焦爐煤氣高效多聯(lián)產(chǎn)利用技術(shù)研究

＊劉華鋒

（臨沂恒昌焦化股份有限公司 山東 276100）

前言

焦爐煤氣是焦爐生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其主要成分為氫氣、甲烷、一氧化碳等可利用成分，并具有熱值高、污染低等特點。根據(jù)生產(chǎn)測算，生產(chǎn)1t焦炭可產(chǎn)生400m3的焦爐煤氣。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2019年我國焦炭產(chǎn)量為47126.2萬噸，由此可測算焦爐煤氣產(chǎn)量為1885億m3，除其中約50%用于焦爐加熱外，富余焦爐煤氣量達940～1000億m3。隨著焦爐煤氣凈化與利用技術(shù)的發(fā)展，焦爐煤氣資源化開發(fā)利用具有廣闊的發(fā)展前景。

1.焦爐煤氣現(xiàn)有利用技術(shù)研究

焦爐煤氣是由多種氣體形成的混合氣體，其氣體組成成分與焦爐工況和焦煤質(zhì)量存在密切聯(lián)系。經(jīng)凈化處理后的焦爐煤氣成分主要為氫氣、甲烷，一氧化碳等可燃氣體，可燃氣體成分體積分數(shù)為86%～96%，燃燒可產(chǎn)生118000kJ/Nm3的熱值。除燃燒外，焦爐煤氣用于發(fā)電、化工原料和還原性氣體也是最為常見的利用途徑。作為發(fā)電燃料時，可用于蒸汽或燃氣發(fā)電。作為化工產(chǎn)品原料時，可用于提氫、甲醇合成、甲烷提取和作為原料氣用于其他有機化學(xué)品。作為還原性氣體時，焦爐煤氣可用于還原鐵等新工藝。

(1)作為燃料利用

焦爐煤氣作為燃料利用時，可作為民用燃氣和工業(yè)燃氣利用。在民用燃氣利用領(lǐng)域，由于天然氣潔凈度和燒產(chǎn)物均優(yōu)于焦爐煤氣，因此，焦爐煤氣可作為在非天然氣覆蓋區(qū)域民用燃氣補充。在工業(yè)燃氣領(lǐng)域，焦爐煤氣可作為工業(yè)燃料使用，如作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉鋼、軋鋼燃料，焦化企業(yè)加熱用燃料和化工企業(yè)加熱用燃料等。

(2)作為發(fā)電燃料利用

作為發(fā)電燃料是焦爐煤氣利用最為成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，可作為蒸汽輪機、燃氣輪機、燃氣-蒸汽輪機和內(nèi)燃機發(fā)電燃料。作為蒸汽輪機發(fā)電燃料時，焦爐煤氣可用于燃燒并產(chǎn)生蒸汽推動發(fā)電機發(fā)電，但其發(fā)電效率較低，僅為30%。作為燃氣輪機燃料時，焦爐煤氣可壓縮、加熱后，經(jīng)燃氣輪機膨脹將燃燒后的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動燃氣輪機機械運動發(fā)電，發(fā)電效率同蒸汽輪機基本一致。燃氣-蒸汽輪機發(fā)電是將蒸汽輪機與燃氣輪機技術(shù)組合形成的發(fā)電裝置，其發(fā)電效率優(yōu)于蒸汽輪機和燃氣輪機，發(fā)電效率為45%左右。內(nèi)燃機發(fā)電機是將焦爐煤氣轉(zhuǎn)化為燃氣，并作為內(nèi)燃機發(fā)電機組燃料使用，其發(fā)電效率為33%左右。焦爐煤氣作為發(fā)電燃料利用技術(shù)相對成熟，但受制于焦爐產(chǎn)能，發(fā)電機組發(fā)電量較小，一般為2萬kW以內(nèi)發(fā)電機組，且發(fā)電機組受焦爐檢修、維護、停產(chǎn)等因素影響，導(dǎo)致發(fā)電機組運行不穩(wěn)定，一般用于小型煉焦企業(yè)自身用電或部分發(fā)電并網(wǎng)，大型煉焦企業(yè)一般不作為發(fā)電燃料使用。

(3)直接還原鐵利用

焦爐煤氣作為直接還原鐵原料時，可作為電爐短流程煉鋼雜質(zhì)稀釋劑和冶煉優(yōu)質(zhì)鋼原料使用，或作為轉(zhuǎn)爐煉鋼冷卻劑和鐵質(zhì)原料使用。當(dāng)前，國際上直接還原鐵多采用Midrex和HYL氣基直接還原工藝，要求氣基中氫氣和一氧化碳氣體體積分數(shù)大于90%，入爐還原氫氣與一氧化碳比例為1.6、5.7，對氫氣含量要求較高。焦爐煤氣主要以氫氣和甲烷為主，可用于轉(zhuǎn)爐煉鋼中豎爐生產(chǎn)直接還原鐵原料氣，可滿足直接還原鐵原料生產(chǎn)要求。

