供稿| 錢紅輝，豐恒夫

我國焦爐煤氣甲烷化利用技術的進展

供稿| 錢紅輝，豐恒夫

內(nèi)容導讀

焦爐煤氣作為優(yōu)質(zhì)的二次能源，富含H2（54%～59%）、CH4（23%～28%）等可燃氣體，在催化劑作用下進行甲烷化反應，將CO、CO2與H2轉(zhuǎn)化成主要含甲烷、氫氣、氮氣的混合氣；再采用氣體分離技術制得甲烷濃度在～90%的合成天然氣（SNG）；進一步壓縮得到壓縮天然氣（CNG）；再經(jīng)進行液化分離生產(chǎn)液化天然氣（LNG）。合成天然氣是焦爐煤氣資源化利用的最佳方式，前景十分廣闊，但工藝路線亟需優(yōu)化。

近年來我國焦爐煤氣的利用問題，已成為獨立焦化企業(yè)生存發(fā)展的關鍵，“焦爐煤氣甲烷化生產(chǎn)天然氣”這一熱門課題，隨之受到業(yè)內(nèi)人士極大關注。綜合利用好我國的焦爐煤氣，尋求新的經(jīng)濟增長點，是焦化企業(yè)節(jié)能減排的重要內(nèi)容，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大技術措施。

表1 焦爐煤氣主要成分

我國焦爐煤氣綜合利用現(xiàn)狀

煉焦企業(yè)一般每生產(chǎn)1t焦炭，同時生產(chǎn)400 m3左右的焦爐煤氣，焦爐煤氣主要可燃成分氫氣（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），含量見表1。焦爐煤氣的熱值為17～19 MJ/Nm3，是優(yōu)質(zhì)的中熱值氣體燃料，除民用外，廣泛用于工業(yè)企業(yè)，如陶瓷廠、水泥廠、玻璃廠窯爐的加熱燃料。從20世紀90年代開始逐步開發(fā)出發(fā)電、生產(chǎn)化肥、提氫等工藝，本世紀初我國又開發(fā)出焦爐煤氣制甲醇技術。

由于焦爐煤氣中含有50%以上的氫氣，只需將焦爐煤氣中的甲烷轉(zhuǎn)化成一定比例的CO和H2，進而合成甲醇，加入汽油中摻燒或代替汽油作為動力燃料，甲醇汽油從摻兌15%到100%使用甲醇均可。2004年12月我國自主開發(fā)的世界上第一套煉焦煤氣制甲醇裝置（8×104 t/a），在云南曲靖大為煉焦制氣供氣廠成功運行，我國目前有近70套不同規(guī)模的利用焦爐煤氣生產(chǎn)甲醇的裝置。2011年甲醇消費量2500萬t，而產(chǎn)量僅有2000萬t左右，雖然比2010年增加了27%，但是仍然有500萬t的缺口。

焦爐煤氣用作氣體燃料是最廉價的應用方法，而用于發(fā)電或者生產(chǎn)化肥，則成本高，利潤微薄，缺乏競爭能力。焦爐煤氣制甲醇由于馳放氣中H2沒有得到充分利用，造成原料氣的浪費，況且近年來甲醇產(chǎn)量大增，需求低迷。與發(fā)電、制甲醇相比，焦爐煤氣轉(zhuǎn)化天然氣利用效率最高達60%，其單位熱值水耗卻是其中最低的，僅為0.18～0.23 t/GJ。

焦爐煤氣甲烷化利用可行性

天然氣是一種多組分的混合氣體，其主要成分是CH4，另有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）及丁烷（C4H10）。在標準狀況下，CH4至C4H10以氣體狀態(tài)存在。天然氣廣泛應用于城市燃氣、車用及特種燃料，是一種清潔型能源，燃燒后產(chǎn)生的污染僅為液化石油氣的1/4，煤的1/800。

由于焦爐煤氣富含H2、CH4與CO，因此可通過甲烷化反應來提高熱值，使絕大部分CO、CO2轉(zhuǎn)化成CH4，經(jīng)進一步分離提純后可以得到CH4體積分數(shù)90%以上的合成天然氣(SNG)，再經(jīng)壓縮得到壓縮天然氣(CNG)，或經(jīng)液化得到液化天然氣(LNG )。

LNG是通過在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃，使之凝結(jié)成液體,可以大大節(jié)約儲存空間及遠距離運輸成本，而且具有熱值大、性能高等特點，是一種新型清潔能源，越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點。

目前我國天然氣消費量占一次能源消費比例只有3%～4%，遠低于世界25%的平均水平。近年來我國天然氣應用呈現(xiàn)兩個特點：一是市場處于快速發(fā)展期，二是價格處于逐步上升期，天然氣以年產(chǎn)量13.2%的速率增長，其消費市場已經(jīng)擴展到全國30個省市區(qū)。

