煤焦化企业煤气化学加工利用路线探讨

王海斌

(潞安环能股份公司 焦化产业部，山西 长治 046204)

煤气化、煤液化、煤焦化是现代煤炭深加工的三大途径，各有其相应的技术经济条件限制和加工工艺优势，其中煤焦化的上游是煤炭开采和洗选业，下游是炼钢、铁合金、电石等冶炼行业，煤焦化是处于能源产业链和冶炼产业链之间的一个相对独立的行业或产业。从经济的角度讲，在工业系统中，煤焦化一肩挑两重，东方不亮西方亮，有其独特的经济优势，一般情况下不会造成亏损；从技术的角度讲，煤焦化过程中副产的硫磺、粗苯、焦油是必要的精细化工原料，在发达经济体中，已经用这些原料生产出多达几百种具有极高附加值的精细化工产品。在粗放型生产的年代，焦炉煤气大都通过放散直接燃烧，造成极大的资源浪费和环境污染。近年来我国政府提出明确要求，焦炉煤气不但不能放散，而且不支持发电等直接燃烧使用，要求必须化学加工。

关于焦炉煤气的化学加工利用，不同焦化企业各有千秋，各具特色，但万变不离其宗，都是追求碳氢组合的效益最大化，这一点从焦炉煤气的构成中可以明确看出，焦炉煤气经过“三脱”净化处理后的基本组分见表1。

表1 焦炉煤气净化处理后的基本组分

就焦化煤气化学加工利用的各种碳氢组合工艺而言，主流思路可以归集为三种路线，即甲醇路线、LNG路线和耦合煤液化或煤气化路线。

1 三种路线的工艺流程比较

1) 甲醇路线。即焦化煤气生产甲醇联产合成氨，需经甲烷转化，气体中的CO、CO2和H2均为合成甲醇的有效气体成分，甲醇合成主要反应为：CO + 2H2=CH3OH ， CO2+ 3H2=CH3OH + H2O。新鲜合成气中氢碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=2.05～2.15。基本流程见图1。

图1 焦化煤气生产甲醇工艺流程

2) LNG路线。即焦化煤气生产液化天然气(LNG)副产氢气，需经过甲烷化，将气体中的CO 和CO2转化成甲烷，气体中的CO、CO2和H2也均为合成甲烷的有效气体成分，甲烷合成主要反应为：CO+3H2=CH4+H2O，CO2+4H2=CH4+2H2O。新鲜合成气中氢碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=3.1～3.3。基本流程见图2。

图2 焦化煤气生产液化天然气工艺流程

3) 关于耦合煤液化或煤气化路线，主要是焦化煤气运用于费托合成。以潞安集团具有知识产权的钴基固定床费托合成工艺为例，该工艺依托潞安集团与兄弟单位共同研发，生产费托蜡，其产品石蜡经过异构脱蜡后为润滑油基础油。主要化学反应包括F-T 合成的主反应和一些主要副反应。具体是生成烷烃nCO+(2n+1)H2=CnH2(n+1)+2nH2O；生成烯烃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；积炭反应2CO =C+CO2。除了以上 6 个反应以外，还有生成更高碳链的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物的次要副反应。基本流程见图3。

通过上述工艺流程比较，可以看出，LNG副产氢气路线流程最短，工艺最简单。

2 经济比较

按10万Nm3/h焦炉煤气的处理量以及目前产品价格计算，比较三种路线的投入产出比，见表2。

由表2可以看出：路线一，甲醇联产合成氨，甲醇为基础化工原料，应用领域在不断扩大，价格相对稳定，但投资较大，投入产出比相对较高。路线二，LNG副产氢气投资最小，效益最好，投入产出比相对最低，能获得低成本氢，如果配合山西省氢能源规划，下游配套加氢站，经济效益比较明显。路线三，钴基费托蜡联产合成氨，全球范围内仅有3家公司掌握该技术，潞安集团就是其中一家，且潞安集团也正在积极推广该技术，该方案除项目自身经济效益较优外，对潞安费托蜡技术的推广也有很大促进作用，但投资较大，投入产出比相对较高，就焦炉煤气的使用而言，LNG路线更具工艺简洁性和经济效益可期性。

表2 三种路线的投入产出比

图3 耦合煤液化或煤气化工艺流程

综上所述，焦炉煤气的化学加工，在目前氢能源如火如荼的发展形势下，第二种方案比较有市场倾向性。特别需要说明的是，氢的热值高(140.4 MJ/kg)，是同质量液化石油气的2.5倍、汽油的3倍、焦炭的4.5倍，可以高效地转化为其他形式的能量，是极佳的储能介质，大大提高了能源系统的灵活性。且与其他燃料相比，氢能源是最清洁的，燃烧产物只有水，而水又可以利用错峰弃电电解生成氢气，实现能源利用的可循环和全周期的绿色清洁。因此，氢作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源或储能介质，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择，氢能逐渐成为全球能源技术革命的重要方向，焦化产业对接氢能产业链具有广阔的前景。

3 结 语

对焦化企业，焦炉煤气化学加工，走LNG副产氢气路线是不错的选择。在LNG路线中提取的氢气，属于副产品回收利用，相对于其他制氢方式而言，是一种低成本高利润的制氢方式，不但在氢能源发展的道路上将有明显的社会经济效益，而且能对焦化企业经营效益起到托底性作用，既能保证焦炉煤气化学加工利用，又能使焦化企业随着加氢站建设、氢燃料电池技术发展及整个氢能产业链的逐步形成，逐渐融入氢能市场体系。