1、國內焦爐煤氣現狀及綜合利用情況一、焦爐煤氣資源利用現狀2022 年全國焦炭產能預計 3.7 億噸，焦爐煤氣產量 1500 多億方/年， 全國約有焦化企業 2000 多家，其中 1/3 為鋼鐵聯合企業， 2/3 為獨立焦 化企業；而獨立焦化企業主要分布在山西、河南、山東、云南、內蒙等地， 其中山西為世界上焦炭最大聚集地。山西焦炭產能約占全國 22%，近期堅 持焦化并舉，淘汰落后產能，實施總量控制(1.4 億噸)，為焦爐氣綜合 利用市場提供良好發展環境；全省焦化投資預計 330 億，將繼續規范呂梁、 臨汾兩大焦化產業基地，完善 30 個產焦百萬噸的重點企業，孕育良好的 焦爐氣制甲烷市場契機； 20

2、22 年，將在介休、孝義等地建設十大焦爐氣 綜合利用園，并在河津、清徐建設兩個焦爐氣制甲烷示范項目(形成規模 10 億 m3/a)；山西、河南、山東、云南、內蒙等地焦爐氣資源豐富但離中 心城市距離遠，許多焦爐氣被直接燃放，利用率低；焦爐氣制甲醇和化肥 由于市場受限和發電上網困難等因素影響，目前較好的利用途徑是焦爐煤 氣甲烷化制天燃氣。焦爐煤氣是指用煉焦用煤在煉焦爐中經高溫干餾后，在產出焦炭和焦 油產品的同時所得到的可燃氣體，是煉焦產品的副產品，未經凈化處理的 稱之為荒煤氣，經凈化處理的稱之為凈煤氣即本文所指的焦爐煤氣。焦爐煤氣的熱值約為 17580kJ/m318420kJ/m3，天然氣的熱值約

3、為 35588kJ/m3，焦爐煤氣的熱值約為天然氣熱值的一半。焦爐煤氣的密度為 0.45kg/m30.48kg/m3。著火溫度為 600650，具有燃燒速度快、 著火快、火焰短的特點，理論燃燒溫度為 18002000。每煉 1 噸焦炭，會產生 430m3 左右的焦爐煤氣。這些焦爐煤氣中的一 半用于企業自身回爐助燃，另外約 200m3 必須使用專門的裝置進行回收凈 化處理，否則只能直接排入大氣，或者燃燒排放(俗稱“點天燈”)。全 國外供焦爐煤氣預計就有 700 多億立方米，有很多非鋼焦化企業所產的焦 爐煤氣無法利用被“點天燈”而浪費了(這些企業一般遠離城市中心)， 有約 300 億立方米被白白排

4、放掉。二、焦爐煤氣常規綜合利用途經(一) 焦爐煤氣的組成與雜質含量焦爐煤氣是焦炭生產過程中煤炭經高溫干餾出來的氣體產物。在干餾 溫度為 550，荒煤氣中有大量的 H2、CH4、CO、H2S、COS、CS2、NH3、 HCN、噻吩、硫磺、硫醚、焦油、萘、苯等化學物質。在煉焦產品中，按 重量計算，焦爐煤氣占 1518，為全部產品的第二位，僅次于焦炭 產品?；拿簹馐遣辉试S外供的，必須經過化產回收凈化處理后使用，即轉 為凈煤氣才能外供使用。焦爐煤氣的主要組分為 H2、CO、CH4、CO2 等，隨著煉焦配比和操作 工藝參數的不同，焦爐煤氣的組成略有變化。一般焦爐煤氣的組成見表 1， 雜質含量見表 2。表

5、 1 焦爐煤氣的組成組分 H2COCO2CH4CmHn3N2O2(V) 54.059.05.08.02.04.023.027.02.03.03.06.00.20.4 表 2 焦爐煤氣中的雜質含量(mg/m)名稱焦油雜質含微量量苯 20005000 萘 硫化氫 COS100 二硫化碳 80100 氨 300 噻吩類 2050300100(二)焦爐煤氣的用途主要可劃分為四類，分別是工業與民用燃料、化工原料、還原劑直接 還原煉鐵以及制氫。 1、工業與民用燃料焦爐煤氣作為民用燃料時，可接入城市供氣管網作為居民用氣。焦爐 煤氣是人工煤氣中最適合作為民用燃氣的氣體。焦爐煤氣熱值較高，一氧化碳含量低，比較安