圖1 焦爐煤氣制天然氣工藝流程

焦爐煤氣甲烷化工藝路線

利用焦爐煤氣富氫、高甲烷的特點，進行化工合成資源化的開發(fā)，是我國煉焦工作者孜孜追求的課題，焦爐煤氣制天然氣的核心技術是焦爐氣的甲烷化合成工藝。

第一步是焦爐氣凈化：焦爐氣經(jīng)過壓縮、氣體變壓吸附分離技術脫除萘、焦油、苯等，再加氫轉(zhuǎn)化優(yōu)劣，逐步實現(xiàn)規(guī)模化，解決工藝參數(shù)的優(yōu)化，擴大高壓設備的國產(chǎn)化問題，科研院校抓好技術的研發(fā)，開發(fā)適合中國實際的廉價催化劑及高效分離元件，促進焦爐氣生產(chǎn)天然氣效益的最大化。

焦爐煤氣甲烷化利用前景

脫硫，使總硫含量降低到0.1ppm。

第二步是焦爐煤氣甲烷合成：其目的是使焦爐煤氣中的CO、CO2與H2進行反應生成CH4。

甲烷合成反應是強放熱反應，以焦爐氣組成為基準，每1%CO轉(zhuǎn)化為甲烷，氣體的絕熱溫升約為63℃；每1%的CO2轉(zhuǎn)化為甲烷，氣體絕熱溫升約為50℃。

第三步是甲烷分離提純：甲烷合成反應后的氣體組分中甲烷含量在60%左右，然后合成氣進入變壓吸附或膜分離裝置，將大部分的氫、氮低熱值組分分離出去，分別得到富甲烷的天然氣和富氫氣氣體。該合成天然氣完全符合國家規(guī)定的管道天然氣的標準GB17820－1999，且部分數(shù)據(jù)遠遠優(yōu)于該標準，可以利用管道輸送到用戶，也可以經(jīng)過壓縮得到CNG，或進一步液化而生產(chǎn)出液化天然氣(LNG)，不僅原料與能量利用率高，且工藝流程優(yōu)化簡捷。

西南化工研究設計院開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焦爐氣預處理、甲烷化、凈化分離合成天然氣成套集成工藝線路，見圖1。

我國焦爐氣甲烷化技術關鍵工藝路線已經(jīng)打通，繼而是要以甲烷化核心技術作為提高產(chǎn)業(yè)競爭力的突破口，總結(jié)代表性示范項目的運行實踐，比較各流程的

2011年我國焦炭產(chǎn)量達42779萬t，即同時產(chǎn)生至少1700億 m3的焦爐煤氣，雖然煉焦煤氣放散率每年均以5%～8%的速率遞減，但仍有大約70至90億 m3的焦爐煤氣被放散浪費掉，相當于每年損失掉500萬 t標準煤。而我國能源結(jié)構(gòu)特點是“缺油、少氣、富煤”，天然氣資源人均占有率還不到世界平均水平的10%，近5年來平均增速達17.6%?！笆濉逼陂g，天然氣占一次能源消費的比重將由目前4%上升到8%。焦爐煤氣制天然氣是最為現(xiàn)實的路徑選擇，它具有幾大明顯的優(yōu)勢。

首先是清潔。焦爐煤氣制天然氣過程中的耗水量和CO2排放在各種煤化工工藝中處于低端，而且燃燒過程中幾乎不排放有害氣體。

其次是高效。我國提高能效的空間非常大，利用集成方式發(fā)展煤氣制天然氣，對煤炭的轉(zhuǎn)化利用進行全生命周期管理，可以極大提高能源轉(zhuǎn)換效率和使用效率，使全生命周期的能效達到80%以上。

第三是便捷。我國煤炭產(chǎn)區(qū)主要位于中西部省區(qū)，而能源消耗主要在東南沿海等經(jīng)濟活躍地區(qū)，產(chǎn)需的不平衡造成煤炭資源異地“大搬家”。發(fā)展焦爐煤氣制天然氣，可以將西部豐饒的煤炭資源就地轉(zhuǎn)化為天然氣，并通過地下輸氣管道長距離輸送到消費區(qū)域。

焦爐煤氣甲烷化工藝技術開辟了焦爐煤氣高效利用新途徑，將成為焦化企業(yè)新的經(jīng)濟增長點，2011年僅僅山西省就簽定25了個天然氣合同。2012年將是投入實用的一年，預計正在建設及前期準備的項目超過10個，山東菏澤富海能源公司及邯鄲裕泰集團的焦爐煤氣制液化天然氣（LNG）規(guī)模均為8萬t/a，這些項目今年內(nèi)均將陸續(xù)建成投產(chǎn)，構(gòu)建了焦化行業(yè)新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條。

結(jié)束語

焦爐煤氣甲烷化生產(chǎn)天然氣，投資小，消耗低，無污染、能量利用率高、產(chǎn)品市場前景好，技術已趨于成熟，是焦化企業(yè)煤氣利用的較佳選擇，被眾多焦化企業(yè)看中，對促進焦化行業(yè)節(jié)能減排與產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

錢紅輝，高級工程師，畢業(yè)于武漢科技大學，長期從事焦爐煤氣凈化利用生產(chǎn)技術管理

豐恒夫，高級工程師，畢業(yè)于武漢科技大學，長期從事焦化生產(chǎn)技術管理，中國煉焦行業(yè)協(xié)會副秘書長

Progress of Coke Oven Gas Methanization Using Technology in China

QIAN Hong-hui, FENG Heng-fu

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