焦爐煤氣綜合開發利用途徑探析*

王育紅 高建偉

(中國平煤神馬集團能源化工研究院)

焦爐煤氣綜合開發利用途徑探析*

王育紅 高建偉

(中國平煤神馬集團能源化工研究院)

通過對國內焦爐煤氣開發利用現狀的分析，了解其綜合利用產業的發展趨勢。重點從七個方面闡述了中國平煤神馬集團研究焦爐煤氣開發利用途徑，充分發掘焦爐煤氣的資源潛能，推廣發電、生產甲醇、二甲醚、氫氣、乙炔等這些具有較好經濟效益的成熟可靠技術，著力研發焦爐煤氣等離子體制乙炔技術，前景廣闊。

焦爐煤氣 開發利用 問題與途徑

0 前言

我國是一個石油和天然氣資源較少，而煤炭資源相對豐富的國家。隨著全球石油資源的日益短缺，近幾年替代能源的研究和開發非常活躍。我國能源資源的結構秉性決定了適度發展現代煤化工對我國的能源戰略安全意義重大。國際原油價格高漲為煤化工發展提供了較大的競爭空間，較好的發展機遇。

中國平煤神馬集團是由原平煤集團、原神馬集團兩個中國500強企業聯合重組成立的一家跨區域、跨行業、跨所有制、跨國經營的特大型能源化工集團。集團利用平煤股份、神馬股份兩個上市公司平臺，通過企業聯合重組、投資擴能，實現煤炭采選、尼龍化工、煤焦化工、煤鹽化工四大支柱產業群和高新技術、電力、建工建材、裝備制造、物流貿易五個輔助產業群協同發展，形成了全球最完整、循環經濟特征最明顯的煤基化工產業鏈。

集團預計“十二五”期間焦炭產能將達1500萬t，有30億m3焦爐煤氣富余，這將是一個龐大的資源。利用集團富余的焦爐煤氣，研發市場急需、技術含量高的新產品，促使行業產品的生產及銷售率持續快速增長。

1 國內焦爐煤氣綜合利用產業發展現狀

我國是世界上最大的焦炭生產國，接近世界焦炭生產總量的60%，繼續穩居世界第一產焦炭大國地位。2008年受經濟危機影響，我國焦炭產量依然達到了3.27億t，全年焦爐煤氣發生量達l384.6億m3。其中有70%左右的焦爐煤氣用于企業自用、商用及城市居民用氣，剩余400多億m3的焦爐煤氣［1］。

焦爐煤氣主要成分是氫氣和甲烷，還有少量烯烴、一氧化碳和二氧化碳等。每生產1 t焦炭要產生430 m3左右的焦爐煤氣，其中一半用于回爐助燃，另一部分就得進行綜合利用。

國內焦爐煤氣綜合利用產業發展現狀:焦爐煤氣生產甲醇技術成熟可靠，進而合成二甲醚，生產人造汽油，是獨立焦化企業的最好選擇;變壓吸附制氫(PSA)值得關注和發展，是采用苯加氫精制技術企業的必選;利用焦爐煤氣發電產生的效益也不容忽視。最新研發的焦爐煤氣制甲醇及焦爐煤氣液化天然氣成為各大焦化企業的首選。但是焦爐煤氣綜合利用產業發展中存在許多不足，焦爐煤氣綜合利用是技術資本密集型產業，產業發展的關鍵是技術支撐問題。整體技術研發能力、資金支撐能力不足。從企業主體看，盡管有一些技術領先或一定規模的企業，但總體上產業集中度不高，企業的規模不夠大，實力不夠強，不足以支撐整個產業發展。具體表現在:一是產業層次較低。多數產品處于產業鏈中低端，缺乏高附加值優勢產品。特別是焦化行業中小型企業數量多，裝置落后、回收利用率低。二是技術創新不夠。研發投入不足，缺乏擁有自主知識產權的關鍵技術，核心競爭力不強，尤其是缺少有自主知識產權的創新品種及高技術含量的高新產品品種。三是高層次人才缺乏，企業自主創新能力較弱。

