焦炉煤气综合开发利用途径探析*

王育红 高建伟

(中国平煤神马集团能源化工研究院)

焦炉煤气综合开发利用途径探析*

王育红 高建伟

(中国平煤神马集团能源化工研究院)

通过对国内焦炉煤气开发利用现状的分析，了解其综合利用产业的发展趋势。重点从七个方面阐述了中国平煤神马集团研究焦炉煤气开发利用途径，充分发掘焦炉煤气的资源潜能，推广发电、生产甲醇、二甲醚、氢气、乙炔等这些具有较好经济效益的成熟可靠技术，着力研发焦炉煤气等离子体制乙炔技术，前景广阔。

焦炉煤气 开发利用 问题与途径

0 前言

我国是一个石油和天然气资源较少，而煤炭资源相对丰富的国家。随着全球石油资源的日益短缺，近几年替代能源的研究和开发非常活跃。我国能源资源的结构秉性决定了适度发展现代煤化工对我国的能源战略安全意义重大。国际原油价格高涨为煤化工发展提供了较大的竞争空间，较好的发展机遇。

中国平煤神马集团是由原平煤集团、原神马集团两个中国500强企业联合重组成立的一家跨区域、跨行业、跨所有制、跨国经营的特大型能源化工集团。集团利用平煤股份、神马股份两个上市公司平台，通过企业联合重组、投资扩能，实现煤炭采选、尼龙化工、煤焦化工、煤盐化工四大支柱产业群和高新技术、电力、建工建材、装备制造、物流贸易五个辅助产业群协同发展，形成了全球最完整、循环经济特征最明显的煤基化工产业链。

集团预计“十二五”期间焦炭产能将达1500万t，有30亿m3焦炉煤气富余，这将是一个庞大的资源。利用集团富余的焦炉煤气，研发市场急需、技术含量高的新产品，促使行业产品的生产及销售率持续快速增长。

1 国内焦炉煤气综合利用产业发展现状

我国是世界上最大的焦炭生产国，接近世界焦炭生产总量的60%，继续稳居世界第一产焦炭大国地位。2008年受经济危机影响，我国焦炭产量依然达到了3.27亿t，全年焦炉煤气发生量达l384.6亿m3。其中有70%左右的焦炉煤气用于企业自用、商用及城市居民用气，剩余400多亿m3的焦炉煤气［1］。

焦炉煤气主要成分是氢气和甲烷，还有少量烯烃、一氧化碳和二氧化碳等。每生产1 t焦炭要产生430 m3左右的焦炉煤气，其中一半用于回炉助燃，另一部分就得进行综合利用。

国内焦炉煤气综合利用产业发展现状:焦炉煤气生产甲醇技术成熟可靠，进而合成二甲醚，生产人造汽油，是独立焦化企业的最好选择;变压吸附制氢(PSA)值得关注和发展，是采用苯加氢精制技术企业的必选;利用焦炉煤气发电产生的效益也不容忽视。最新研发的焦炉煤气制甲醇及焦炉煤气液化天然气成为各大焦化企业的首选。但是焦炉煤气综合利用产业发展中存在许多不足，焦炉煤气综合利用是技术资本密集型产业，产业发展的关键是技术支撑问题。整体技术研发能力、资金支撑能力不足。从企业主体看，尽管有一些技术领先或一定规模的企业，但总体上产业集中度不高，企业的规模不够大，实力不够强，不足以支撑整个产业发展。具体表现在:一是产业层次较低。多数产品处于产业链中低端，缺乏高附加值优势产品。特别是焦化行业中小型企业数量多，装置落后、回收利用率低。二是技术创新不够。研发投入不足，缺乏拥有自主知识产权的关键技术，核心竞争力不强，尤其是缺少有自主知识产权的创新品种及高技术含量的高新产品品种。三是高层次人才缺乏，企业自主创新能力较弱。