隨著我國由基礎(chǔ)建設(shè)向高端制造推進，各行業(yè)對特鋼需求旺盛，而鋼材中非金屬材料和有色金屬使用增加，導(dǎo)致廢鋼質(zhì)量下降，在以廢鋼作為鋼爐原料時，以直接還原鐵作為稀釋劑與廢鋼搭配使用，可改善廢鋼物理性質(zhì)，提高優(yōu)質(zhì)鋼產(chǎn)量和質(zhì)量。根據(jù)《世界金屬導(dǎo)報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅2019年，全球直接還原鐵產(chǎn)量為1.08億噸，主要生產(chǎn)國家為印度和伊朗。我國鋼鐵生產(chǎn)主要以高爐生產(chǎn)為主，占全國鋼鐵產(chǎn)量的80%，雖然自2013年起即引入“直接還原鐵”技術(shù)，但發(fā)展相對緩慢。在我國節(jié)能降耗和關(guān)閉落后產(chǎn)能的時代背景下，高爐煉鋼能耗大、排出二氧化碳量大等問題日益引起關(guān)注，通過應(yīng)用直接還原鐵技術(shù)能夠緩解鋼鐵行業(yè)能耗問題，減少溫室氣體排放，提高鋼鐵生產(chǎn)純度，促進我國鋼材生產(chǎn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

(4)作為化工產(chǎn)品原料

由于焦爐煤氣為多組分混合氣體，可作為化工生產(chǎn)中提氫、合成氨、合成甲醇和天然氣生產(chǎn)原料。

①作為提氫原料

由于焦爐煤氣中氫氣體積分數(shù)大于50%，部分情況下可達到60%以上，且氫氣作為清潔能源應(yīng)用廣泛，可將焦爐煤氣作為提氫原料，采用變壓吸附及膜分離技術(shù)提取[9]（如圖1所示），借助氣體組分在固體吸附材料的吸附差異特性和膜選擇性滲透，實現(xiàn)氫氣與其他氣體組分分離。焦爐煤氣提氫在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，提氫產(chǎn)品可用于鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)粗苯加氫精制、煤焦油加氫、連續(xù)退火爐、冷軋罩式爐等[10]。

圖1 焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝流程

②作為合成氨原料

由于焦爐煤氣中含有大量甲烷組分，可作為氨氣生產(chǎn)的理想原料，借助蒸汽富氧催化轉(zhuǎn)化工藝，將焦爐煤氣中甲烷與氧氣、水、二氧化碳連續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生富含一氧化碳、氫氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣。根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，生產(chǎn)1t合成氨僅需1720m3焦爐煤氣，合成氨可作為化肥生產(chǎn)原料，且以焦爐煤氣作為合成氨原料成本顯著低于天然氣和無煙煤，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。

③合成甲醇

甲醇作為重要的化工原料，是甲醛、農(nóng)藥生產(chǎn)原料，也可作為有機物萃取劑和酒精變性劑，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、木材加工、紡織、染料、涂料等領(lǐng)域。作為甲醇生產(chǎn)原料是焦爐煤氣重要用途之一。

我國現(xiàn)有煤氣生產(chǎn)甲醇企業(yè)近70余家，年產(chǎn)能為1300萬t/a。以焦爐煤氣作為甲醇生產(chǎn)原料時，焦爐煤氣高效多聯(lián)技術(shù)中通過將煤氣深度凈化并滿足催化劑催化反應(yīng)要求后使用，其生產(chǎn)工藝原理是將焦爐煤氣中的甲烷與多碳烴轉(zhuǎn)化為氫氣與一氧化碳，經(jīng)催化劑催化反應(yīng)后生成甲醇。根據(jù)甲醇合成方法，按合成壓力劃分，甲醇催化合成可分為高壓法、中壓法、低壓法，我國企業(yè)主要采用低壓法合成甲醇。

甲醇合成塔反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，甲醇分離器內(nèi)進行氣液分離，分離氣體，部分作為循環(huán)氣進入循環(huán)壓縮機內(nèi)（如圖2所示），升壓后與原料氣混合合成粗甲醇，其余則作為馳放氣，經(jīng)洗醇塔洗滌回收粗甲醇后進入燃料氣系統(tǒng)；分離液體經(jīng)閃蒸槽析出閃蒸汽獲得粗甲醇。由于粗甲醇含有一定量的雜醇，需進一步精餾后得到產(chǎn)品精甲醇，在該過程中，采用多塔精餾工藝，預(yù)精餾塔去除輕組分后形成的甲醇液經(jīng)給料泵加壓進入加壓塔，塔頂輸出的甲醇蒸汽進入常壓塔再沸器二次蒸餾的甲醇蒸汽冷凝熱作為常壓塔熱源（如圖3所示），常壓塔再沸器產(chǎn)生的甲醇液加壓進入加壓回流槽，其余部分經(jīng)冷卻器冷卻至40℃，作為合格產(chǎn)品。