6、全，所以長期在一些大中城市作為主要民用燃氣使用。 但與天燃氣相比，焦爐煤氣無論熱值、燃燒產物，還是潔凈度都不如天燃 氣；近年來，由于西氣東輸為一些地區使用天然氣提供了便利條件，天然 氣替代了大量的焦爐煤氣，但在天然氣輸送不到的地方，焦爐煤氣仍可作 為主要民用燃氣使用。由于眾多的獨立焦化企業遠離城市中心，導致其管 網建設十分困難。焦爐煤氣作為工業燃料時，主要用在三個方面：一是焦 化企業在化學產品回收與凈化工藝流程中作為加熱用燃料；二是鋼鐵聯合 企業在煉鋼、燒結、軋鋼等過程中用焦爐煤氣作為燃料；三是焦化企業用 剩余的焦爐煤氣作為發電用燃料。 2、化工用氣方面焦爐煤氣中富含氫氣，甲烷含量也較高，通過

7、重整反應將 CH4 轉化為 CO 和 H2，進而用于生產各種有機化工產品。特別是焦爐煤氣制甲醇技術 快速發展已日趨成熟， 2004 年底，第一套8 萬 t/a 焦爐煤氣制甲醇項目 在云南曲靖建成投產以來，目前國內已有近 10 套焦爐煤氣制甲醇裝置已 投入商業運行，單套裝置設計規模多為 1020 萬 t/a。3、還原劑直接還原煉鐵現有的直接還原煉鐵生產技術已經非常成熟，主要可分為兩種方法： 一種是以天然氣作為還原劑的氣基豎爐生產工藝，其生產量約占海綿鐵總 產量的 92；另一種是以煤為還原劑的煤基回轉窯生產工藝，其生產量 約占總產量的 8。焦炭是高爐煉鐵過程的還原劑(CO 作為還原劑)，焦爐煤氣也

8、可以 作為直接還原煉鐵的還原劑。原始焦爐煤氣中 H2 和甲烷體積分數分別按 55和 25計，甲烷經過熱裂解后， H2 和 CO 的體積分數分別約為 74 和 25，作為還原劑直接還原煉鐵，甚至好于天然氣的熱裂解氣體。 4、 制液氫焦爐煤氣含氫體積分數近 60，因此可以焦爐煤氣為原料制備液氫。三、焦爐煤氣低溫分離制取 LNG1、問題提出近年來,我國對焦化行業實施“準入”制度，焦爐煤氣的綜合利用成 為煉焦企業生存與發展的關鍵。一些大型的煉焦企業建設了焦爐煤氣制甲 醇項目，并取得了良好的經濟效益，為大型煉焦企業綜合利用焦爐煤氣找 到了新方法。但中小焦化企業生產規模相對較小，焦爐煤氣產量少，成本 優勢

9、不明顯，多家企業聯合又困難，影響了焦化企業對焦爐煤氣的綜合利 用。2、焦爐煤氣生產 LNG 的技術特點為了解決中小企業焦爐煤氣綜合利用的問題，中科院理化技術研究所 改變利用思路，將2有效成分甲烷和氫氣作為兩種資源綜合利用，開發出了焦爐煤氣低溫 液化生產 LNG 聯產氫氣技術(已申請專利)，新技術具有以下特點：1)可以省去甲烷轉化工序，大大節省投資成本。2)由于新工藝擁有某某的循環制冷系統，操作彈性非常大，適應性強， 運行穩定。 3)產生的氫氣可以利用氫氣鍋爐為全廠提供動力和熱力，這方 面的技術已經非常成熟。有經濟實力的企業還可以配套合成氨等裝置，相 對投資少，效益更高。并隨著氫氣利用技術的日益