2 我国焦炉煤气综合利用发展趋势

目前，我国焦炉煤气综合利用产业发展主要呈现三大趋势:一是焦炉煤气综合利用产业进入快速成长期。随着焦炉煤气综合利用技术不断突破，焦炉煤气制氢、焦炉煤气生产甲醇进而合成二甲醚、焦炉煤气制液化天然气等新兴环保节能产业正在快速形成;二是焦炉煤气综合利用产业成为各焦化企业竞相抢占的战略制高点。各地化工部门把焦炉煤气综合利用产业作为优先发展的战略产业，纷纷制定发展规划，加大政策扶持与资金投入，鼓励企业积极开展焦炉煤气综合利用，实行优惠政策;三是国家把焦炉煤气综合利用列入发展煤化工中长期规划。由国家发展改革委牵头的“我国焦炉煤气的综合利用”科研课题已获通过。氢能技术已被列入我国2015年远景规划(能源部分)。

3 中国平煤神马集团焦炉煤气综合利用途径

中国平煤神马集团已被国家列入全国十三家大型煤炭基地之一，目前拥有煤炭资源115亿t，通过资源整合逐步增加到150亿t。集团已经确立了“以煤为本，相关多元化”的发展战略，提高集团整体经济实力，建设煤炭深加工，提高煤炭附加值是一条行之有效的途径。

中国平煤神马集团将瞄准焦炉煤气综合利用和煤化工产业领域国际先进水平，建设以国家需求和市场为导向、强化以焦炉煤气综合利用和煤化工技术龙头企业为主体、跨行业产学研相结合的创新平台，整合行业科技资源，融通行业的技术研发，开展焦炉煤气综合利用产业战略研究、行业关键技术研究、设计及开发研究，提升焦炉煤气综合利用企业自主创新能力，努力使中国平煤神马集团焦炉煤气综合利用产业实现起点高、技术新、规模大、配套强的总体目标。经过3～5年努力，中国平煤神马集团焦炉煤气综合利用和煤化工产业整体技术水平达到国内领先、国际先进的地位，促使一批创新成果在企业实现产业化，从煤焦大企跨越为焦炉煤气综合利用和煤化工产业强企，使焦炉煤气综合利用成为集团新的经济增长点。

中国平煤神马集团具有全球煤化工行业最完整的产业链:原煤—焦炭—焦炉煤气(提氢)—尼龙66盐—工业丝—帘子布。集团确立了大焦化战略，充分利用集团资源优势，正在从七个方面研究焦化焦炉煤气综合开发利用途径:①利用焦炉煤气作加热燃料;②利用焦炉煤气发电;③利用焦炉煤气制合成气，生产合成氨;④利用焦炉煤气合成甲醇、二甲醚;⑤利用焦炉煤气变压吸附制氢;⑥利用焦炉煤气制乙炔;⑦利用焦炉煤气生产天然气。

3.1 传统的利用方式——加热燃料

焦炉煤气的传统利用方式普遍用于燃料，作为不同加热设备的气体燃料，延用近百年的历史。与固体燃料比较，有使用便捷、管道输送和传热效率高等优点，受到工业和民用的青睐。

利用焦炉煤气生产炭黑新工艺的研究就是以焦炉煤气为燃料，以煤焦油为原料，采用油——气技术路线。工艺特点:采用新型反应炉，利用在线高温空气预热器和油预热器，强化反应条件，提高产品质量和收率，降低一次消耗。利用焦炉煤气特性，结合炭黑生产技术特点，研究开发利用焦炉煤气作燃料生产炭黑的新工艺技术，扩大了炭黑生产的燃料范围;高效焦炉煤气喷嘴的研制，结合焦炉煤气特点，加长燃烧器长度，在燃烧器的配风结构上采用同向双旋流沟槽，两风道入风，增大燃烧器燃烧喷嘴的配风湍流程度，使燃烧火焰更加稳定;开发研制新型煤气型反应炉，加大反应面积，结合煤气燃烧均匀的特点，改进燃烧室结构。

