中国焦炉煤气利用现状评述

张 艳

(山西省投资咨询和发展规划院，山西 太原 030008)

工业革命以后，由于人口爆炸和工业的快速发展，全球能源需求不断增加。现有的化石能源满足不了工业及民用的需要。除了探索可再生能源替代品之外，必须综合利用可用的能源资源以发挥其最大潜力。目前，我国焦化企业产生大量的焦炉煤气，其被认为是具有较高价值的可利用能源。

1 焦炉煤气充分利用的必要性

焦炉煤气是焦炭生产过程中产生的一种能被综合利用的副产品。一般来讲，1t煤大致可产生0.63～0.77t焦炭，并且产225～250m3的焦炉煤气[1]。中国焦炭产地分布十分广阔，除个别省份如海南等均有产焦，年产量均在1.50×106t以上。其中，山西、河北、陕西、山东与内蒙古等地的年产量均在3×107t以上。我国的焦化企业高达600多家，年产1×106t以上就有200多家，分布在我国28个区域。它是页岩气(四川、重庆等地)、煤层气(山西地区)与煤制气(新疆、内蒙古等地)等气源种类所不能企及的。2018年我国产焦炭共计4.4亿吨，占全世界总产量的65%左右。同年我国焦炉煤气的产量大概为1.2×1011m3。但是，只有一半以上的焦炉煤气用作燃料；小部分焦炉煤气作为生产其他化工产品的原料，其余的被直接排到了大气中。不仅对环境造成了重创，还浪费了相当大量的能源。因此，迫切需要开发新技术去综合利用焦炉煤气。

2 焦炉煤气的性能

在天然气出现之前，焦炉煤气被用于满足英国谢菲尔德和伯明翰等工业城市的国内能源需求。然而，随着天然气的大量开采，焦炉煤气很快被天然气取代。焦炉煤气的主要成分是可燃气体(60%～65%H2和20%～25%CH4)，其成分随着焦化所用煤的种类不同而发生改变。尽管焦炉煤气被认为是非标准的气体燃料，但它仍然具有合理的能量含量和热值，这取决于煤的性质和所用的碳化类型。 如前所述，碳化过程的类型显著影响焦炉煤气的产生及其性质。在700℃下进行的低温碳化过程产生半焦，导致较低的焦炉煤气和氨产率，产生较高的焦油；在此过程中释放的焦炉煤气具有高热值和低H2含量。 高温碳化产生高的焦炉煤气产率，而且相比产生的焦炉煤气的热值较低，具有高H2含量。

3 焦炉煤气利用技术

3.1 焦炉煤气发电

焦炉煤气发电的主要工艺有三种，分别为蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机[2]。

(1)蒸汽轮机的原理是将焦炉气在汽锅中直接点燃。其产生的热量直接穿过汽锅内的管道将水气化成水蒸汽，通过蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电。此技术优点是对煤种要求低、操作简单，而且无需对焦炉煤气进行净化处理，运行较为稳定，已在国内焦化企业中已广泛被应用。缺点是发电效率低，仅为20%；同时具有能耗高、设备占地面积大、发电入网难和效益低等缺点。该技术仅仅适用于大型的发电机组。

(2)燃气轮机是将空气和燃料在高压下混合燃烧，随后空气快速膨胀，从而驱动设备发电。由于快速不断的做功，能够使用热值偏低焦炉煤气直接作为燃料。此工艺优点是成本低、占地面积小、用时少；缺点是发电效率较低，仅28%。

(3)内燃机发电的原理是将焦炉煤气直接点燃从而驱动设备，它的发电效率远远超过了蒸汽轮机和燃气轮机，大致为30%～40%。该技术具有发电效率高，设备结构紧凑、质量轻、操作方便、启动快等优点，而且能综合利用余热。2006年，山东金能煤炭气化厂利用该技术工艺成功示范了我国第一个焦炉气热电联产项目，此项目每日可耗焦炉煤气2.3×105m3，平均1m3的焦炉气能产生1600W的电和3090的水蒸气[3]。2011年，世界首个焦炉煤气内燃机联合发电的项目在河南利源焦化成功运行，此项目的发电机组容量为6×107W，每日发电1.4×106kWh产水蒸汽1000多吨，成为我国最大的轻型内燃机焦炉煤气发电项目[3]。