2 我國焦爐煤氣綜合利用發展趨勢

目前，我國焦爐煤氣綜合利用產業發展主要呈現三大趨勢:一是焦爐煤氣綜合利用產業進入快速成長期。隨著焦爐煤氣綜合利用技術不斷突破，焦爐煤氣制氫、焦爐煤氣生產甲醇進而合成二甲醚、焦爐煤氣制液化天然氣等新興環保節能產業正在快速形成;二是焦爐煤氣綜合利用產業成為各焦化企業競相搶占的戰略制高點。各地化工部門把焦爐煤氣綜合利用產業作為優先發展的戰略產業，紛紛制定發展規劃，加大政策扶持與資金投入，鼓勵企業積極開展焦爐煤氣綜合利用，實行優惠政策;三是國家把焦爐煤氣綜合利用列入發展煤化工中長期規劃。由國家發展改革委牽頭的“我國焦爐煤氣的綜合利用”科研課題已獲通過。氫能技術已被列入我國2015年遠景規劃(能源部分)。

3 中國平煤神馬集團焦爐煤氣綜合利用途徑

中國平煤神馬集團已被國家列入全國十三家大型煤炭基地之一，目前擁有煤炭資源115億t，通過資源整合逐步增加到150億t。集團已經確立了“以煤為本，相關多元化”的發展戰略，提高集團整體經濟實力，建設煤炭深加工，提高煤炭附加值是一條行之有效的途徑。

中國平煤神馬集團將瞄準焦爐煤氣綜合利用和煤化工產業領域國際先進水平，建設以國家需求和市場為導向、強化以焦爐煤氣綜合利用和煤化工技術龍頭企業為主體、跨行業產學研相結合的創新平臺，整合行業科技資源，融通行業的技術研發，開展焦爐煤氣綜合利用產業戰略研究、行業關鍵技術研究、設計及開發研究，提升焦爐煤氣綜合利用企業自主創新能力，努力使中國平煤神馬集團焦爐煤氣綜合利用產業實現起點高、技術新、規模大、配套強的總體目標。經過3～5年努力，中國平煤神馬集團焦爐煤氣綜合利用和煤化工產業整體技術水平達到國內領先、國際先進的地位，促使一批創新成果在企業實現產業化，從煤焦大企跨越為焦爐煤氣綜合利用和煤化工產業強企，使焦爐煤氣綜合利用成為集團新的經濟增長點。

中國平煤神馬集團具有全球煤化工行業最完整的產業鏈:原煤—焦炭—焦爐煤氣(提氫)—尼龍66鹽—工業絲—簾子布。集團確立了大焦化戰略，充分利用集團資源優勢，正在從七個方面研究焦化焦爐煤氣綜合開發利用途徑:①利用焦爐煤氣作加熱燃料;②利用焦爐煤氣發電;③利用焦爐煤氣制合成氣，生產合成氨;④利用焦爐煤氣合成甲醇、二甲醚;⑤利用焦爐煤氣變壓吸附制氫;⑥利用焦爐煤氣制乙炔;⑦利用焦爐煤氣生產天然氣。

3.1 傳統的利用方式——加熱燃料

焦爐煤氣的傳統利用方式普遍用于燃料，作為不同加熱設備的氣體燃料，延用近百年的歷史。與固體燃料比較，有使用便捷、管道輸送和傳熱效率高等優點，受到工業和民用的青睞。

利用焦爐煤氣生產炭黑新工藝的研究就是以焦爐煤氣為燃料，以煤焦油為原料，采用油——氣技術路線。工藝特點:采用新型反應爐，利用在線高溫空氣預熱器和油預熱器，強化反應條件，提高產品質量和收率，降低一次消耗。利用焦爐煤氣特性，結合炭黑生產技術特點，研究開發利用焦爐煤氣作燃料生產炭黑的新工藝技術，擴大了炭黑生產的燃料范圍;高效焦爐煤氣噴嘴的研制，結合焦爐煤氣特點，加長燃燒器長度，在燃燒器的配風結構上采用同向雙旋流溝槽，兩風道入風，增大燃燒器燃燒噴嘴的配風湍流程度，使燃燒火焰更加穩定;開發研制新型煤氣型反應爐，加大反應面積，結合煤氣燃燒均勻的特點，改進燃燒室結構。