10、發展可以生產液氫產品 等。4)產品市場好。預計未來 15 年中國天然氣需求將呈爆炸式增長，到 2022 年，中國天然氣需求量將達到 1000 某 109m3，產量約 800 某 109m3, 缺口將達到 200 某 109m3；到 2022 年天然氣需求量將超過 2000 某 109m3，而產量僅有 1000 某 109m3,50將依賴進口。 5)整套方案中工藝流程短， 操作簡單。處理量 1 某 106m3/d 的生產裝置，只需要 4050 操作工，非 常適合中小型焦化企業對焦爐煤氣的綜合利用。3、焦爐煤氣生產 LNG 聯產氫氣工藝路線液化天然氣是天然氣經過預處理，脫除重質烴、硫化物、二氧化碳

11、、 水等雜質后，在常壓下深冷到162液化制成，液化天然氣是天然氣以 液態的形式存在，其體積僅為氣態時的 1/625。天然氣液化后可以大大節 約儲運空間和成本，運輸方式更為靈活，而且提高了燃燒性能。隨著低溫 分離技術的發展， LNG 的原料氣已經多元化，煤層氣(礦井瓦斯)、合成 氨放散氣、焦爐煤氣等富含甲烷的氣體都可以作為 LNG 的原料。 3.1 工藝 流程簡介焦爐煤氣綜合利用制取 LNG 工藝見圖 1。該裝置由焦爐煤氣升壓粗脫 硫、脫苯、脫萘及焦油、有機硫水解催化轉化、脫二氧化碳、精脫硫、脫 水、膜分離脫氫、預冷、液化精餾、 LNG 儲運、氮氣循環制冷系統、氫氣 回收利用和公用工程等單元組成

12、。圖 1 焦爐煤氣綜合利用制取 LNG 工藝3如圖 1 所示，焦爐煤氣經加壓粗脫硫后進入預處理過程，在此除掉煤 氣中的苯、萘及焦油等雜質后，壓縮至較高壓力后進入水解脫硫工序，經 水解脫除硫化氫，并利用 N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液除掉二氧化碳等 酸性氣體后，經吸附過程脫掉殘余硫化物、汞、水分、高碳(C5 以上化合 物)即可進入膜分離裝置。經過膜分離裝置的焦爐煤氣組分主要為甲烷、 還有少量 H2、N2、CO。經過膜分離裝置得到的焦爐煤氣降溫至170后，進入低溫精餾塔，液態甲烷將在精餾塔底部排出，裝入液態甲烷槽車。 H2、 N2、CO 等將從精餾塔頂部抽出，復熱后送蒸汽鍋爐燃燒以產生動力用蒸

13、汽。整個系統的絕大多數冷量由一個閉式氮氣膨脹制冷循環或氮氣甲烷混 合物膨脹制冷循環提供。對膜分離產生的高純氫氣，進行綜合回收利用，以下方案可以選擇。方案一：氫氣直接進入氫氣鍋爐，產生蒸汽，為脫碳、脫水單元再生 提供熱量，推動蒸汽輪機，為原料氣壓縮機和循環制冷系統壓縮機提供動 力，以及全廠供暖，從而大大降低生產能耗。方案二：利用氫氣生產液氫產品，中國科學院理化技術研究所低溫技 術組已經有成熟技術。從膜分離得到的純氫壓縮后進入 PSA 純化，以得到 99.999的高純氫，這部分氫作為原料氫進入液化冷箱，首先進入液氮槽 降溫至 70K，在此溫區進行一次正仲氫轉化，轉化后的氫氣進一步被冷卻 到 30K

14、 后減壓進入液氫儲槽，在此過程中再進行一到兩次正仲氫的轉化。 制冷系統采用氫作為制冷循環工質，利用膨脹機膨脹制冷。其他：也可以根據工廠的經濟實力將氫作為化工原料生產新的化工產 品。 3.2 焦爐煤氣低溫分離生產LNG 的優勢1)運輸成本優勢。原來的 LNG 生產廠由于靠近天然氣氣田，而市場大 多在內地，所以運輸成本不可忽視。而焦化廠大多在內地，接近市場，運 輸成本將大幅降低。 2)能耗方面優勢，雖然原料氣中含有大量的氫氣、氮 氣等，但是在液化之前，大部分氫氣將被提前脫除，不參加甲烷低溫分離， 所以能耗不會很高，如果采用 MRC 制冷流程，能耗還會進一步降低。另外， 工藝中氫氣被回收利用作為大機

