焦?fàn)t煤氣利用途徑的效率和效益分析

楊養(yǎng)龍

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030024）

引 言

焦?fàn)t煤氣是煉焦過程的副產(chǎn)品，是煉焦產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)脫焦油、脫苯、脫硫、脫氨、洗萘等凈化環(huán)節(jié)后的煤氣。凈化后的煤氣仍含有大量的雜質(zhì)，與天然氣相比仍不是比較清潔的燃料。凈化后焦?fàn)t煤氣主要組分及雜質(zhì)含量見表1。

表1 焦?fàn)t煤氣主要組分及雜質(zhì)含量

總的來說，目前，國內(nèi)焦?fàn)t煤氣的利用途徑主要有作為燃料氣和化工原料兩大方面。實際生產(chǎn)過程中，這兩種利用途徑又可以具體劃分為多種不同的利用方式，而這些方式可能是以單一的利用形式出現(xiàn)，也可能是以不用類型的利用方式組合的形式出現(xiàn)。

1 焦?fàn)t煤氣利用的主要方向

1.1 燃料氣

1.1.1 工業(yè)燃料氣

主要是為工業(yè)企業(yè)提供燃料，如冶金用燃料（鋼鐵企業(yè)加熱、退火等；金屬鎂冶煉加熱等）、機(jī)械加工用燃料（如工業(yè)窯爐用鍛造加工、金屬壓延加工等）、建材工業(yè)用燃料（高鋁礬土煅燒、煅燒石灰、玻璃熔窯等）、化工用燃料（輕質(zhì)氧化鎂生產(chǎn)等）、食品工業(yè)用燃料等。

1.1.2 民用燃料氣

主要為居民、工營事團(tuán)提供生活用燃料。

1.1.3 發(fā)電

利用煤氣的燃燒熱，通過熱量轉(zhuǎn)化為電力。主要有以下幾種方法：

1）直接燃燒生產(chǎn)蒸汽，通過汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電；

2）直接燃燒推動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，廢氣回收熱量產(chǎn)生蒸汽再發(fā)電，稱為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電；

3）通過氣體內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

1.2 化工原料氣

焦?fàn)t煤氣主要成分是氫氣、一氧化碳和甲烷，是優(yōu)質(zhì)的化工合成原料氣，經(jīng)簡單轉(zhuǎn)化，即可成為生產(chǎn)甲醇、合成氨、醋酸等的基礎(chǔ)化工原料。目前，國內(nèi)焦?fàn)t煤氣主要以生產(chǎn)合成氨、尿素、甲醇及天然氣為主。

1.2.1 制氫

焦?fàn)t煤氣是制氫的理想原料，其中含有的55%～60%的氫氣可通過變壓吸附法生產(chǎn)純度為99.9%或更高的氫氣。目前，氫氣的主要用途是為BDO生產(chǎn)企業(yè)提供氫源（石油催化加氫的氫源來源于石油生產(chǎn)裝置，不需要外供）。其他則為小用戶市場，無法形成規(guī)模應(yīng)用。此外，氫燃料電池是未來氫氣利用的一個重要方向。但是，該產(chǎn)業(yè)目前尚未發(fā)展成熟。

1.2.2 制合成氨和尿素

焦?fàn)t煤氣制合成氨首先要得到氫氣，再進(jìn)行氨的合成，然后進(jìn)一步合成尿素。因此，焦?fàn)t煤氣制合成氨和氫氣的關(guān)鍵工藝是一致的。從國內(nèi)焦?fàn)t氣非催化轉(zhuǎn)化制合成氨原料氣工業(yè)裝置的運(yùn)行情況來看，焦?fàn)t煤氣制合成氨等化肥生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，對技術(shù)和企業(yè)管理水平的要求均較高。