圖2 粗甲醇合成工藝

圖3 甲醇精制工藝

④生產(chǎn)天然氣

以焦爐煤氣作為天然氣生產(chǎn)原料是新興的利用技術(shù)。其工藝原理是將焦爐煤氣壓縮、凈化預(yù)處理、甲烷化處理后，經(jīng)氣體分離、干燥凈化和深冷液化工藝產(chǎn)生天然氣（如圖4所示）。根據(jù)我國相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)已建成的焦爐煤氣生產(chǎn)天然氣裝置為25個，合計產(chǎn)能超過30億m3/a，占焦爐煤氣產(chǎn)量的30%左右。

圖4 焦爐煤氣生產(chǎn)天然氣工藝

2.焦爐煤氣多聯(lián)產(chǎn)利用技術(shù)研究

結(jié)合上述焦爐煤氣綜合利用技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外焦爐煤氣綜合利用經(jīng)驗，可供參考的焦爐煤氣多聯(lián)產(chǎn)利用技術(shù)建議如下。

(1)制氫與發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)利用工藝

在制氫與發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)工藝中，焦爐煤氣經(jīng)提氫，煤氣中的甲烷、一氧化碳和多碳烴進入解吸氣（如圖5所示），解吸氣氣體組分中可燃氣體直接排放大氣將造成能源浪費，可將剩余氣體作為發(fā)電裝置燃料使用。根據(jù)提氫后氣體體積分數(shù)分析（如表1所示），提氫后焦爐煤氣總熱量占比提氫前總熱量95%左右，提氫工藝對焦爐煤氣作為發(fā)電工藝燃料影響較小。

表1 焦爐煤氣提氫前后組分及熱值變化

圖5 焦爐煤氣提氫和發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)利用工藝

通過采用制氫與發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)利用工藝，不僅可生產(chǎn)高價值的氫氣產(chǎn)品，而且可作為發(fā)電燃料使用，并可根據(jù)用電需求調(diào)峰發(fā)電，可滿足鋼焦聯(lián)合企業(yè)發(fā)電并網(wǎng)和自身用電使用。

(2)天然氣與氫氣多聯(lián)產(chǎn)利用

焦爐煤氣中氫氣組分含量較高，作為天然氣生產(chǎn)原料后仍含有較高比例氫氣，可作為提氫原料生產(chǎn)氫氣，或通過補碳提高天然氣產(chǎn)量（如圖6所示）。天然氣與氫氣多聯(lián)產(chǎn)能夠豐富焦爐煤氣產(chǎn)品種類，降低單一產(chǎn)品價格波動對焦爐煤氣生產(chǎn)效益的影響。天然氣與氫氣多聯(lián)產(chǎn)利用工藝中，煤氣經(jīng)壓縮、凈化預(yù)處理和甲烷化處理，根據(jù)天然氣和氫氣生產(chǎn)產(chǎn)品比例進行分離，經(jīng)干燥凈化和深冷液化生產(chǎn)天然氣，經(jīng)干燥凈化后的煤氣廢氣回流至凈化預(yù)處理工藝，與焦爐煤氣混合后進入提氫工段，作為提氫原料。

圖6 天然氣與氫氣多聯(lián)產(chǎn)利用工藝

(3)甲醇與液氨多聯(lián)產(chǎn)利用

甲醇馳放氣中氫氣含量較高，配套空分系統(tǒng)副產(chǎn)足量潔凈氮氣，可提取氫氣與氮氣混合生產(chǎn)液氨，從而提高焦爐煤氣綜合利用效能，提高焦爐煤氣利用經(jīng)濟效益，豐富焦爐煤氣產(chǎn)品類型。在該工藝中，焦爐煤氣生產(chǎn)液氨成本低于傳統(tǒng)合成氨工藝成本，僅為980元/t。以焦爐煤氣生產(chǎn)甲醇400t/d（2600元/d），聯(lián)產(chǎn)合成氨110t/d（4060元/d）計算，全年收益可達到54260.9萬元，收益可觀。

3.結(jié)語

焦爐煤氣作為焦化產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)品，是重要的化工原料和直接燃料，具有產(chǎn)量大、用途廣、經(jīng)濟效益可觀等特點。加強焦爐煤氣綜合利用，充分挖掘焦爐煤氣利用潛能，能夠?qū)崿F(xiàn)焦化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品高附加化、產(chǎn)品豐富化，有利于應(yīng)對焦炭價格波動對焦化企業(yè)的影響，提高焦化企業(yè)市場競爭力，促進企業(yè)利潤最大化，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟新增長極。同時，通過焦爐煤氣的無害化綜合利用，有利于我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，符合我國大力發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟和碳中和戰(zhàn)略目標要求。