3.2 利用焦爐煤氣發電

利用富余焦爐煤氣，選擇可靠性高、可連續性生產的直燃式航空發電機組進行發電，減少能源浪費，減少溫室氣體甲烷的排放，保護環境。焦爐煤氣發電后的尾氣余熱進行回收，建立空調中心，夏天向井下和辦公樓等地點供冷，冬天向井口和辦公樓等地點供暖。

中國平煤神馬集團朝川焦化公司采用的燃氣輪機發電，由粗苯來的凈化后的煤氣經煤氣壓縮機加壓到0.9 MPa送往六臺2000 kW的QDR2型燃氣輪發電機組，燃氣輪機尾氣余熱設置六臺6.5 t/h的余熱鍋爐，機組裝機容量為15000 kW，自耗電量達9.97%，每小時能外供13489 kW，運行情況良好。

3.3 利用焦爐煤氣制合成氣，生產合成氨

以焦爐氣為原料生產合成氨裝置的核心是焦爐氣的凈化和轉化。轉化采用了富氧催化轉化;凈化部分的關鍵主要是硫的脫除，尤其是有機硫的脫除、合成氣精制等流程組合。

其工藝路線:首先將來自焦化廠初步凈化后的剩余焦爐煤氣匯總后進入兩臺并聯的電捕焦油器進一步脫除煤氣中的焦油霧滴，然后依次進入硫銨工序和洗脫苯工序，脫除焦爐氣中的氨和回收焦爐氣中的苯，再進入氣柜進行混合、緩沖，通過羅茨鼓風機升壓，進入濕法脫硫裝置脫除焦爐氣中的H2S，經壓縮機加壓至2.3 MPa，送干法精脫硫裝置，將氣體中的總硫脫至標準狀態7 mg/m3以下。利用空分裝置送來的富氧，混入蒸汽進行催化部分氧化轉化，將氣體中的甲烷及少量碳烴轉化為CO和H2，轉化后的高溫氣體經廢熱鍋爐回收熱量降溫后，補加蒸汽進入變換工序的中進行CO變換反應，然后進入精脫硫槽，將氣體中的總硫體積分數脫至3×10－6以下。而煤氣發生爐生產的半水煤氣，單獨進行壓縮、凈化，中溫變換之后也進入精脫硫槽，與轉化后的變換氣混合，一起進入低溫變換爐進行深度變換。變換后的氣體進入脫碳裝置脫除C02，再經甲烷化裝置精制，合格的氫氮氣經合成氣壓縮機加壓至31.4 MPa送往氨合成裝置。采用傳統的高壓氨合成工藝技術，選用氨凈值高、塔阻力小、先進可靠的DN1800合成塔內件，設置后置式廢熱鍋爐及軟水預熱器，回收合成反應熱，副產2.45 MPa中壓蒸汽。

主要設備:原料氣壓縮機(低壓機)型號:4M20－220/23－BX;合成氣壓縮機(高壓機)型號:M－24.3/15.314。

3.4 利用焦爐煤氣生產甲醇、二甲醚

由于焦爐煤氣中CH4含量為23%～27%，恰為天然氣生產甲醇的一段爐出口的CH4含量范圍。因此，焦爐氣制甲醇可以省去天然氣制甲醇工藝的一段爐，直接入二段爐進行轉化。

利用焦爐煤氣合成甲醇是一項環保項目，既解決了焦爐煤氣的排空污染問題，同時也解決了眾多焦化企業的煤氣出路問題。甲醇是優良的汽車代用燃料，它由焦爐煤氣合成的生產技術已十分成熟，作為代用燃料，優勢在于:

1)技術成熟、生產可大型化，原料資源十分豐富，可保證供應;

2)經濟性好，具有很強的競爭力;

3)車用燃料的整體環境效益優良。

甲醇不僅可以代替汽油作動力燃料，還是一種重要的有機化工原料，可用來生產甲醛、醋酸等一系列化工產品。

利用焦爐煤氣加壓至2.2 MPa后送去脫硫，使焦爐煤氣中含硫降至0.1 ×10－6以下(包括有機硫)，然后采用純氧部分氧化法轉化工藝將氣體中的甲烷及少量多碳烴轉化為甲醇原料氣的有用成份一氧化碳和氫，轉化后的氣體經合成氣壓縮機壓至5.3 MPa，進入甲醇合成、精餾裝置及二甲醚反應器［2］。