3.2 焦炉煤气用作燃料

20世纪中后期，受天然气和液化石油气严重稀缺的局限，各地建设了部分焦化厂供应城市做为气体燃料。对比固体燃料，将焦炉煤气作为气体燃料运输更为简便，传热效率更高。但是，随着国家对能源开发技术的提高，天然气和液化石油气被普遍使用，再加上国家“西气东输”的开发，很多地方均开始采用天然气作为主要燃料。以山西的太原为例，焦炉煤气做燃料的焦化厂由最开始的1个，扩建到之后的2个；但随着天然气管道的铺设，2个焦化厂已经完成历史的使命，推出了历史的舞台。但是目前很多离"西气东输"路线较远的偏远地区，仍在继续使用焦炉煤气作为主要的气体燃料。

3.3 焦炉煤气制天然气

20世纪70年代由于天然气价格暴涨，焦炉煤气制天然气的技术开发首先在西方国家兴起，此技术研究在80年代到达了顶峰。其中国外具代表性的工艺技术主要有英国的戴维、丹麦的托普索和日本的日挥[4]。焦炉煤气制甲烷在我国发展相对较晚，2006年西南化工研究院和中国科学院大连化物所才在实验室开发出了两种焦炉煤气制天然气的工艺技术。2012年新矿内蒙恒坤化工厂首个焦炉煤气制甲烷项目投产，该项目年产天然气1.3×107m3。截止2016年，我国已拥有焦炉煤气制天然气的企业20多家，年产天然气46亿m3。而我国天然气企业共计170多家，年产天然气354亿m3。也就是说，用焦炉煤气制备的天然气为我国天然气总供应量的12.9%。

焦炉煤气制取的天然气传输简便，可使用已有的供气管路，直接与“西气东输”工程的天然气管网合并来供应城市的气体燃料。焦炉煤气制取的天然气不仅可以通过已有线路输送到目的地，还能够进一步转变为压缩或液化天然气[5]，便于储存。基于经济效益考虑，焦炉气单价为0.5元/m3左右，通进一步净化和液化后的单价大致为2～2.5元/m3。然而，在离"西气东输"路线较远的地区，天然气的单价远高于焦炉煤气制天然气的成本价。在该背景下，焦炉煤气制天然气在这些区域很大的发展潜力。不单这样，焦炉煤气制天然气的CH4纯度达99%以上，比普通的管道天然气更好。

在我国，煤制天然气虽然还没有得到很高的重视。但是，焦炉煤气制天然气作为一种变废为宝的环保类项目很具有发展潜力，尤其在我国天然气单价不断上升的情形下。从国家层面而言，我国的生产的天然气远远无法满足我国对其的需求。2017年，我国天然气的进口量已高达9.2×1010m3，从国外进口约39%。在该况状下，只要成本适中，焦炉煤气制天然气将会进一步发展，并且我天然气对外依存度能降低1%～2%。

3.4 焦炉煤气制氢

焦炉煤气中氢含量高达55%～60%，从焦炉煤气中将H2分离出来是焦炉煤气综合利用的一种有效方式。目前，氢气分离主要有生冷技术[6]和变压吸附技术[7]两大类。由于生冷技术制氢需要在高压下进行、设备复杂并产生的氢气纯度较低(<90%)，故现阶段最常用的分离制氢主要采用变压吸附技术。虽然各个焦化企业产生的焦炉煤气的组成有一定的差异，所采用的变压吸附制氢的工艺也略有差异，但其工艺大致可分为5个阶段：首先对焦炉煤气通过压缩处理除去苯和焦油等；然后进入冷冻净化分离工序，进一步去掉一些杂质组分；接着进入脱碳烃和脱硫工序，脱去相对应的杂质；最后进入变压吸附制氢和脱氧程序，利用焦炉煤气中各杂质的沸点不同，经过吸附剂选择性的吸附将H2留下，再将少量的脱去，使氢气纯度达到99.9%。从20世纪中后开始，我国建成了100～5000 m3/h系列焦炉煤气变压分离制氢设备。焦炉煤气制氢极大的提升了焦炉煤气的利用价值，但其工艺的发展也受市场的需求影响较大，未来的发展方向是开发相应的利用技术。