3.2 利用焦炉煤气发电

利用富余焦炉煤气，选择可靠性高、可连续性生产的直燃式航空发电机组进行发电，减少能源浪费，减少温室气体甲烷的排放，保护环境。焦炉煤气发电后的尾气余热进行回收，建立空调中心，夏天向井下和办公楼等地点供冷，冬天向井口和办公楼等地点供暖。

中国平煤神马集团朝川焦化公司采用的燃气轮机发电，由粗苯来的净化后的煤气经煤气压缩机加压到0.9 MPa送往六台2000 kW的QDR2型燃气轮发电机组，燃气轮机尾气余热设置六台6.5 t/h的余热锅炉，机组装机容量为15000 kW，自耗电量达9.97%，每小时能外供13489 kW，运行情况良好。

3.3 利用焦炉煤气制合成气，生产合成氨

以焦炉气为原料生产合成氨装置的核心是焦炉气的净化和转化。转化采用了富氧催化转化;净化部分的关键主要是硫的脱除，尤其是有机硫的脱除、合成气精制等流程组合。

其工艺路线:首先将来自焦化厂初步净化后的剩余焦炉煤气汇总后进入两台并联的电捕焦油器进一步脱除煤气中的焦油雾滴，然后依次进入硫铵工序和洗脱苯工序，脱除焦炉气中的氨和回收焦炉气中的苯，再进入气柜进行混合、缓冲，通过罗茨鼓风机升压，进入湿法脱硫装置脱除焦炉气中的H2S，经压缩机加压至2.3 MPa，送干法精脱硫装置，将气体中的总硫脱至标准状态7 mg/m3以下。利用空分装置送来的富氧，混入蒸汽进行催化部分氧化转化，将气体中的甲烷及少量碳烃转化为CO和H2，转化后的高温气体经废热锅炉回收热量降温后，补加蒸汽进入变换工序的中进行CO变换反应，然后进入精脱硫槽，将气体中的总硫体积分数脱至3×10－6以下。而煤气发生炉生产的半水煤气，单独进行压缩、净化，中温变换之后也进入精脱硫槽，与转化后的变换气混合，一起进入低温变换炉进行深度变换。变换后的气体进入脱碳装置脱除C02，再经甲烷化装置精制，合格的氢氮气经合成气压缩机加压至31.4 MPa送往氨合成装置。采用传统的高压氨合成工艺技术，选用氨净值高、塔阻力小、先进可靠的DN1800合成塔内件，设置后置式废热锅炉及软水预热器，回收合成反应热，副产2.45 MPa中压蒸汽。

主要设备:原料气压缩机(低压机)型号:4M20－220/23－BX;合成气压缩机(高压机)型号:M－24.3/15.314。

3.4 利用焦炉煤气生产甲醇、二甲醚

由于焦炉煤气中CH4含量为23%～27%，恰为天然气生产甲醇的一段炉出口的CH4含量范围。因此，焦炉气制甲醇可以省去天然气制甲醇工艺的一段炉，直接入二段炉进行转化。

利用焦炉煤气合成甲醇是一项环保项目，既解决了焦炉煤气的排空污染问题，同时也解决了众多焦化企业的煤气出路问题。甲醇是优良的汽车代用燃料，它由焦炉煤气合成的生产技术已十分成熟，作为代用燃料，优势在于:

1)技术成熟、生产可大型化，原料资源十分丰富，可保证供应;

2)经济性好，具有很强的竞争力;

3)车用燃料的整体环境效益优良。

甲醇不仅可以代替汽油作动力燃料，还是一种重要的有机化工原料，可用来生产甲醛、醋酸等一系列化工产品。

利用焦炉煤气加压至2.2 MPa后送去脱硫，使焦炉煤气中含硫降至0.1 ×10－6以下(包括有机硫)，然后采用纯氧部分氧化法转化工艺将气体中的甲烷及少量多碳烃转化为甲醇原料气的有用成份一氧化碳和氢，转化后的气体经合成气压缩机压至5.3 MPa，进入甲醇合成、精馏装置及二甲醚反应器［2］。

从合成气为原料合成甲醇的化学反应为:

