我国焦炉煤气甲烷化利用技术的进展

供稿| 钱红辉，丰恒夫

我国焦炉煤气甲烷化利用技术的进展

供稿| 钱红辉，丰恒夫

内容导读

焦炉煤气作为优质的二次能源，富含H2（54%～59%）、CH4（23%～28%）等可燃气体，在催化剂作用下进行甲烷化反应，将CO、CO2与H2转化成主要含甲烷、氢气、氮气的混合气；再采用气体分离技术制得甲烷浓度在～90%的合成天然气（SNG）；进一步压缩得到压缩天然气（CNG）；再经进行液化分离生产液化天然气（LNG）。合成天然气是焦炉煤气资源化利用的最佳方式，前景十分广阔，但工艺路线亟需优化。

近年来我国焦炉煤气的利用问题，已成为独立焦化企业生存发展的关键，“焦炉煤气甲烷化生产天然气”这一热门课题，随之受到业内人士极大关注。综合利用好我国的焦炉煤气，寻求新的经济增长点，是焦化企业节能减排的重要内容，是实现可持续发展的重大技术措施。

表1 焦炉煤气主要成分

我国焦炉煤气综合利用现状

炼焦企业一般每生产1t焦炭，同时生产400 m3左右的焦炉煤气，焦炉煤气主要可燃成分氢气（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），含量见表1。焦炉煤气的热值为17～19 MJ/Nm3，是优质的中热值气体燃料，除民用外，广泛用于工业企业，如陶瓷厂、水泥厂、玻璃厂窑炉的加热燃料。从20世纪90年代开始逐步开发出发电、生产化肥、提氢等工艺，本世纪初我国又开发出焦炉煤气制甲醇技术。

由于焦炉煤气中含有50%以上的氢气，只需将焦炉煤气中的甲烷转化成一定比例的CO和H2，进而合成甲醇，加入汽油中掺烧或代替汽油作为动力燃料，甲醇汽油从掺兑15%到100%使用甲醇均可。2004年12月我国自主开发的世界上第一套炼焦煤气制甲醇装置（8×104 t/a），在云南曲靖大为炼焦制气供气厂成功运行，我国目前有近70套不同规模的利用焦炉煤气生产甲醇的装置。2011年甲醇消费量2500万t，而产量仅有2000万t左右，虽然比2010年增加了27%，但是仍然有500万t的缺口。

焦炉煤气用作气体燃料是最廉价的应用方法，而用于发电或者生产化肥，则成本高，利润微薄，缺乏竞争能力。焦炉煤气制甲醇由于驰放气中H2没有得到充分利用，造成原料气的浪费，况且近年来甲醇产量大增，需求低迷。与发电、制甲醇相比，焦炉煤气转化天然气利用效率最高达60%，其单位热值水耗却是其中最低的，仅为0.18～0.23 t/GJ。

焦炉煤气甲烷化利用可行性

天然气是一种多组分的混合气体，其主要成分是CH4，另有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）及丁烷（C4H10）。在标准状况下，CH4至C4H10以气体状态存在。天然气广泛应用于城市燃气、车用及特种燃料，是一种清洁型能源，燃烧后产生的污染仅为液化石油气的1/4，煤的1/800。

由于焦炉煤气富含H2、CH4与CO，因此可通过甲烷化反应来提高热值，使绝大部分CO、CO2转化成CH4，经进一步分离提纯后可以得到CH4体积分数90%以上的合成天然气(SNG)，再经压缩得到压缩天然气(CNG)，或经液化得到液化天然气(LNG )。

LNG是通过在常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体,可以大大节约储存空间及远距离运输成本，而且具有热值大、性能高等特点，是一种新型清洁能源，越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的稀缺清洁资源，正在成为世界油气工业新的热点。

目前我国天然气消费量占一次能源消费比例只有3%～4%，远低于世界25%的平均水平。近年来我国天然气应用呈现两个特点：一是市场处于快速发展期，二是价格处于逐步上升期，天然气以年产量13.2%的速率增长，其消费市场已经扩展到全国30个省市区。