3.5 焦炉煤气制甲醇

早期的焦炉煤气制甲醇通常使用高压法，但此方法的投入大。随着甲醇合成工艺的提高，低压法不仅避免了高压法的不足而且减少了副产品的产生。低压法制甲醇主要包括三大模块，焦炉煤气脱硫，氧化处理和甲醇的合成。其中，焦炉煤气脱硫分为湿法脱硫和干法脱硫，分别脱去H2S和有机硫杂质；经脱硫后的焦炉气主要成分是CH4、H2和CO，经过氧化处理后，部分CH4转变为CO和H2；经过氧化后的焦炉煤气在催化剂的作用下合成甲醇。未反应的气体可以重新返回系统，既能避免能源浪费也提高了甲醇的生产产率。

目前我国各企业使用焦炉煤气为原料制备甲醇的总产能已超过1000万吨，年利用焦炉煤气大约为216亿m3。其中，以赛鼎公司研究的“气相低压甲醇合成工艺”最具典型性。另外具有典型的还有四川天一科技股份有限公司研发的“纯氧一蒸汽部分转化、低压合成、三塔精馏”工艺[9]，河北金牛旭阳化工有限公司将此工艺用于焦炉煤气制甲醇的项目，月产甲醇1.7×104t[10]。虽然焦炉煤气制备甲醇有许多优点，但目前我国甲醇企业总体产能过剩，许多企业亏损运营。所以，在考虑焦炉煤气的综合利用时不仅要关注焦炉煤气合成甲醇，还应该考虑其他有市场需求的下游化工产品。

3.6 焦炉煤气生产还原铁

传统高炉炼铁由于焦炭的易得性和高炉技术的不断改进而在世界范围内得到了广泛的应用。高炉炼铁工艺几乎占全球炼铁总量的90%。虽然该工艺被认为是高效的，但它也有一些缺点，比如运行成本高，以及生产过程产生二氧化碳和氧化硫(SOx)等气体污染物。焦煤炉气中含有高比例的CH4和H2，可直接作为还原气用于还原铁；与高炉技术相比投资成本低。而且焦炉煤气直接还原法工艺环境友好，对高品位焦炭的依赖程度较低，可以作为钢铁工业中炼铁具有潜力的替代的方法。Ahrendt和Beggs[11]还发明了含硫焦炉煤气用于直接还原铁的工艺，该方法是基于焦炉气体的原位脱硫，之后在高温下用于直接还原铁。或者，可以在蒸汽重整下将纯化的焦炉煤气转化为还原气体，并且所得的气体可以产生直接还原铁。尽管焦炉煤气直接还原生产海绵铁具有很多优势，但由于以下几个原因使得我国焦炉煤气用于直接还原铁的规模相对很小。其一，由于还原法对铁矿的品质要求较为严格，我国符合生产海绵铁的铁矿石资源稀缺，大部分需要进口；第二，大型钢铁联合企业剩余的焦炉煤气被用作热源，剩余待利用的焦炉煤气量很少。

3.7 焦煤炉气制合成氨

化肥一般通过无烟煤气化等工序制成，其缺点是成本较高且对设备要求较高。为了降低成本和充分利用焦炉煤气资源，以山西焦化厂为代表的几大焦化厂投产了以焦炉煤气为原料制合成氨的项目。就经济效益而言，用焦炉煤气制氨的生产成本比使用无烟煤制氨的成本低，并具有成品整体性能较为稳定并且容易储藏等优点。目前有典型性的项目主要是山西华瑞18～30项目和中煤九鑫18～30项目[9]。但由于受到进口化肥等市场因素，焦炉煤气制备化肥的工业发展较为缓慢。

4 结论

目前，为了满足全球不断增长的能源需求，不仅需要开发可再生能源，而且需要高效的使用已有能源。以煤为主要资源的中国，也受着能源供不应求的冲击。焦化产业总会产生大量的焦炉煤气，随着处理工艺的提高，合理综合利用焦炉煤气将会为多种行业带来巨大的经济收益同时缓解环境和能源短缺的压力。焦化厂在寻焦炉煤气综合利用的方案时，需要分析各种利用技术的优缺点，结合市场状况和企业自身条件进行反复甄选，最后选择最佳的利用方案，争取达到社会和企业的利益最大化。