1.2.3 制甲醇

焦?fàn)t煤氣制甲醇包括焦?fàn)t氣壓縮與深度凈化、生產(chǎn)合成氣、甲醇合成與精餾工序。與前述幾種利用方式相比，焦?fàn)t煤氣制甲醇具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，焦?fàn)t煤氣制甲醇已經(jīng)成為我國新建焦?fàn)t煤氣應(yīng)用裝置的主要發(fā)展方向之一。

1.2.4 制天然氣

由于焦?fàn)t煤氣含有大量的甲烷（CH4），可通過直接分離的方法生產(chǎn)天然氣；也可通過將H2、CO、CO2進(jìn)行合成生產(chǎn)甲烷，并補(bǔ)充碳源消耗氫氣，最大化利用焦?fàn)t煤氣的有效成分，合成天然氣。

2 典型焦?fàn)t煤氣利用途徑效率效益的分析和研究

2.1 焦?fàn)t煤氣發(fā)電

2.1.1 運(yùn)行方式和典型流程

焦?fàn)t煤氣富含氫氣、甲烷，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。但受焦?fàn)t煤氣凈化工藝條件限制，煤氣中存在著大量的焦油、萘、硫化物等雜質(zhì)，給其應(yīng)用帶來一定的難度。

目前，焦?fàn)t煤氣發(fā)電主要采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)3種發(fā)電模式，尚無燃?xì)?蒸汽聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電方式投運(yùn)。

1）蒸汽輪機(jī)發(fā)電

汽輪機(jī)發(fā)電在焦化行業(yè)應(yīng)用最早且最成熟，尤其與燃煤鍋爐配套使用時負(fù)荷調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，是目前最成熟可靠的發(fā)電方法。機(jī)組投資約為2 200元/kW～5 500元/kW，適合運(yùn)行功率一般為1 500kW 以上。機(jī)組規(guī)模越大，效率越高，目前運(yùn)行的最大機(jī)組為6 000kW。其工藝流程見圖1。

圖1 蒸汽輪機(jī)發(fā)電工藝流程示意圖

汽輪機(jī)發(fā)電的優(yōu)點是對煤氣凈化程度要求不高，尤其是在有燃煤鍋爐的生產(chǎn)廠，可以實現(xiàn)與煤炭的混燒。但汽輪機(jī)發(fā)電工藝較復(fù)雜、建設(shè)周期長、投資高、能源利用效率低、小型機(jī)組效率通常不到20%；同時，機(jī)組運(yùn)行須消耗大量的水，建成后難以再移動，檢修復(fù)雜，管理人員較多。

由于采用直接燃燒，煤氣壓力要求在4 000Pa即可。

汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家較多，技術(shù)均較成熟。

2）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)原理與柴油機(jī)類似，不同之處在于需采用電點火方式引燃而非壓燃方式。目前，這種發(fā)電技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，是一種小型發(fā)電機(jī)設(shè)備。目前，生產(chǎn)企業(yè)可提供各種可燃?xì)怏w發(fā)電機(jī)組的容量從幾十千瓦至2 500kW，天然氣機(jī)組最為成熟。機(jī)組投資為2 300元/kW～2 900元/kW，焦?fàn)t氣機(jī)組目前應(yīng)用最多的為500千瓦機(jī)組。

對焦?fàn)t氣機(jī)組，進(jìn)氣壓力要求4 000Pa；對H2S及雜質(zhì)有一定要求，當(dāng)H2S高時，只要不停機(jī)，對設(shè)備影響不是很大，但頻繁停機(jī)可造成管線腐蝕。

機(jī)組需20d左右保養(yǎng)1次，大修周期為30 000h。

機(jī)組運(yùn)行成本0.09元/kWh～0.12元/kWh，耗焦?fàn)t氣1.3m3/kW，可配套副產(chǎn)中壓蒸汽，用于生產(chǎn)過程或制冷空調(diào)。其工藝流程見圖2。

