劉凌云 楊海舟 李靜靜 秦玲玲

(1.新干縣環(huán)境保護(hù)局，江西 新干 331300；2.四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究院，四川 成都 610041；3.鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064)

我國(guó)是世界鋼鐵大國(guó)之一，焦炭產(chǎn)量也位居世界前列，且一直呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其產(chǎn)量由2004年的2.09億t增長(zhǎng)到2012年的4.43億t[1]，占世界焦炭生產(chǎn)總量的60%以上，在生產(chǎn)焦炭過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量達(dá)1945億m3，相當(dāng)于6.5個(gè)2012年西氣東輸工程年輸氣量(300億m3)，如此之大的焦?fàn)t煤氣產(chǎn)生量若能夠得到充分合理的利用，所帶來(lái)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益都將是巨大的。因此，如何高效、合理地綜合利用焦?fàn)t煤氣是事關(guān)國(guó)家資源綜合利用、節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的重大課題，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)資源的循環(huán)利用和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 焦?fàn)t煤氣的組成及綜合利用的可行性

煙煤隔絕空氣加熱到950～1050℃，經(jīng)過(guò)干燥、熱解、熔融、黏結(jié)、固化、收縮等過(guò)程最終制得焦炭，這一過(guò)程叫高溫?zé)捊?。煉焦除了可以得到焦炭外，還可以得到氣體產(chǎn)品—荒煤氣(也稱粗煤氣)?；拿簹饨?jīng)過(guò)電捕焦油器脫除焦油、濕法脫硫、酸洗脫氨、洗油脫苯后成為凈焦?fàn)t煤氣。凈焦?fàn)t煤氣的組成如表1所示[2]。

表1 凈焦?fàn)t煤氣的組成

從表1可看出，焦?fàn)t煤氣中含有大量的H2和CH4，另外還含有少量的CO、CO2、N2、O2及CnHm等，其中H2、CH4、CO和CnHm為可燃組分，CO2、N2和O2為不可燃組分。焦?fàn)t煤氣的組分性質(zhì)，決定了其主要利用途徑有以下幾個(gè)方面：發(fā)電、燃料、制氫、制甲醇、制天然氣、生產(chǎn)海綿鐵的還原劑等[3-7]。

2 焦?fàn)t煤氣綜合利用現(xiàn)狀

2.1 焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電

焦?fàn)t煤氣作為燃料用于發(fā)電，是焦?fàn)t煤氣的一種有效的用途。采用焦?fàn)t煤氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的原煤發(fā)電，具有熱效率高、輸送成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電有3種方式，分別為蒸汽機(jī)發(fā)電、燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電[3，7-8]。

①蒸汽輪機(jī)發(fā)電由鍋爐、凝汽式汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組組成，利用鍋爐直接燃燒焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)蒸汽，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電[9]。該技術(shù)成熟可靠，已在國(guó)內(nèi)焦化行業(yè)中廣泛應(yīng)用，但發(fā)電效率只有20%，發(fā)電入網(wǎng)難、效益不高。

②燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是直接燃燒焦?fàn)t煤氣來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，這種方式具有效率高、設(shè)備占地少、效益好和啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是存在著進(jìn)口壓力要求高、可靠性較差和使用壽命等問(wèn)題。

③燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的工作原理與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相似，由火花塞點(diǎn)火，用煤氣機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于內(nèi)燃機(jī)是燃料的熱能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)化率高，投資回收期短，所以在焦化企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 焦?fàn)t煤氣用作燃料

焦?fàn)t煤氣的傳統(tǒng)利用方式是作為不同加熱設(shè)備的氣體燃料，與固體燃料相比較，有使用便捷、可以管道輸送和傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到民用和工業(yè)的青睞。

民用燃料：凈化后的焦?fàn)t煤氣可通入城市供氣管網(wǎng)作為居民用氣。焦?fàn)t煤氣熱值較高，一氧化碳含量低，是人工煤氣中最適合作為民用燃?xì)獾臍怏w，但與天然氣相比，焦?fàn)t煤氣無(wú)論從熱值、燃燒產(chǎn)物，還是潔凈度方面，都不如天然氣。近年來(lái)，雖然西氣東輸為一些地區(qū)使用天然氣提供了便利條件，天然氣替代了大量的焦?fàn)t煤氣，但在天然氣輸送不到的地方，焦?fàn)t煤氣仍可作為主要的民用燃?xì)馐褂谩?/p>

工業(yè)燃料：焦?fàn)t煤氣作為工業(yè)燃料，主要應(yīng)用在3個(gè)方面：①焦化企業(yè)在化學(xué)產(chǎn)品回收和凈化過(guò)程中，作為加熱用的燃料；②焦化企業(yè)用剩余的焦?fàn)t煤氣作為發(fā)電燃料；③作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的煉鋼、燒結(jié)、軋鋼燃料。