图1 焦炉煤气制天然气工艺流程

焦炉煤气甲烷化工艺路线

利用焦炉煤气富氢、高甲烷的特点，进行化工合成资源化的开发，是我国炼焦工作者孜孜追求的课题，焦炉煤气制天然气的核心技术是焦炉气的甲烷化合成工艺。

第一步是焦炉气净化：焦炉气经过压缩、气体变压吸附分离技术脱除萘、焦油、苯等，再加氢转化优劣，逐步实现规模化，解决工艺参数的优化，扩大高压设备的国产化问题，科研院校抓好技术的研发，开发适合中国实际的廉价催化剂及高效分离元件，促进焦炉气生产天然气效益的最大化。

焦炉煤气甲烷化利用前景

脱硫，使总硫含量降低到0.1ppm。

第二步是焦炉煤气甲烷合成：其目的是使焦炉煤气中的CO、CO2与H2进行反应生成CH4。

甲烷合成反应是强放热反应，以焦炉气组成为基准，每1%CO转化为甲烷，气体的绝热温升约为63℃；每1%的CO2转化为甲烷，气体绝热温升约为50℃。

第三步是甲烷分离提纯：甲烷合成反应后的气体组分中甲烷含量在60%左右，然后合成气进入变压吸附或膜分离装置，将大部分的氢、氮低热值组分分离出去，分别得到富甲烷的天然气和富氢气气体。该合成天然气完全符合国家规定的管道天然气的标准GB17820－1999，且部分数据远远优于该标准，可以利用管道输送到用户，也可以经过压缩得到CNG，或进一步液化而生产出液化天然气(LNG)，不仅原料与能量利用率高，且工艺流程优化简捷。

西南化工研究设计院开发了具有自主知识产权的焦炉气预处理、甲烷化、净化分离合成天然气成套集成工艺线路，见图1。

我国焦炉气甲烷化技术关键工艺路线已经打通，继而是要以甲烷化核心技术作为提高产业竞争力的突破口，总结代表性示范项目的运行实践，比较各流程的

2011年我国焦炭产量达42779万t，即同时产生至少1700亿 m3的焦炉煤气，虽然炼焦煤气放散率每年均以5%～8%的速率递减，但仍有大约70至90亿 m3的焦炉煤气被放散浪费掉，相当于每年损失掉500万 t标准煤。而我国能源结构特点是“缺油、少气、富煤”，天然气资源人均占有率还不到世界平均水平的10%，近5年来平均增速达17.6%。“十二五”期间，天然气占一次能源消费的比重将由目前4%上升到8%。焦炉煤气制天然气是最为现实的路径选择，它具有几大明显的优势。

首先是清洁。焦炉煤气制天然气过程中的耗水量和CO2排放在各种煤化工工艺中处于低端，而且燃烧过程中几乎不排放有害气体。

其次是高效。我国提高能效的空间非常大，利用集成方式发展煤气制天然气，对煤炭的转化利用进行全生命周期管理，可以极大提高能源转换效率和使用效率，使全生命周期的能效达到80%以上。

第三是便捷。我国煤炭产区主要位于中西部省区，而能源消耗主要在东南沿海等经济活跃地区，产需的不平衡造成煤炭资源异地“大搬家”。发展焦炉煤气制天然气，可以将西部丰饶的煤炭资源就地转化为天然气，并通过地下输气管道长距离输送到消费区域。

焦炉煤气甲烷化工艺技术开辟了焦炉煤气高效利用新途径，将成为焦化企业新的经济增长点，2011年仅仅山西省就签定25了个天然气合同。2012年将是投入实用的一年，预计正在建设及前期准备的项目超过10个，山东菏泽富海能源公司及邯郸裕泰集团的焦炉煤气制液化天然气（LNG）规模均为8万t/a，这些项目今年内均将陆续建成投产，构建了焦化行业新的产业发展链条。

结束语

焦炉煤气甲烷化生产天然气，投资小，消耗低，无污染、能量利用率高、产品市场前景好，技术已趋于成熟，是焦化企业煤气利用的较佳选择，被众多焦化企业看中，对促进焦化行业节能减排与产业可持续发展具有重要的意义。

钱红辉，高级工程师，毕业于武汉科技大学，长期从事焦炉煤气净化利用生产技术管理

丰恒夫，高级工程师，毕业于武汉科技大学，长期从事焦化生产技术管理，中国炼焦行业协会副秘书长

Progress of Coke Oven Gas Methanization Using Technology in China

QIAN Hong-hui, FENG Heng-fu

book=78,ebook=48