國內(nèi)焦化行業(yè)中廣泛應用，但發(fā)電效率只有20%，發(fā)電入網(wǎng)難、效益不高。

②燃氣輪機發(fā)電是直接燃燒焦爐煤氣來驅(qū)動燃氣輪機，然后帶動發(fā)電機組發(fā)電，這種方式具有效率高、設備占地少、效益好和啟動速度快等優(yōu)點，但是存在著進口壓力要求高、可靠性較差和使用壽命等問題。

③燃氣內(nèi)燃機的工作原理與汽車發(fā)動機相似，由火花塞點火，用煤氣機帶動發(fā)電機發(fā)電。由于內(nèi)燃機是燃料的熱能直接轉(zhuǎn)換為機械能，能量轉(zhuǎn)化率高，投資回收期短，所以在焦化企業(yè)中得到了廣泛應用。

2.1 焦爐煤氣用作燃料

焦爐煤氣的傳統(tǒng)利用方式是作為不同加熱設備的氣體燃料，與固體燃料相比較，有使用便捷、可以管道輸送和傳熱效率高等優(yōu)點，受到民用和工業(yè)的青睞。

民用燃料：凈化后的焦爐煤氣可通入城市供氣管網(wǎng)作為居民用氣。焦爐煤氣熱值較高，一氧化碳含量低，是人工煤氣中最適合作為民用燃氣的氣體，但與天然氣相比，焦爐煤氣無論從熱值、燃燒產(chǎn)物，還是潔凈度方面，都不如天然氣。近年來，雖然西氣東輸為一些地區(qū)使用天然氣提供了便利條件，天然氣替代了大量的焦爐煤氣，但在天然氣輸送不到的地方，焦爐煤氣仍可作為主要的民用燃氣使用。

工業(yè)燃料：焦爐煤氣作為工業(yè)燃料，主要應用在3個方面：①焦化企業(yè)在化學產(chǎn)品回收和凈化過程中，作為加熱用的燃料；②焦化企業(yè)用剩余的焦爐煤氣作為發(fā)電燃料；③作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的煉鋼、燒結(jié)、軋鋼燃料。

2.2 焦爐煤氣用于制氫

氫能是一種清潔無污染的能源，代表未來能源的發(fā)展方向。利用焦爐煤氣制氫，在我國已有多年的歷史，其生產(chǎn)技術成熟，具有較高的經(jīng)濟性，特別是與水電解法制氫相比，經(jīng)濟效益顯著。據(jù)統(tǒng)計[10]，水電解法制氫耗電為6.5kwh·m-3，而焦爐煤氣制氫耗電僅為0.5kwh·m-3，生產(chǎn)規(guī)模為1000m3/h的制氫裝置，每年節(jié)約電費500～800萬元，相當于1000m3/h的制氫裝置的總投資。我國已確立把焦爐煤氣重整技術作為開發(fā)氫能源的重要途徑。焦爐煤氣含有50%以上的氫氣，制氫的主要方法是采用變壓吸附技術來分離氫氣。

2.3 焦爐煤氣生產(chǎn)甲醇

焦爐煤氣組分本身含有甲烷24%～28%，煤氣中甲烷及高碳烴轉(zhuǎn)化成合成氣后，在6.0MPa壓強下即可完成甲醇合成，流程短，反應速度快，焦爐煤氣利用率高，數(shù)據(jù)表明，2000-2200m3焦爐煤氣可生產(chǎn)1t甲醇。通過對我國特定地區(qū)相同規(guī)模的焦爐煤氣、天然氣、煤為原料制甲醇的消耗成本投資比較可以發(fā)現(xiàn)，焦爐煤氣制甲醇具有明顯優(yōu)勢。目前，焦爐煤氣甲烷轉(zhuǎn)化工藝主要有催化氧化轉(zhuǎn)化法、非催化轉(zhuǎn)化法、蒸汽轉(zhuǎn)化法3種，催化氧化轉(zhuǎn)化法因其流程短、投資低而被廣泛采用。

2.4 焦爐煤氣用于制天然氣

天然氣作為國際社會認同的一種清潔能源和化工原料，具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全可靠、改善生活等特點。大力發(fā)展天然氣，符合世界能源發(fā)展的趨勢。焦爐氣(或焦爐煤氣)制天然氣技術是近年來發(fā)展起來的一項焦爐氣綜合利用新技術。焦爐氣制天然氣工藝技術主要有2種。一種是以“焦爐氣甲烷化制備天然氣”為代表的“甲烷化工藝”，另一種是以“焦爐煤氣聯(lián)合凈化分離制備天然氣”為代表的“分離工藝”。