從合成氣為原料合成甲醇的化學反應為:

甲醇脫水反應為:

副反應:

利用焦爐煤氣合成甲醇、二甲醚成本低，在市場競爭中有明顯優勢，對節約能源、減輕環境污染、維護生態平衡起到重要作用，具有很好的經濟、社會和環境效益。

3.5 利用焦爐煤氣變壓吸附制氫

氫氣是一種寶貴的資源，焦爐煤氣中H2含量約為55%，焦爐煤氣作為燃料燃燒，H2被燃燒掉，資源利用效率較低，因為H2熱值較低，不宜直接作為燃料燃燒。而利用焦爐煤氣制氫，所損失的熱量由發生爐煤氣作補充，既提高了焦爐煤氣的熱值及數量，又獲得了寶貴的氫氣資源，為下游產業尼龍－66鹽提供原材料，達到中國平煤神馬集團產業鏈的完美續接。

采用變壓吸附分離技術，是國家重點推廣的先進成熟的技術，已進入大規模工業應用領域，目前國內多家公司采用該項技術建成氫氣回收裝置，運行狀況良好。

變壓吸附的基本原理:利用吸附劑對不同氣體的吸附容量、吸附力、吸附速度隨壓力的不同而有差異的特性，在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附混合物中的易吸附組份(通常是物理吸附)，當吸附床減壓時，解吸這些吸附組份，從而使吸附劑得到再生。采用兩塔或多塔交替循環操作，實現工藝過程的連續。

吸附壓力:根據變壓吸附工作原理，提高吸附壓力(由所采用的吸附材料和被吸附雜質組份的等溫吸附線性能在一定范圍內確定)、降低解吸壓力，可以減少設備尺寸和吸附材料用量，降低裝置投資。然而提高吸附壓力會增加原料氣壓縮的能耗，使裝置的操作費用上升。一般情況下吸附壓力是根據所能提供的原料壓力或所需的產品氫氣壓力結合雜質組份的吸附——解吸性能而確定。

吸附劑的選擇:工業上常用的吸附材料有:硅膠類、氧化鋁類、活性炭類、分子篩類等吸附劑;另外還有針對某種組份選擇性吸附而研制的特殊吸附材料。吸附劑對各氣體組份的吸附性能是通過實驗測定靜態下的等溫吸附線和動態下的穿透曲線來評價的。吸附劑的良好吸附性能是分離過程的基本條件。

根據生產裝置所需，氫氣壓力為1.2 MPa。本裝置PSA－H2吸附壓力按1.3 MPa進行設計，輸出氫氣壓力為1.2 MPa。

其關鍵設備:原料氣壓縮機，型號:LG－340/5.5;冷凍機型號:JZLG16C;真空泵型號:2BE1 303。

總之，利用焦爐煤氣為原料，采用成熟先進的變壓吸附分離技術，生產高純度氫氣，使現有資源得到合理利用，充分發揮中國平煤神馬集團焦爐煤氣優勢，既可解決尼龍化工公司擴產后原料氫氣缺口問題，又可解決富余煤氣排空污染問題，是一個多方受益的綜合項目，具有較好的經濟和社會效益。

3.6 利用焦爐煤氣制乙炔技術途徑

乙炔既廣泛用于機械加工等許多行業，又是我國一種重要的化工原料。國內年消耗乙炔150萬t，年增長率10%。

利用電石法生產乙炔，因生產成本高、能耗大且污染嚴重等問題，因而對生產乙炔清潔生產法有急迫切的需求。目前乙炔清潔生產方法有:

1)部分氧化法—BASF:資源利用率低(6000 m3/t C2H2)、必須與其他過程組合、投資大、過程控制復雜;

2)電弧等離子體裂解法—HULS:已有工業化、資源利用率高投資低、能耗高、電極壽命短(150 h);