甲醇脱水反应为:

副反应:

利用焦炉煤气合成甲醇、二甲醚成本低，在市场竞争中有明显优势，对节约能源、减轻环境污染、维护生态平衡起到重要作用，具有很好的经济、社会和环境效益。

3.5 利用焦炉煤气变压吸附制氢

氢气是一种宝贵的资源，焦炉煤气中H2含量约为55%，焦炉煤气作为燃料燃烧，H2被燃烧掉，资源利用效率较低，因为H2热值较低，不宜直接作为燃料燃烧。而利用焦炉煤气制氢，所损失的热量由发生炉煤气作补充，既提高了焦炉煤气的热值及数量，又获得了宝贵的氢气资源，为下游产业尼龙－66盐提供原材料，达到中国平煤神马集团产业链的完美续接。

采用变压吸附分离技术，是国家重点推广的先进成熟的技术，已进入大规模工业应用领域，目前国内多家公司采用该项技术建成氢气回收装置，运行状况良好。

变压吸附的基本原理:利用吸附剂对不同气体的吸附容量、吸附力、吸附速度随压力的不同而有差异的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，加压吸附混合物中的易吸附组份(通常是物理吸附)，当吸附床减压时，解吸这些吸附组份，从而使吸附剂得到再生。采用两塔或多塔交替循环操作，实现工艺过程的连续。

吸附压力:根据变压吸附工作原理，提高吸附压力(由所采用的吸附材料和被吸附杂质组份的等温吸附线性能在一定范围内确定)、降低解吸压力，可以减少设备尺寸和吸附材料用量，降低装置投资。然而提高吸附压力会增加原料气压缩的能耗，使装置的操作费用上升。一般情况下吸附压力是根据所能提供的原料压力或所需的产品氢气压力结合杂质组份的吸附——解吸性能而确定。

吸附剂的选择:工业上常用的吸附材料有:硅胶类、氧化铝类、活性炭类、分子筛类等吸附剂;另外还有针对某种组份选择性吸附而研制的特殊吸附材料。吸附剂对各气体组份的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的穿透曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是分离过程的基本条件。

根据生产装置所需，氢气压力为1.2 MPa。本装置PSA－H2吸附压力按1.3 MPa进行设计，输出氢气压力为1.2 MPa。

其关键设备:原料气压缩机，型号:LG－340/5.5;冷冻机型号:JZLG16C;真空泵型号:2BE1 303。

总之，利用焦炉煤气为原料，采用成熟先进的变压吸附分离技术，生产高纯度氢气，使现有资源得到合理利用，充分发挥中国平煤神马集团焦炉煤气优势，既可解决尼龙化工公司扩产后原料氢气缺口问题，又可解决富余煤气排空污染问题，是一个多方受益的综合项目，具有较好的经济和社会效益。

3.6 利用焦炉煤气制乙炔技术途径

乙炔既广泛用于机械加工等许多行业，又是我国一种重要的化工原料。国内年消耗乙炔150万t，年增长率10%。

利用电石法生产乙炔，因生产成本高、能耗大且污染严重等问题，因而对生产乙炔清洁生产法有急迫切的需求。目前乙炔清洁生产方法有:

1)部分氧化法—BASF:资源利用率低(6000 m3/t C2H2)、必须与其他过程组合、投资大、过程控制复杂;

2)电弧等离子体裂解法—HULS:已有工业化、资源利用率高投资低、能耗高、电极寿命短(150 h);

3)等离子体裂解煤:研究阶段(煤品、装置)、没有工业化经验。

焦炉煤气中CH4含量为23%～29%，通过变压吸附制氢后，CH4含量为45%左右。利用微波复合直流等离子体将甲烷裂解生产乙炔。微波复合直流等离子体的特点:综合了现有高温电弧等离子体和低温等离子体的优点，电极寿命显著延长;用于甲烷转化，转化率高、能量效率高、乙炔能耗低。