2.2 焦?fàn)t煤氣用于制氫

氫能是一種清潔無(wú)污染的能源，代表未來(lái)能源的發(fā)展方向。利用焦?fàn)t煤氣制氫，在我國(guó)已有多年的歷史，其生產(chǎn)技術(shù)成熟，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，特別是與水電解法制氫相比，經(jīng)濟(jì)效益顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)[10]，水電解法制氫耗電為6.5kwh·m-3，而焦?fàn)t煤氣制氫耗電僅為0.5kwh·m-3，生產(chǎn)規(guī)模為1000m3/h的制氫裝置，每年節(jié)約電費(fèi)500～800萬(wàn)元，相當(dāng)于1000m3/h的制氫裝置的總投資。我國(guó)已確立把焦?fàn)t煤氣重整技術(shù)作為開(kāi)發(fā)氫能源的重要途徑。焦?fàn)t煤氣含有50%以上的氫氣，制氫的主要方法是采用變壓吸附技術(shù)來(lái)分離氫氣。

2.3 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇

焦?fàn)t煤氣組分本身含有甲烷24%～28%，煤氣中甲烷及高碳烴轉(zhuǎn)化成合成氣后，在6.0MPa壓強(qiáng)下即可完成甲醇合成，流程短，反應(yīng)速度快，焦?fàn)t煤氣利用率高，數(shù)據(jù)表明，2000-2200m3焦?fàn)t煤氣可生產(chǎn)1t甲醇。通過(guò)對(duì)我國(guó)特定地區(qū)相同規(guī)模的焦?fàn)t煤氣、天然氣、煤為原料制甲醇的消耗成本投資比較可以發(fā)現(xiàn)，焦?fàn)t煤氣制甲醇具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，焦?fàn)t煤氣甲烷轉(zhuǎn)化工藝主要有催化氧化轉(zhuǎn)化法、非催化轉(zhuǎn)化法、蒸汽轉(zhuǎn)化法3種，催化氧化轉(zhuǎn)化法因其流程短、投資低而被廣泛采用。

2.4 焦?fàn)t煤氣用于制天然氣

天然氣作為國(guó)際社會(huì)認(rèn)同的一種清潔能源和化工原料，具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠、改善生活等特點(diǎn)。大力發(fā)展天然氣，符合世界能源發(fā)展的趨勢(shì)。焦?fàn)t氣(或焦?fàn)t煤氣)制天然氣技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)焦?fàn)t氣綜合利用新技術(shù)。焦?fàn)t氣制天然氣工藝技術(shù)主要有2種。一種是以“焦?fàn)t氣甲烷化制備天然氣”為代表的“甲烷化工藝”，另一種是以“焦?fàn)t煤氣聯(lián)合凈化分離制備天然氣”為代表的“分離工藝”。

焦?fàn)t煤氣制天然氣技術(shù)先進(jìn)，工藝簡(jiǎn)單，在提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境、獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了較大的社會(huì)效益，焦?fàn)t煤氣的綜合利用促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了廢氣再利用，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。同時(shí)，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)起到積極的推動(dòng)作用，利用焦?fàn)t煤氣制取天然氣將成為未來(lái)一段時(shí)期焦?fàn)t煤氣綜合利用的方向。

2.5 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)海綿鐵的還原劑

經(jīng)過(guò)甲烷化反應(yīng)后，焦?fàn)t煤氣中的CH4轉(zhuǎn)化成H2和CO，可作為還原劑直接還原含雜質(zhì)較少的高品位鐵礦來(lái)生產(chǎn)海綿鐵。以年產(chǎn)焦炭200萬(wàn)t的焦化廠估算，每年可外供焦?fàn)t煤氣4.5億m3，裂解后能夠得到還原氣6.9億m3，可生產(chǎn)海綿鐵27萬(wàn)t，以230元/t利潤(rùn)計(jì)算，每年可獲利6000多萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。目前，我國(guó)直接還原鐵的產(chǎn)量很低，僅為20萬(wàn)t/a左右，而實(shí)際需求量已超過(guò)500萬(wàn)t，國(guó)內(nèi)海綿鐵需求基本上依賴進(jìn)口。

