焦爐煤氣的綜合利用及其意義

李慧敏

(晉中市節能監察支隊，山西 晉中 030600)

近年來，隨著我國焦化行業的結構調整，以及資源環境壓力的與日劇增，焦爐煤氣的綜合利用，已是迫切需要解決的問題。

1 焦爐煤氣綜合利用的重要性

焦爐煤氣是煉焦過程中的副產品，其主要成分為氫氣(54%～59%)和甲烷(23%～27%)，另外，還含有一定量的CO、CO2、N2等[1]。甲烷是僅次于二氧化碳的產生溫室效應的重要氣體，其溫室效應作用大約是CO2的21倍，焦爐煤氣直接放空將造成很嚴重的溫室效應。同時，焦爐煤氣中還含有焦油、萘、苯及硫氰等有害成分，若直接放散或放空燃燒，將嚴重污染周邊的環境。

據統計，一般生產1 t焦炭約副產焦爐煤氣400 m3(標準狀態)，2017年中國焦炭產量43 142.55萬t，煉焦伴生的焦爐煤氣，除了40%～45%用于保證焦化爐爐溫外，約富余焦爐煤氣950億m3，約5 428.3萬t，約占全國能源消費總量(449 000 t)的1.2%。每年煉焦富余的焦爐煤氣若不能妥善利用，勢必造成巨大的資源浪費和經濟損失。

“十二五”末期，我國焦炭產量趨于平穩，化解過剩產能和淘汰落后產能任務艱巨。為促進焦化行業結構調整和轉型升級，國家制定了焦化行業準入條件，要求焦爐煤氣有效回收利用。同時，環保約束力度與日劇增，國家鼓勵資源實現循環利用，焦爐煤氣的綜合利用成為了煉焦企業生存與發展的關鍵，焦爐煤氣綜合利用勢在必行。

2 焦爐煤氣的綜合利用的進展

焦爐煤氣熱值高，約16 746 kJ/m3,凈化后可以作為城市燃料或者工業燃料加以利用。焦爐煤氣富含CH4、H2、CO及CO2等有效組分，是優質的化工合成原料，工業企業利用焦爐煤氣主要生產甲醇[2]，提取氫氣[3]等。

2.1 焦爐煤氣生產甲醇

甲醇是重要的有機化工產品，目前生產甲醇的主要原料是煤和天然氣，原料首先通過加工轉化為CO、CO2和H2等甲醇合成氣，然后通過催化等技術合成甲醇。焦爐煤氣中富含有H2及一定量的CO2和CO，只需將其中的CH4和多余的多碳烴類物質催化轉化成一定比列的CO和H2，就可以滿足甲醇的生產。焦爐煤氣制甲醇工藝，如圖1所示。

圖1 焦爐煤氣制甲醇工藝

一般2 000 m3～2 200 m3焦爐煤氣生產1 t甲醇，年產120萬t焦炭的焦化廠，即可配套年產10萬t的甲醇裝置，使焦爐煤氣得到有效充分利用。

甲醇用途廣泛，不僅是甲醛、烯烴、二甲醚等化工產品的合成原料，也可以作為替代汽油緩解我國的石油供需矛盾。甲醇汽油燃燒較干凈，作為一種清潔能源燃料，其應用能加快新能源開發，促進能源結構轉型，促進經濟協調發展。

2.2 焦爐煤氣制取天然氣

焦爐中含有23%～27%的CH4，以及7%～12%的CO和CO2,凈化后的焦爐煤氣通過甲烷化反應，將其中的CO和CO2轉化為CH4[4]，不凝氣體經過變壓吸附裝置或者膜分離可獲得99%以上的H2，然后壓縮得到CNG，低溫分離可制取LNG。焦爐煤氣制天然氣工藝,如圖2所示。如果通過補碳技術，優化H/C比，再經甲烷化反應可最大量獲取天然氣。

圖2 焦爐煤氣制天然氣工藝

天然氣作為一種高效、優質、清潔的低碳能源在國際消費中所占比例逐年上升，我國由于“富煤貧油少氣”，2015年天然氣消費約占一次能源消費的6%，遠遠低于國際水平。近年來，因環境約束，天然氣逐步代替城市燃氣得到廣泛應用，利用焦爐煤氣經過甲烷化合成天然氣不僅可以使焦爐煤氣得到有效利用，還可以滿足市場對天然氣的需求，同時能夠改善我國的能源結構，對我國的能源安全、節能減排等方面也具有戰略意義。

