煤焦化企業(yè)煤氣化學(xué)加工利用路線探討

王海斌

(潞安環(huán)能股份公司 焦化產(chǎn)業(yè)部，山西 長治 046204)

煤氣化、煤液化、煤焦化是現(xiàn)代煤炭深加工的三大途徑，各有其相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟條件限制和加工工藝優(yōu)勢，其中煤焦化的上游是煤炭開采和洗選業(yè)，下游是煉鋼、鐵合金、電石等冶煉行業(yè)，煤焦化是處于能源產(chǎn)業(yè)鏈和冶煉產(chǎn)業(yè)鏈之間的一個相對獨立的行業(yè)或產(chǎn)業(yè)。從經(jīng)濟的角度講，在工業(yè)系統(tǒng)中，煤焦化一肩挑兩重，東方不亮西方亮，有其獨特的經(jīng)濟優(yōu)勢，一般情況下不會造成虧損；從技術(shù)的角度講，煤焦化過程中副產(chǎn)的硫磺、粗苯、焦油是必要的精細化工原料，在發(fā)達經(jīng)濟體中，已經(jīng)用這些原料生產(chǎn)出多達幾百種具有極高附加值的精細化工產(chǎn)品。在粗放型生產(chǎn)的年代，焦?fàn)t煤氣大都通過放散直接燃燒，造成極大的資源浪費和環(huán)境污染。近年來我國政府提出明確要求，焦?fàn)t煤氣不但不能放散，而且不支持發(fā)電等直接燃燒使用，要求必須化學(xué)加工。

關(guān)于焦?fàn)t煤氣的化學(xué)加工利用，不同焦化企業(yè)各有千秋，各具特色，但萬變不離其宗，都是追求碳氫組合的效益最大化，這一點從焦?fàn)t煤氣的構(gòu)成中可以明確看出，焦?fàn)t煤氣經(jīng)過“三脫”凈化處理后的基本組分見表1。

表1 焦?fàn)t煤氣凈化處理后的基本組分

就焦化煤氣化學(xué)加工利用的各種碳氫組合工藝而言，主流思路可以歸集為三種路線，即甲醇路線、LNG路線和耦合煤液化或煤氣化路線。

1 三種路線的工藝流程比較

1) 甲醇路線。即焦化煤氣生產(chǎn)甲醇聯(lián)產(chǎn)合成氨，需經(jīng)甲烷轉(zhuǎn)化，氣體中的CO、CO2和H2均為合成甲醇的有效氣體成分，甲醇合成主要反應(yīng)為：CO + 2H2=CH3OH ， CO2+ 3H2=CH3OH + H2O。新鮮合成氣中氫碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=2.05～2.15?；玖鞒桃妶D1。

圖1 焦化煤氣生產(chǎn)甲醇工藝流程

2) LNG路線。即焦化煤氣生產(chǎn)液化天然氣(LNG)副產(chǎn)氫氣，需經(jīng)過甲烷化，將氣體中的CO 和CO2轉(zhuǎn)化成甲烷，氣體中的CO、CO2和H2也均為合成甲烷的有效氣體成分，甲烷合成主要反應(yīng)為：CO+3H2=CH4+H2O，CO2+4H2=CH4+2H2O。新鮮合成氣中氫碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=3.1～3.3?；玖鞒桃妶D2。

圖2 焦化煤氣生產(chǎn)液化天然氣工藝流程

3) 關(guān)于耦合煤液化或煤氣化路線，主要是焦化煤氣運用于費托合成。以潞安集團具有知識產(chǎn)權(quán)的鈷基固定床費托合成工藝為例，該工藝依托潞安集團與兄弟單位共同研發(fā)，生產(chǎn)費托蠟，其產(chǎn)品石蠟經(jīng)過異構(gòu)脫蠟后為潤滑油基礎(chǔ)油。主要化學(xué)反應(yīng)包括F-T 合成的主反應(yīng)和一些主要副反應(yīng)。具體是生成烷烴nCO+(2n+1)H2=CnH2(n+1)+2nH2O；生成烯烴nCO+(2n)H2=CnH2n+nH2O；生成甲烷CO+3H2=CH4+H2O；生成甲醇CO+2H2=CH3OH；生成乙醇2CO+4H2=C2H5OH+ H2O；積炭反應(yīng)2CO =C+CO2。除了以上 6 個反應(yīng)以外，還有生成更高碳鏈的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物的次要副反應(yīng)?；玖鞒桃妶D3。

通過上述工藝流程比較，可以看出，LNG副產(chǎn)氫氣路線流程最短，工藝最簡單。

2 經(jīng)濟比較

按10萬Nm3/h焦?fàn)t煤氣的處理量以及目前產(chǎn)品價格計算，比較三種路線的投入產(chǎn)出比，見表2。

由表2可以看出：路線一，甲醇聯(lián)產(chǎn)合成氨，甲醇為基礎(chǔ)化工原料，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大，價格相對穩(wěn)定，但投資較大，投入產(chǎn)出比相對較高。路線二，LNG副產(chǎn)氫氣投資最小，效益最好，投入產(chǎn)出比相對最低，能獲得低成本氫，如果配合山西省氫能源規(guī)劃，下游配套加氫站，經(jīng)濟效益比較明顯。路線三，鈷基費托蠟聯(lián)產(chǎn)合成氨，全球范圍內(nèi)僅有3家公司掌握該技術(shù)，潞安集團就是其中一家，且潞安集團也正在積極推廣該技術(shù)，該方案除項目自身經(jīng)濟效益較優(yōu)外，對潞安費托蠟技術(shù)的推廣也有很大促進作用，但投資較大，投入產(chǎn)出比相對較高，就焦?fàn)t煤氣的使用而言，LNG路線更具工藝簡潔性和經(jīng)濟效益可期性。

表2 三種路線的投入產(chǎn)出比

圖3 耦合煤液化或煤氣化工藝流程

綜上所述，焦?fàn)t煤氣的化學(xué)加工，在目前氫能源如火如荼的發(fā)展形勢下，第二種方案比較有市場傾向性。特別需要說明的是，氫的熱值高(140.4 MJ/kg)，是同質(zhì)量液化石油氣的2.5倍、汽油的3倍、焦炭的4.5倍，可以高效地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，是極佳的儲能介質(zhì)，大大提高了能源系統(tǒng)的靈活性。且與其他燃料相比，氫能源是最清潔的，燃燒產(chǎn)物只有水，而水又可以利用錯峰棄電電解生成氫氣，實現(xiàn)能源利用的可循環(huán)和全周期的綠色清潔。因此，氫作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源或儲能介質(zhì)，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實現(xiàn)交通運輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇，氫能逐漸成為全球能源技術(shù)革命的重要方向，焦化產(chǎn)業(yè)對接氫能產(chǎn)業(yè)鏈具有廣闊的前景。

3 結(jié) 語

對焦化企業(yè)，焦?fàn)t煤氣化學(xué)加工，走LNG副產(chǎn)氫氣路線是不錯的選擇。在LNG路線中提取的氫氣，屬于副產(chǎn)品回收利用，相對于其他制氫方式而言，是一種低成本高利潤的制氫方式，不但在氫能源發(fā)展的道路上將有明顯的社會經(jīng)濟效益，而且能對焦化企業(yè)經(jīng)營效益起到托底性作用，既能保證焦?fàn)t煤氣化學(xué)加工利用，又能使焦化企業(yè)隨著加氫站建設(shè)、氫燃料電池技術(shù)發(fā)展及整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈的逐步形成，逐漸融入氫能市場體系。