焦炉煤气综合利用技术研究进展

刘凌云 杨海舟 李静静 秦玲玲

(1.新干县环境保护局，江西 新干 331300；2.四川省工业环境监测研究院，四川 成都 610041；3.郑州科技学院，河南 郑州 450064)

我国是世界钢铁大国之一，焦炭产量也位居世界前列，且一直呈增长态势，其产量由2004年的2.09亿t增长到2012年的4.43亿t[1]，占世界焦炭生产总量的60%以上，在生产焦炭过程中产生的副产品焦炉煤气产量达1945亿m3，相当于6.5个2012年西气东输工程年输气量(300亿m3)，如此之大的焦炉煤气产生量若能够得到充分合理的利用，所带来的环境效益和经济效益都将是巨大的。因此，如何高效、合理地综合利用焦炉煤气是事关国家资源综合利用、节能减排、环境保护的重大课题，对实现我国资源的循环利用和经济的可持续发展具有重要意义。

1 焦炉煤气的组成及综合利用的可行性

烟煤隔绝空气加热到950～1050℃，经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终制得焦炭，这一过程叫高温炼焦。炼焦除了可以得到焦炭外，还可以得到气体产品—荒煤气(也称粗煤气)。荒煤气经过电捕焦油器脱除焦油、湿法脱硫、酸洗脱氨、洗油脱苯后成为净焦炉煤气。净焦炉煤气的组成如表1所示[2]。

表1 净焦炉煤气的组成

从表1可看出，焦炉煤气中含有大量的H2和CH4，另外还含有少量的CO、CO2、N2、O2及CnHm等，其中H2、CH4、CO和CnHm为可燃组分，CO2、N2和O2为不可燃组分。焦炉煤气的组分性质，决定了其主要利用途径有以下几个方面：发电、燃料、制氢、制甲醇、制天然气、生产海绵铁的还原剂等[3-7]。

2 焦炉煤气综合利用现状

2.1 焦炉煤气用于发电

焦炉煤气作为燃料用于发电，是焦炉煤气的一种有效的用途。采用焦炉煤气代替传统的原煤发电，具有热效率高、输送成本低、环境污染小等优点。焦炉煤气用于发电有3种方式，分别为蒸汽机发电、燃气机发电和内燃机发电[3，7-8]。

①蒸汽轮机发电由锅炉、凝汽式汽轮机和发电机组组成，利用锅炉直接燃烧焦炉煤气生产蒸汽，驱动发电机组发电[9]。该技术成熟可靠，已在国内焦化行业中广泛应用，但发电效率只有20%，发电入网难、效益不高。

②燃气轮机发电是直接燃烧焦炉煤气来驱动燃气轮机，然后带动发电机组发电，这种方式具有效率高、设备占地少、效益好和启动速度快等优点，但是存在着进口压力要求高、可靠性较差和使用寿命等问题。

③燃气内燃机的工作原理与汽车发动机相似，由火花塞点火，用煤气机带动发电机发电。由于内燃机是燃料的热能直接转换为机械能，能量转化率高，投资回收期短，所以在焦化企业中得到了广泛应用。

2.1 焦炉煤气用作燃料

焦炉煤气的传统利用方式是作为不同加热设备的气体燃料，与固体燃料相比较，有使用便捷、可以管道输送和传热效率高等优点，受到民用和工业的青睐。

民用燃料：净化后的焦炉煤气可通入城市供气管网作为居民用气。焦炉煤气热值较高，一氧化碳含量低，是人工煤气中最适合作为民用燃气的气体，但与天然气相比，焦炉煤气无论从热值、燃烧产物，还是洁净度方面，都不如天然气。近年来，虽然西气东输为一些地区使用天然气提供了便利条件，天然气替代了大量的焦炉煤气，但在天然气输送不到的地方，焦炉煤气仍可作为主要的民用燃气使用。

工业燃料：焦炉煤气作为工业燃料，主要应用在3个方面：①焦化企业在化学产品回收和净化过程中，作为加热用的燃料；②焦化企业用剩余的焦炉煤气作为发电燃料；③作为钢铁联合企业的炼钢、烧结、轧钢燃料。

2.2 焦炉煤气用于制氢

氢能是一种清洁无污染的能源，代表未来能源的发展方向。利用焦炉煤气制氢，在我国已有多年的历史，其生产技术成熟，具有较高的经济性，特别是与水电解法制氢相比，经济效益显著。据统计[10]，水电解法制氢耗电为6.5kwh·m-3，而焦炉煤气制氢耗电仅为0.5kwh·m-3，生产规模为1000m3/h的制氢装置，每年节约电费500～800万元，相当于1000m3/h的制氢装置的总投资。我国已确立把焦炉煤气重整技术作为开发氢能源的重要途径。焦炉煤气含有50%以上的氢气，制氢的主要方法是采用变压吸附技术来分离氢气。

2.3 焦炉煤气生产甲醇

焦炉煤气组分本身含有甲烷24%～28%，煤气中甲烷及高碳烃转化成合成气后，在6.0MPa压强下即可完成甲醇合成，流程短，反应速度快，焦炉煤气利用率高，数据表明，2000-2200m3焦炉煤气可生产1t甲醇。通过对我国特定地区相同规模的焦炉煤气、天然气、煤为原料制甲醇的消耗成本投资比较可以发现，焦炉煤气制甲醇具有明显优势。目前，焦炉煤气甲烷转化工艺主要有催化氧化转化法、非催化转化法、蒸汽转化法3种，催化氧化转化法因其流程短、投资低而被广泛采用。

