李慧敏

(晉中市節(jié)能監(jiān)察支隊，山西 晉中 030600)

近年來，隨著我國焦化行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及資源環(huán)境壓力的與日劇增，焦?fàn)t煤氣的綜合利用，已是迫切需要解決的問題。

1 焦?fàn)t煤氣綜合利用的重要性

焦?fàn)t煤氣是煉焦過程中的副產(chǎn)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(chǎn)生溫室效應(yīng)的重要氣體，其溫室效應(yīng)作用大約是CO2的21倍，焦?fàn)t煤氣直接放空將造成很嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。同時，焦?fàn)t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(yán)重污染周邊的環(huán)境。

據(jù)統(tǒng)計，一般生產(chǎn)1 t焦炭約副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣400 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，2017年中國焦炭產(chǎn)量43 142.55萬t，煉焦伴生的焦?fàn)t煤氣，除了40%～45%用于保證焦化爐爐溫外，約富余焦?fàn)t煤氣950億m3，約5 428.3萬t，約占全國能源消費(fèi)總量(449 000 t)的1.2%。每年煉焦富余的焦?fàn)t煤氣若不能妥善利用，勢必造成巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

“十二五”末期，我國焦炭產(chǎn)量趨于平穩(wěn)，化解過剩產(chǎn)能和淘汰落后產(chǎn)能任務(wù)艱巨。為促進(jìn)焦化行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，國家制定了焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件，要求焦?fàn)t煤氣有效回收利用。同時，環(huán)保約束力度與日劇增，國家鼓勵資源實現(xiàn)循環(huán)利用，焦?fàn)t煤氣的綜合利用成為了煉焦企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵，焦?fàn)t煤氣綜合利用勢在必行。

2 焦?fàn)t煤氣的綜合利用的進(jìn)展

焦?fàn)t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(yè)燃料加以利用。焦?fàn)t煤氣富含CH4、H2、CO及CO2等有效組分，是優(yōu)質(zhì)的化工合成原料，工業(yè)企業(yè)利用焦?fàn)t煤氣主要生產(chǎn)甲醇[2]，提取氫氣[3]等。

2.1 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇

甲醇是重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，目前生產(chǎn)甲醇的主要原料是煤和天然氣，原料首先通過加工轉(zhuǎn)化為CO、CO2和H2等甲醇合成氣，然后通過催化等技術(shù)合成甲醇。焦?fàn)t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(zhì)催化轉(zhuǎn)化成一定比列的CO和H2，就可以滿足甲醇的生產(chǎn)。焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝，如圖1所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝

一般2 000 m3～2 200 m3焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)1 t甲醇，年產(chǎn)120萬t焦炭的焦化廠，即可配套年產(chǎn)10萬t的甲醇裝置，使焦?fàn)t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(chǎn)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(yīng)用能加快新能源開發(fā)，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 焦?fàn)t煤氣制取天然氣

焦?fàn)t中含有23%～27%的CH4，以及7%～12%的CO和CO2,凈化后的焦?fàn)t煤氣通過甲烷化反應(yīng)，將其中的CO和CO2轉(zhuǎn)化為CH4[4]，不凝氣體經(jīng)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?fàn)t煤氣制天然氣工藝,如圖2所示。如果通過補(bǔ)碳技術(shù)，優(yōu)化H/C比，再經(jīng)甲烷化反應(yīng)可最大量獲取天然氣。

圖2 焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝

天然氣作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔的低碳能源在國際消費(fèi)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(fèi)約占一次能源消費(fèi)的6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際水平。近年來，因環(huán)境約束，天然氣逐步代替城市燃?xì)獾玫綇V泛應(yīng)用，利用焦?fàn)t煤氣經(jīng)過甲烷化合成天然氣不僅可以使焦?fàn)t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(jié)構(gòu)，對我國的能源安全、節(jié)能減排等方面也具有戰(zhàn)略意義。