2.3 焦爐煤氣制氫氣

氫氣以高熱值、無污染等特點被認為是理想能源。焦爐煤氣含有一半以上的H2，利用富氫的焦爐煤氣制氫氣可以在一定程度上緩解能源短缺問題，并獲得巨大的經濟和環境效益。焦爐煤氣制氫工藝,如圖3所示。工藝主要通過變溫/變壓吸附技術，依靠壓力或溫度的變化實現氣體吸附與再生，分離提取出高純度的H2，其純度可高達99.999%。

圖3 焦爐煤氣制氫工藝

氫氣是重要的化工原料[5]，如氫氣是合成氨、甲醇、天然氣的主要原料氣之一，氫氣也可以作為中間物質合成其他化工產品，如乙二醇等。

氫氣是最清潔的能源，本身無毒，且燃燒產物為水，不會造成環境污染；氫氣也是一種高能燃料，完全燃燒放出的熱量約為同質量甲烷的2倍多，液氫完全燃燒約為同質量汽油的3倍，現如今，液氫已應用于航天等領域；利用氫氣制備氫氧燃料電池，作為汽車的驅動能源，促進了新能源汽車開發使用。

2.4 焦爐煤氣合成氨

焦爐煤氣中富含一半以上的H2，是合成氨的原料氣之一，可用來生產化肥。焦爐煤氣中的CH4和CO等組分經過轉化變換后得到合成氨的原料氣H2，凈化后進入合成塔，在一定溫度壓強下和N2催化合成氨，繼而和CO2合成尿素。焦爐煤氣合成氨尿素工藝,如圖4所示。利用焦爐煤氣合成氨，技術可靠，是焦爐煤氣綜合利用的一種有效方式。

圖4 焦爐煤氣合成氨尿素工藝

2.5 焦爐煤氣的其他應用

焦爐煤氣熱值高，可作為氣體燃料，也可用來發電；焦爐煤氣中富含H2等有效氣體，可以作為生產鐵的還原性氣體，H2的還原潛能是CO的14倍，將焦爐煤氣中CH4裂解獲得H2和CO，以此作為煉鐵的還原性氣體，可大大降低煉鐵過程中煉焦煤和焦炭的消耗。

3 焦爐煤氣綜合利用的意義

3.1 避免資源浪費，實現資源循環利用

焦爐煤氣富含H2、CH4及CO等有效組分，凈化后可以用于合成氨、生產甲醇、天然氣及提取氫氣等，是有機化工的基礎合成原料。我國有著充足的焦爐煤氣資源，2017年中國焦炭產量43 142.55萬t，煉焦伴生的焦爐煤氣除回爐自用外約有950億m3富余，至少可提取500億m3寶貴的H2；若全部用來生產天然氣，大約可獲取360億m3天然氣，是西氣東輸的3倍，其利用價值可想而知。焦爐煤氣的有效利用，不僅使其變廢為寶，同時避免資源浪費，實現資源循環利用。

3.2 減少有害物質排放，促進節能減排

煉焦副產的焦爐煤氣中含有焦油、萘、氰、硫等有害成分，直接放散或放空燃燒會向大氣排放一定量的粉塵、硫氧化物、氮氧化物等有害物質，造成嚴重的環境污染。年產120萬t焦炭的焦化廠，每年約副產焦爐煤氣48 000萬m3焦爐煤氣，若其中20%直接放散，會造成約55 000 t能源損失。因此，有效利用焦爐煤氣可以減少有害物質排放，降低能源損耗，促進企業節能減排。

3.3 提升焦化企業競爭力，促進焦化行業轉型發展

為化解過剩產能，促進焦化行業結構調整和轉型升級，政府制定了焦化行業準入條件，要求常規焦爐及半焦爐煉焦企業焦爐利用率達到98%以上。利用先進節能減排技術高效凈化焦爐煤氣，并結合制天然氣、合成氨、氫氣、聯產甲醇合成氨等工藝促進焦爐煤氣深加工，可以減少企業的經濟損失，同時有利于煤化工產業鏈的延伸，提升企業競爭力，促進焦化行業轉型發展。

4 結語

我國有著豐富的焦爐煤氣資源，若不能綜合利用而直接放散或“點天燈”將造成巨大的資源浪費和環境污染，也會給企業帶來不小的經濟損失。近年來，隨著化解過剩產能，焦化行業實行準入原則，焦爐煤氣綜合利用不僅可以變廢為寶，改善我國的能源供給結構，緩解資源、環境約束，同時能夠促進焦化行業實現清潔、高效、健康可持續發展，提升煉焦企業的競增力，有力推進焦化行業轉型發展。