2.4 焦炉煤气用于制天然气

天然气作为国际社会认同的一种清洁能源和化工原料，具有绿色环保、经济实惠、安全可靠、改善生活等特点。大力发展天然气，符合世界能源发展的趋势。焦炉气(或焦炉煤气)制天然气技术是近年来发展起来的一项焦炉气综合利用新技术。焦炉气制天然气工艺技术主要有2种。一种是以“焦炉气甲烷化制备天然气”为代表的“甲烷化工艺”，另一种是以“焦炉煤气联合净化分离制备天然气”为代表的“分离工艺”。

焦炉煤气制天然气技术先进，工艺简单，在提高能源利用率、保护环境、获得经济效益的同时，也带来了较大的社会效益，焦炉煤气的综合利用促进了产业升级，实现了废气再利用，达到了节能减排的目标。同时，对建设资源节约型和环境友好型社会起到积极的推动作用，利用焦炉煤气制取天然气将成为未来一段时期焦炉煤气综合利用的方向。

2.5 焦炉煤气生产海绵铁的还原剂

经过甲烷化反应后，焦炉煤气中的CH4转化成H2和CO，可作为还原剂直接还原含杂质较少的高品位铁矿来生产海绵铁。以年产焦炭200万t的焦化厂估算，每年可外供焦炉煤气4.5亿m3，裂解后能够得到还原气6.9亿m3，可生产海绵铁27万t，以230元/t利润计算，每年可获利6000多万元，经济效益相当可观。目前，我国直接还原铁的产量很低，仅为20万t/a左右，而实际需求量已超过500万t，国内海绵铁需求基本上依赖进口。

3 焦炉煤气利用前景展望

3.1 清洁化

随着人们环保意识的增强以及可持续发展战略的需要，国家对每年焦炉气排空量提出了严格的限制，《钢铁产业发展政策》明确规定，新上焦炉必须同步配套焦炉煤气回收装置，《焦化行业准人条件》对焦炉煤气净化的指标还作了具体规定。可见，焦炉煤气净化问题越来越受到重视，其清洁化利用符合国家低碳经济的发展战略，特别是焦炉煤气经脱硫、脱氰后，不但更加清洁环保，而且其可燃成分更高、杂质更低，其利用价值自然得以提高。目前，国内大中型焦化企业普遍认为：焦炉煤气的清洁化利用是发展循环经济、提高资源综合利用率的迫切要求，也是企业生存的需要。

3.2 走以甲醇为原料的新的化工发展之路

利用甲醇作为原料来生产低碳烯烃的MTO技术，已成为发展新型煤化工产业、实现国家“以煤代油”战略的必由之路，其乙烯、丙烯产品以及下游的聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸、乙二醇等产品，市场前景广阔，我国正在进行该技术的研发工作。

3.3 多联产

相比于传统的焦炉煤气利用工艺，多联产系统可实现焦炉煤气的科学合理使用，大幅度提高资源和能源的利用效率，因此，焦炉煤气的多联产系统已成为我国能源领域中的热点。南京钢铁联合有限公司氢气一电力多联产项目的实施，不仅能产出低成本高附加值的产品氢气，而且，焦炉煤气提纯氢气后，其热值上升60%以上，用于火力发电，将大大减少烟气中水蒸汽含量与烟气热损失，缓解锅炉尾部烟道因蒸汽分压过高而引起的结露问题，提高锅炉热效率。这种多联产体系体现了焦炉煤气利用技术的发展方向[11]。

4 结语

(1)随着炼焦工业的发展和西气东输工程的实施，焦炉煤气已成为重要的能源资源和化工原料，充分利用这一资源对经济发展和环境保护有着巨大的推动作用。焦炉煤气的综合利用不要局限于某个行业、某个产品，而要拓宽思路，选择生产前景好、相对投资小、产品市场好、风险低、能耗低、装置操作弹性大和投资回报率高的技术成熟可靠的产品。

(2)焦炉煤气氢含量高，是宝贵的化工原料和氢源，具有多方面的利用途径。以焦炉煤气和气化气为基础的多联产系统，将会具有更广阔的发展前景。

[1]2012年1月-12月中国焦炭累计产量达4.43亿t[EB/OL].中国情报网，2013(2013-01-18)[2013-02-05].

[2]何建平.炼焦化学产品回收与加工[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]杨力，董跃，张永发，等.中国焦炉煤气利用现状及发展前景[J].山西能源与节能，2006，40(1)：1-4.

[4]杨敏建，张鸣林，韩梅，等.焦炉煤气利用现状及发展方向[J].煤矿现代化，2011(6)：1-4.

[5]邵秀永.焦炉煤气的回收与利用现状及发展方向[J].河北化工，2012，35(2)：13-15.

[6]李克兵，陈健.焦炉煤气和转炉煤气综合利用新技术[J].化工进展，2010，29(2)：325-327.

[7]李启辉，吴国光，王共远，等.焦炉煤气的利用与发展前景[J].能源技术与管理，2006(1)：63.

[8]邓彤，王洪兴.焦炉煤气的合理利用及价格确定之探讨[J].煤化工，2010，38(5)：14-17.

[9]高舰，刘建军.焦炉煤气发电技术分析[J].燃料与化工，2009，40(4)：32-33.

[10]王太炎.焦炉煤气开发利用的问题与途径Ⅲ.燃料与化工，2004，35(6)：1-3.

[11]杨力，董跃，张永发，等.中国焦炉煤气利用现状及发展前景.山西能源与节能，2006，40fl1：1-4.