2.3 焦?fàn)t煤氣制氫氣

氫氣以高熱值、無污染等特點被認(rèn)為是理想能源。焦?fàn)t煤氣含有一半以上的H2，利用富氫的焦?fàn)t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(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。焦?fàn)t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(shù)，依靠壓力或溫度的變化實現(xiàn)氣體吸附與再生，分離提取出高純度的H2，其純度可高達(dá)99.999%。

圖3 焦?fàn)t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(zhì)合成其他化工產(chǎn)品，如乙二醇等。

氫氣是最清潔的能源，本身無毒，且燃燒產(chǎn)物為水，不會造成環(huán)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(zhì)量甲烷的2倍多，液氫完全燃燒約為同質(zhì)量汽油的3倍，現(xiàn)如今，液氫已應(yīng)用于航天等領(lǐng)域；利用氫氣制備氫氧燃料電池，作為汽車的驅(qū)動能源，促進(jìn)了新能源汽車開發(fā)使用。

2.4 焦?fàn)t煤氣合成氨

焦?fàn)t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(chǎn)化肥。焦?fàn)t煤氣中的CH4和CO等組分經(jīng)過轉(zhuǎn)化變換后得到合成氨的原料氣H2，凈化后進(jìn)入合成塔，在一定溫度壓強(qiáng)下和N2催化合成氨，繼而和CO2合成尿素。焦?fàn)t煤氣合成氨尿素工藝,如圖4所示。利用焦?fàn)t煤氣合成氨，技術(shù)可靠，是焦?fàn)t煤氣綜合利用的一種有效方式。

圖4 焦?fàn)t煤氣合成氨尿素工藝

2.5 焦?fàn)t煤氣的其他應(yīng)用

焦?fàn)t煤氣熱值高，可作為氣體燃料，也可用來發(fā)電；焦?fàn)t煤氣中富含H2等有效氣體，可以作為生產(chǎn)鐵的還原性氣體，H2的還原潛能是CO的14倍，將焦?fàn)t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?fàn)t煤氣綜合利用的意義

3.1 避免資源浪費(fèi)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用

焦?fàn)t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(chǎn)甲醇、天然氣及提取氫氣等，是有機(jī)化工的基礎(chǔ)合成原料。我國有著充足的焦?fàn)t煤氣資源，2017年中國焦炭產(chǎn)量43 142.55萬t，煉焦伴生的焦?fàn)t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(chǎn)天然氣，大約可獲取360億m3天然氣，是西氣東輸?shù)?倍，其利用價值可想而知。焦?fàn)t煤氣的有效利用，不僅使其變廢為寶，同時避免資源浪費(fèi)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。

3.2 減少有害物質(zhì)排放，促進(jìn)節(jié)能減排

煉焦副產(chǎn)的焦?fàn)t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(zhì)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。年產(chǎn)120萬t焦炭的焦化廠，每年約副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣48 000萬m3焦?fàn)t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?fàn)t煤氣可以減少有害物質(zhì)排放，降低能源損耗，促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排。

3.3 提升焦化企業(yè)競爭力，促進(jìn)焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展

為化解過剩產(chǎn)能，促進(jìn)焦化行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，政府制定了焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件，要求常規(guī)焦?fàn)t及半焦?fàn)t煉焦企業(yè)焦?fàn)t利用率達(dá)到98%以上。利用先進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)高效凈化焦?fàn)t煤氣，并結(jié)合制天然氣、合成氨、氫氣、聯(lián)產(chǎn)甲醇合成氨等工藝促進(jìn)焦?fàn)t煤氣深加工，可以減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，同時有利于煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，提升企業(yè)競爭力，促進(jìn)焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

4 結(jié)語

我國有著豐富的焦?fàn)t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(fèi)和環(huán)境污染，也會給企業(yè)帶來不小的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，隨著化解過剩產(chǎn)能，焦化行業(yè)實行準(zhǔn)入原則，焦?fàn)t煤氣綜合利用不僅可以變廢為寶，改善我國的能源供給結(jié)構(gòu)，緩解資源、環(huán)境約束，同時能夠促進(jìn)焦化行業(yè)實現(xiàn)清潔、高效、健康可持續(xù)發(fā)展，提升煉焦企業(yè)的競增力，有力推進(jìn)焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。