3)等離子體裂解煤:研究階段(煤品、裝置)、沒有工業化經驗。

焦爐煤氣中CH4含量為23%～29%，通過變壓吸附制氫后，CH4含量為45%左右。利用微波復合直流等離子體將甲烷裂解生產乙炔。微波復合直流等離子體的特點:綜合了現有高溫電弧等離子體和低溫等離子體的優點，電極壽命顯著延長;用于甲烷轉化，轉化率高、能量效率高、乙炔能耗低。

等離子體焦爐煤氣制乙炔技術就是將等離子體這一超常及新型技術引進焦爐煤氣轉化過程，利用等離子體具有能量高度集中、超高溫區域窄、沿徑向有極大的溫度、壓力梯度和高速的等離子體射流等優點，在幾毫秒時間內將焦爐煤氣加熱到1250℃以上，甲烷在小于40 ms時間內完成快速裂解重整的反應過程，生成富含乙炔、氫氣和乙烯的裂解氣。該工藝克服了傳統煤制乙炔工藝流程長、能耗高、對環境污染嚴重等缺點，從而取代污染嚴重、能耗高的傳統的煤－電石－乙炔途徑。

等離子體裂解焦爐煤氣中的甲烷制乙炔工藝過程與常規的催化轉化過程不同。在等離子體裂解過程中，反應物被強電場電擊穿分解為自由電子、中性活性基團，在隨后的的復合過程中只要能夠提供合適的條件就可以獲得相應的目標產物。等離子體化學合成與常規催化合成過程的不同點主要體現在:不需要催化劑，沒有催化劑中毒、再生的問題;工藝過程、反應裝置簡單，開停車快速、方便;對反應物組成的要求沒有常規催化過程中要求的那么嚴格。

集團與中科院沈陽金屬所聯合開發等離子體焦爐煤氣制乙炔技術，目前正在建設50 t/年焦爐煤氣制乙炔小試生產線，2013年建設2000 t/年焦爐煤氣制乙炔工業化試驗裝置。項目建成后，可帶動集團煤、鹽產業的協調發展，填補國內用焦爐煤氣制備乙炔技術的空白。

3.7 利用焦爐煤氣生產液化天然氣

液化天然氣作為可持續發展的清潔能源，具有明顯的社會和環境效益。液化天然氣正以每年約12%的速度增長，2007年中國進口291萬t液化天然氣，2008年1～12月，中國液化天然氣進口總量為333 萬 t。

很多城市在汽車燃料方面逐步用液化天然氣或天然氣代替燃油，在中小城鎮采用液化天然氣作為氣源供居民使用已越來越普及，液化天然氣是許多工業不可缺少的特種燃料。

以焦爐煤氣為原料，經過壓縮、凈化、甲烷提純、甲烷深冷四個部分生產合格的液化天然氣(LNG)。其關鍵技術就是將焦爐煤氣中的一氧化碳、氮氣等和甲烷分離。

目前，集團已與新奧集團合作建設焦爐煤氣生產LNG項目，總投資3億元，年處理焦爐煤氣量2.4億m3，生產液化天然氣9400萬Nm3/年左右，市場定位為高端車用燃料。

4 結束語

焦爐煤氣是現代社會生活的重要資源，“以煤為基礎、多元發展”是我國煤化工發展的基本方針，要充分發掘焦爐煤氣的資源潛能，推廣發電、生產甲醇、二甲醚、氫氣、乙炔、液化天然氣等這些具有較好經濟效益的成熟可靠技術，著力研發前景廣闊的焦爐煤氣等離子體技術及 熱裂解合成氣技術，對提高資源利用效率、發展循環經濟、建設節約型社會具有十分重要的意義，是煉焦企業可持續發展的必然選擇，有著廣闊的發展前景，已成為煉焦企業新的經濟增長點。

［1］徐廣成.加強煉焦行業結構調整［J］.中國焦化業，2007(5):21－23.

［2］門長貴.制取甲醇合成原料氣的煤氣化工藝技術選擇.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

*聯系人:王育紅，高級工程師，河南.平頂山(467000)，中國平煤神馬集團能源化工研究院煤化所;

2011—3—31