圖2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電工藝流程示意圖

該發(fā)電方式具有規(guī)模設(shè)置靈活、設(shè)備集成度高、安裝快捷、投資少、啟停方便、調(diào)節(jié)簡單、熱效率高等特點；同時，操作維護(hù)簡單，設(shè)備容易移動。但機(jī)組運(yùn)行出力較低，一般在60%左右。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)生產(chǎn)廠家主要有勝利油田動力機(jī)械廠、濟(jì)南柴油機(jī)廠、江蘇寶駒氣體發(fā)動機(jī)有限公司等。

3）燃?xì)廨啓C(jī)

前期焦化行業(yè)應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，由飛機(jī)發(fā)動機(jī)改造而成。機(jī)組投資一般在2 500元/kW～5 000元/kW，單套機(jī)組規(guī)模多為2 000kW。設(shè)計配套高溫?zé)煔庥酂峄厥崭碑a(chǎn)0.8MPa蒸汽供生產(chǎn)使用，提高了機(jī)組整體效率。機(jī)組發(fā)電效率約為17%，綜合熱效率約為35%。目前，清徐梗陽引進(jìn)日本大型燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電，功率25 000kW，發(fā)電效率約27%，供熱效率54.51%，綜合效率約81.51%。

目前，國內(nèi)利用焦?fàn)t煤氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，其流程為圖3。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電工藝流程示意圖

該發(fā)電方式的優(yōu)點是熱效率高，占地少，可以副產(chǎn)蒸汽；缺點是修理技術(shù)復(fù)雜，對煤氣凈化程度要求嚴(yán)；同時，供機(jī)組的煤氣需要加壓至0.2MPa。

用于焦?fàn)t煤氣使用的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家主要有南京汽輪機(jī)廠、株洲南方燃?xì)廨啓C(jī)成套制造安裝有限公司、黎明發(fā)動機(jī)公司等，均為航空改型發(fā)動機(jī)。引進(jìn)機(jī)組為日立燃?xì)廨啓C(jī)。

2.1.2 發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率與效益（見表2）

表2 焦?fàn)t煤氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率效益表

2.2 焦?fàn)t煤氣化工利用［1］

2.2.1 焦?fàn)t煤氣制甲醇

1）工藝說明

焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝流程示意見圖4。

圖4 焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝流程示意圖

壓縮的任務(wù)是將焦?fàn)t氣先壓縮到2.5MPa送出，經(jīng)精脫硫、轉(zhuǎn)化工序后，壓力降至2.0MPa，再經(jīng)合成氣壓縮機(jī)加壓至6.0MPa送甲醇合成裝置。

脫硫裝置包括焦?fàn)t氣過濾、無機(jī)硫預(yù)脫除、鐵鉬加氫一級轉(zhuǎn)化串中溫脫除法、鐵鉬加氫二級轉(zhuǎn)化串氧化鋅法脫去無機(jī)硫以及觸媒的升溫還原系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)化裝置采用純氧催化部分氧化轉(zhuǎn)化工藝。本裝置包括焦?fàn)t氣和氧氣預(yù)熱、焦?fàn)t氣轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化氣熱回收以及工藝?yán)淠禾幚聿糠帧?/p>

合成氣壓縮機(jī)為離心式二合一機(jī)組，由汽輪機(jī)驅(qū)動。汽輪機(jī)為冷凝式。

甲醇合成采用低壓法合成工藝，甲醇精餾采用三塔精餾工藝。

生產(chǎn)中產(chǎn)生的馳放氣作為燃料氣供鍋爐使用。若馳放氣能充分利用，有利于項目產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）能量利用效率（見表3）

表3 焦?fàn)t氣制甲醇的能量利用率①（以1t甲醇計算）

3）焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇效益分析

以10萬t/a甲醇項目為例，滿負(fù)荷生產(chǎn)可實現(xiàn)利潤為3 300萬元/a（甲醇售價2 300元/t），投資收益率約13%。一旦市場價格下跌、產(chǎn)能過剩，項目將難以盈利。