15、組的動力，不僅解決了氫氣的綜合利用, 而且大大降低了綜合能耗。3)原料成本優勢。天然氣液化采用的天然氣井口價格在0.9 元m3 左右，美國現在井口價已經達到 1.99 元m3，而焦爐煤氣的價格相對比 較低，生產成本主要是能耗成本，所以生產出來的 LNG 在價格上也非常有 競爭力，即使將來 LNG 工廠生產能力變大，相對于以天然氣為原料的LNG 廠也有很大的優勢。4)政策方面的優勢。國家大力支持節能減排，鼓勵企業對焦爐煤氣綜 合利用。另一方面 2007 年 8 月 30 日國家發展改革委員會正式頒布天然 氣利用政策，明確表示“禁止以大、中型氣田所產天然氣為原料建設液 化天然氣項目”，限制了天然氣

16、液化廠的建設，減少了市場的競爭。 4 經 濟分析1)投資分析。經過綜合的估算，建設一座 LNG 產量為 10 某 105m3/d 的液化分離工廠，投資大概在 15000 萬元左右，主要設備有原料氣預處理 裝置、原料氣壓縮機組、原料氣凈化裝置、膜提氫裝置、液化冷箱、氮氣 壓縮機、膨脹機、 LNG 儲罐、公用工程及其全廠控制系統，氫氣回收部分 由選擇的回收方案來確定。投資僅相當于甲醇項目的一半。另外當處理量 較小時，可以采用往復壓縮機組，節約設備投資，但是運行成本相對會提 高。 2)收益分析。根據中國科學院含氧煤層氣液化成本核算，液化成本在 1.0 元m3 (如果將機組改為蒸汽輪機，液化成本還可進

17、一步降低)，目 前 LNG 出廠價按照 2.5 元m3 計算，這樣利潤在 1.5 元m3 左右，年利 潤約 4950 萬元。收回成本時間約 3 年。所以焦爐煤氣綜合利用制取LNG 項目在經濟上是可行的。4在大型焦化企業興建焦爐煤氣制甲醇、化肥項目的同時，對于生產規 模在百萬噸以下的中小型煉焦企業也應該積極想辦法，提高中國煉焦企業對焦爐煤氣的綜合利用水平。利用焦爐煤氣生產 LNG 是中小型煉焦企業綜 合利用焦爐煤氣的一個好方法，具有相對投資小、產品市場好、風險低、 能耗低、裝置操作彈性大和投資回報率高等優點。四、焦爐煤氣甲烷化制 天燃氣采用補碳催化合成技術使焦爐煤氣中大部分的氫和 CO、CO2

18、經過甲烷 化反應生成甲烷，從而得到合成天燃氣是焦爐煤氣綜合利用的又一項新技 術；工藝流程如下：來自焦化廠經過預凈化處理的焦爐氣，仍然含有微量焦油、苯、萘、 氨、氰化氫、 Cl-、H2S、不飽和烯烴、噻吩、硫醚、硫醇、 COS 和 CS2 等 有機硫。原料氣首先加壓預熱后脫氯后，之后經過兩段加氫轉化，將有機 硫轉化無機硫，并經過兩段脫硫凈化后，進入甲烷化工序。在此將大部分 CO、CO2 與氫氣經過甲烷化反應生成甲烷。甲烷化反應是強放熱反應，通 過副產中壓蒸汽的方式移出反應熱并回收。由于焦爐煤氣中氫含量較高， 甲烷化反應后還有較多剩余氫氣，可補加適量 CO 或 CO2，以增加 LNG 產 量；也可分離出 H2，作為副產品銷售或建加氫項目。最終甲烷化后的混 合產品氣體，經除水脫碳等凈化后進入低溫液化工序，制取產品LNG。焦爐煤氣制 LNG 流程框圖經濟效益和社會效益根據焦爐煤氣成份的差異，生產 1 噸 LNG (CH4 含量96%)消耗焦爐 氣約 38004500Nm3，如有其它 CO、CO2 資源補充，則焦爐氣消耗量大幅 下降；若無補充氣，則可副產