焦爐煤氣制天然氣技術先進，工藝簡單，在提高能源利用率、保護環(huán)境、獲得經(jīng)濟效益的同時，也帶來了較大的社會效益，焦爐煤氣的綜合利用促進了產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)了廢氣再利用，達到了節(jié)能減排的目標。同時，對建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會起到積極的推動作用，利用焦爐煤氣制取天然氣將成為未來一段時期焦爐煤氣綜合利用的方向。

2.5 焦爐煤氣生產(chǎn)海綿鐵的還原劑

經(jīng)過甲烷化反應后，焦爐煤氣中的CH4轉(zhuǎn)化成H2和CO，可作為還原劑直接還原含雜質(zhì)較少的高品位鐵礦來生產(chǎn)海綿鐵。以年產(chǎn)焦炭200萬t的焦化廠估算，每年可外供焦爐煤氣4.5億m3，裂解后能夠得到還原氣6.9億m3，可生產(chǎn)海綿鐵27萬t，以230元/t利潤計算，每年可獲利6000多萬元，經(jīng)濟效益相當可觀。目前，我國直接還原鐵的產(chǎn)量很低，僅為20萬t/a左右，而實際需求量已超過500萬t，國內(nèi)海綿鐵需求基本上依賴進口。

3 焦爐煤氣利用前景展望

3.1 清潔化

隨著人們環(huán)保意識的增強以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，國家對每年焦爐氣排空量提出了嚴格的限制，《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》明確規(guī)定，新上焦爐必須同步配套焦爐煤氣回收裝置，《焦化行業(yè)準人條件》對焦爐煤氣凈化的指標還作了具體規(guī)定?？梢?，焦爐煤氣凈化問題越來越受到重視，其清潔化利用符合國家低碳經(jīng)濟的發(fā)展戰(zhàn)略，特別是焦爐煤氣經(jīng)脫硫、脫氰后，不但更加清潔環(huán)保，而且其可燃成分更高、雜質(zhì)更低，其利用價值自然得以提高。目前，國內(nèi)大中型焦化企業(yè)普遍認為：焦爐煤氣的清潔化利用是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、提高資源綜合利用率的迫切要求，也是企業(yè)生存的需要。

3.2 走以甲醇為原料的新的化工發(fā)展之路

利用甲醇作為原料來生產(chǎn)低碳烯烴的MTO技術，已成為發(fā)展新型煤化工產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)國家“以煤代油”戰(zhàn)略的必由之路，其乙烯、丙烯產(chǎn)品以及下游的聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸、乙二醇等產(chǎn)品，市場前景廣闊，我國正在進行該技術的研發(fā)工作。

3.3 多聯(lián)產(chǎn)

相比于傳統(tǒng)的焦爐煤氣利用工藝，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可實現(xiàn)焦爐煤氣的科學合理使用，大幅度提高資源和能源的利用效率，因此，焦爐煤氣的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)已成為我國能源領域中的熱點。南京鋼鐵聯(lián)合有限公司氫氣一電力多聯(lián)產(chǎn)項目的實施，不僅能產(chǎn)出低成本高附加值的產(chǎn)品氫氣，而且，焦爐煤氣提純氫氣后，其熱值上升60%以上，用于火力發(fā)電，將大大減少煙氣中水蒸汽含量與煙氣熱損失，緩解鍋爐尾部煙道因蒸汽分壓過高而引起的結(jié)露問題，提高鍋爐熱效率。這種多聯(lián)產(chǎn)體系體現(xiàn)了焦爐煤氣利用技術的發(fā)展方向[11]。

4 結(jié)語

(1)隨著煉焦工業(yè)的發(fā)展和西氣東輸工程的實施，焦爐煤氣已成為重要的能源資源和化工原料，充分利用這一資源對經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護有著巨大的推動作用。焦爐煤氣的綜合利用不要局限于某個行業(yè)、某個產(chǎn)品，而要拓寬思路，選擇生產(chǎn)前景好、相對投資小、產(chǎn)品市場好、風險低、能耗低、裝置操作彈性大和投資回報率高的技術成熟可靠的產(chǎn)品。

(2)焦爐煤氣氫含量高，是寶貴的化工原料和氫源，具有多方面的利用途徑。以焦爐煤氣和氣化氣為基礎的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，將會具有更廣闊的發(fā)展前景。

[1]2012年1月-12月中國焦炭累計產(chǎn)量達4.43億t[EB/OL].中國情報網(wǎng)，2013(2013-01-18)[2013-02-05].

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