2.2.2 焦?fàn)t煤氣合成氨

1）生產(chǎn)流程（見圖5）

圖5 焦?fàn)t煤氣合成氨工藝流程示意圖

2）能量利用效率（見表4）

合成氨的理論能耗為21.28MJ/t氨。最先進(jìn)的天然氣能耗為27.17MJ/t氨，能量利用率為78.32%；按照中煤九鑫1830項目，項目能耗為33.49MJ/t氨，熱能利用率為63.54%（等價值為41.82MJ/t氨，熱能利用率為50.89%）。

表4 焦?fàn)t氣制合成氨的能量利用率（以1t合成氨計算）

3）效益測算

以200萬t/a焦化配套合成氨裝置為例，年操作時間7 200h，生產(chǎn)合成氨20.9萬t，生產(chǎn)尿素36.7萬t，項目經(jīng)濟(jì)測算見表5、表6。

表5 噸合成氨生產(chǎn)成本（僅計算直接生產(chǎn)成本）

表6 噸尿素生產(chǎn)成本（完全成本）

目前，尿素的市場價格約為1 850元/t，項目難以盈利。當(dāng)煤氣價格為0.35元/m3時，尿素成本為1 708元/t，項目方可盈利。

2.2.3 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)天然氣

1）生產(chǎn)流程（見圖6）

圖6 焦?fàn)t氣生產(chǎn)LNG工藝框圖

2）能量利用效率（見第53頁表7和表8）

焦?fàn)t煤氣制CNG的能量利用率（以1 000m3CNG計算）

3）效益測算

以200萬t/a焦化補(bǔ)碳工藝測算，年消耗焦?fàn)t煤氣4.0億m3，生產(chǎn)天然氣1.98億 m3，天然氣完全成本約 2.14 元/m3（焦?fàn)t氣 0.50 元/m3；或2.22元/m3，焦?fàn)t氣按照0.54元/m3計算）。按照2.74元/m3的銷售價格考慮，項目可實現(xiàn)盈利約0.45元/m3，年可實現(xiàn)盈利約9 000萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

根據(jù)西南設(shè)計院的研究結(jié)果，焦?fàn)t煤氣制天然氣項目，總投資收益率可達(dá)22.13%，項目盈虧平衡點為48.08%；項目稅前收益為24.52%，稅后為19.83%，項目投資回收期約為7a，項目具有較好的投資前景。

表7 焦?fàn)t煤氣制CNG的能量利用率（以1 000m3CNG計算）

表8 焦?fàn)t煤氣制CNG的能量利用率①（不補(bǔ)碳，以1 000m3 CNG計算）

2.2.4 不同利用途徑效益的比較（見表9）

為清楚說明焦?fàn)t煤氣制天然氣與甲醇（或合成氨）的效益差距，現(xiàn)以新奧燃?xì)獾难芯砍晒麨橐罁?jù)進(jìn)行對比分析。

測算基準(zhǔn)價格：焦?fàn)t氣0.50元/m3，新鮮水1.40元/t，脫鹽水12.00元/t，電0.52元/kWh；副產(chǎn)氫氣1.00元/m3，弛放氣0.25元/m3，蒸汽80.00元/t。工資3.5萬元/（人·a）?；绢A(yù)備費率6%。

表9 2種產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性對比（以25 000m3/h焦?fàn)t氣為基準(zhǔn)）

3 結(jié)論

1）焦?fàn)t煤氣制天然氣的能量利用率遠(yuǎn)高于制甲醇和合成氨，高出20%～28%，較發(fā)電效率高出2倍～3倍或以上。

2）以目前的市場價格分析，焦?fàn)t氣制CNG的效益要高于焦?fàn)t氣生產(chǎn)甲醇（或合成氨）；焦?fàn)t氣生產(chǎn)甲醇（或合成氨）項目難以盈利。

［1］ 王柱勇，楊濱，劉旺生，等.獨立焦化廠焦?fàn)t煤氣綜合利用方式的選擇研究［J］.應(yīng)用化工，2006，35（S）：381-391.