等离子体焦炉煤气制乙炔技术就是将等离子体这一超常及新型技术引进焦炉煤气转化过程，利用等离子体具有能量高度集中、超高温区域窄、沿径向有极大的温度、压力梯度和高速的等离子体射流等优点，在几毫秒时间内将焦炉煤气加热到1250℃以上，甲烷在小于40 ms时间内完成快速裂解重整的反应过程，生成富含乙炔、氢气和乙烯的裂解气。该工艺克服了传统煤制乙炔工艺流程长、能耗高、对环境污染严重等缺点，从而取代污染严重、能耗高的传统的煤－电石－乙炔途径。

等离子体裂解焦炉煤气中的甲烷制乙炔工艺过程与常规的催化转化过程不同。在等离子体裂解过程中，反应物被强电场电击穿分解为自由电子、中性活性基团，在随后的的复合过程中只要能够提供合适的条件就可以获得相应的目标产物。等离子体化学合成与常规催化合成过程的不同点主要体现在:不需要催化剂，没有催化剂中毒、再生的问题;工艺过程、反应装置简单，开停车快速、方便;对反应物组成的要求没有常规催化过程中要求的那么严格。

集团与中科院沈阳金属所联合开发等离子体焦炉煤气制乙炔技术，目前正在建设50 t/年焦炉煤气制乙炔小试生产线，2013年建设2000 t/年焦炉煤气制乙炔工业化试验装置。项目建成后，可带动集团煤、盐产业的协调发展，填补国内用焦炉煤气制备乙炔技术的空白。

3.7 利用焦炉煤气生产液化天然气

液化天然气作为可持续发展的清洁能源，具有明显的社会和环境效益。液化天然气正以每年约12%的速度增长，2007年中国进口291万t液化天然气，2008年1～12月，中国液化天然气进口总量为333 万 t。

很多城市在汽车燃料方面逐步用液化天然气或天然气代替燃油，在中小城镇采用液化天然气作为气源供居民使用已越来越普及，液化天然气是许多工业不可缺少的特种燃料。

以焦炉煤气为原料，经过压缩、净化、甲烷提纯、甲烷深冷四个部分生产合格的液化天然气(LNG)。其关键技术就是将焦炉煤气中的一氧化碳、氮气等和甲烷分离。

目前，集团已与新奥集团合作建设焦炉煤气生产LNG项目，总投资3亿元，年处理焦炉煤气量2.4亿m3，生产液化天然气9400万Nm3/年左右，市场定位为高端车用燃料。

4 结束语

焦炉煤气是现代社会生活的重要资源，“以煤为基础、多元发展”是我国煤化工发展的基本方针，要充分发掘焦炉煤气的资源潜能，推广发电、生产甲醇、二甲醚、氢气、乙炔、液化天然气等这些具有较好经济效益的成熟可靠技术，着力研发前景广阔的焦炉煤气等离子体技术及 热裂解合成气技术，对提高资源利用效率、发展循环经济、建设节约型社会具有十分重要的意义，是炼焦企业可持续发展的必然选择，有着广阔的发展前景，已成为炼焦企业新的经济增长点。

［1］徐广成.加强炼焦行业结构调整［J］.中国焦化业，2007(5):21－23.

［2］门长贵.制取甲醇合成原料气的煤气化工艺技术选择.煤化工，2004，32(4):5 －7，21.

INVESTIGATION ON COMPREHENSIVE EXPLOITATION AND UTILIZATION OF COKE OVEN GAS

Wang Yuhong Gao Jianwei
(Energy Chemical Institute，China Pingmei Shenma Group)

The development trend of comprehensive utilization is stated by analyzing current situation of coke oven gas in china.It expounds the utilization path of coke oven gas from seven aspects in order to explore resource potential and promote some advanced technology such as electricity generation，carbinol，DME，hydrogen and acetylene production etc advanced techniques and emphatically researches plasma technique.

coke oven gas development and utilization problem and path

*联系人:王育红，高级工程师，河南.平顶山(467000)，中国平煤神马集团能源化工研究院煤化所;

2011—3—31