3 焦?fàn)t煤氣利用前景展望

3.1 清潔化

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，國(guó)家對(duì)每年焦?fàn)t氣排空量提出了嚴(yán)格的限制，《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》明確規(guī)定，新上焦?fàn)t必須同步配套焦?fàn)t煤氣回收裝置，《焦化行業(yè)準(zhǔn)人條件》對(duì)焦?fàn)t煤氣凈化的指標(biāo)還作了具體規(guī)定?？梢?jiàn)，焦?fàn)t煤氣凈化問(wèn)題越來(lái)越受到重視，其清潔化利用符合國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略，特別是焦?fàn)t煤氣經(jīng)脫硫、脫氰后，不但更加清潔環(huán)保，而且其可燃成分更高、雜質(zhì)更低，其利用價(jià)值自然得以提高。目前，國(guó)內(nèi)大中型焦化企業(yè)普遍認(rèn)為：焦?fàn)t煤氣的清潔化利用是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高資源綜合利用率的迫切要求，也是企業(yè)生存的需要。

3.2 走以甲醇為原料的新的化工發(fā)展之路

利用甲醇作為原料來(lái)生產(chǎn)低碳烯烴的MTO技術(shù)，已成為發(fā)展新型煤化工產(chǎn)業(yè)、實(shí)現(xiàn)國(guó)家“以煤代油”戰(zhàn)略的必由之路，其乙烯、丙烯產(chǎn)品以及下游的聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸、乙二醇等產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊，我國(guó)正在進(jìn)行該技術(shù)的研發(fā)工作。

3.3 多聯(lián)產(chǎn)

相比于傳統(tǒng)的焦?fàn)t煤氣利用工藝，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣的科學(xué)合理使用，大幅度提高資源和能源的利用效率，因此，焦?fàn)t煤氣的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)已成為我國(guó)能源領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。南京鋼鐵聯(lián)合有限公司氫氣一電力多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，不僅能產(chǎn)出低成本高附加值的產(chǎn)品氫氣，而且，焦?fàn)t煤氣提純氫氣后，其熱值上升60%以上，用于火力發(fā)電，將大大減少煙氣中水蒸汽含量與煙氣熱損失，緩解鍋爐尾部煙道因蒸汽分壓過(guò)高而引起的結(jié)露問(wèn)題，提高鍋爐熱效率。這種多聯(lián)產(chǎn)體系體現(xiàn)了焦?fàn)t煤氣利用技術(shù)的發(fā)展方向[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著煉焦工業(yè)的發(fā)展和西氣東輸工程的實(shí)施，焦?fàn)t煤氣已成為重要的能源資源和化工原料，充分利用這一資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)有著巨大的推動(dòng)作用。焦?fàn)t煤氣的綜合利用不要局限于某個(gè)行業(yè)、某個(gè)產(chǎn)品，而要拓寬思路，選擇生產(chǎn)前景好、相對(duì)投資小、產(chǎn)品市場(chǎng)好、風(fēng)險(xiǎn)低、能耗低、裝置操作彈性大和投資回報(bào)率高的技術(shù)成熟可靠的產(chǎn)品。

(2)焦?fàn)t煤氣氫含量高，是寶貴的化工原料和氫源，具有多方面的利用途徑。以焦?fàn)t煤氣和氣化氣為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，將會(huì)具有更廣闊的發(fā)展前景。

[1]2012年1月-12月中國(guó)焦炭累計(jì)產(chǎn)量達(dá)4.43億t[EB/OL].中國(guó)情報(bào)網(wǎng)，2013(2013-01-18)[2013-02-05].

[2]何建平.煉焦化學(xué)產(chǎn)品回收與加工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]楊力，董躍，張永發(fā)，等.中國(guó)焦?fàn)t煤氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].山西能源與節(jié)能，2006，40(1)：1-4.

[4]楊敏建，張鳴林，韓梅，等.焦?fàn)t煤氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].煤礦現(xiàn)代化，2011(6)：1-4.

[5]邵秀永.焦?fàn)t煤氣的回收與利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].河北化工，2012，35(2)：13-15.

[6]李克兵，陳健.焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣綜合利用新技術(shù)[J].化工進(jìn)展，2010，29(2)：325-327.

[7]李啟輝，吳國(guó)光，王共遠(yuǎn)，等.焦?fàn)t煤氣的利用與發(fā)展前景[J].能源技術(shù)與管理，2006(1)：63.

[8]鄧彤，王洪興.焦?fàn)t煤氣的合理利用及價(jià)格確定之探討[J].煤化工，2010，38(5)：14-17.

[9]高艦，劉建軍.焦?fàn)t煤氣發(fā)電技術(shù)分析[J].燃料與化工，2009，40(4)：32-33.

[10]王太炎.焦?fàn)t煤氣開(kāi)發(fā)利用的問(wèn)題與途徑Ⅲ.燃料與化工，2004，35(6)：1-3.

[11]楊力，董躍，張永發(fā)，等.中國(guó)焦?fàn)t煤氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.山西能源與節(jié)能，2006，40fl1：1-4.