山西焦炉煤气综合利用技术现状_范文虎

山西焦炉煤气综合利用技术现状

范文虎，刘翠玲

（山西省科技情报研究所，山西太原030001）

摘

要：介绍了焦炉煤气资源化综合利用的途径、技术进展及发展方向，针对山西省焦炉

煤气综合利用的现状及存在问题提出了建议。

关键词：焦炉煤气；燃料；化工；天然气；工艺技术

中图分类号：TQ546文献标识码：A 文章编号：1005-8397（2012）05-0046-05收稿日期：2012-05-16作者简介：范文虎（1964—），男，山西静乐人，2002年毕业于炮兵指挥学院军事指挥专业，山西省科学技术情报研究所助理研究员。

山西省是全国最大的炼焦用煤资源基地，炼焦用煤资源探明储量1493亿t ，占全国的60%，占全省煤炭资源探明储量的57.5%。依托丰富的焦煤资源，山西已成为全国乃至全球焦炭产量最大、输出量最多的生产基地。

焦炉煤气是炼焦过程中产出焦炭和焦油产品的同时得到的可燃气体，是炼焦副产品。每生产1t 焦炭，约副产400m 3

焦炉煤气，除一半用于焦炉自身加热外，还会剩余约200m 3

。2010年山西焦炭产量8476.3万t ，可供综合利用的焦炉煤气产量高达160亿m 3

，若不合理利用，既造成巨大的资源浪费，又造成严重的环境污染。随着我国能源结构的调整及排放法规的日益严格，如何合理、高效、无污染地利用焦炉煤气，已成为目前社会关注的热点之一。

2010年山西省有关领导指出，充分利用山西省丰富的煤层气（瓦斯）、焦炉煤气、煤制天然气和过境天然气等“四气”清洁能源，不仅可以满足人民群众生产生活所需，同时可以大幅降低温室气体排放；2010年山西省委、省政府提出了气化山西

、“四气合一”的发展规划；在山西省“十二五”发展规划中焦炉煤气利用也成为煤化工产业的重要组成部分。充分、合理利用焦炉煤气是发挥资源优势、提高能源利用效率、优化能源消费结构、建设绿色山西和气化山西的现实

选择。1

焦炉煤气的组成及利用途径

焦炉煤气是混合物，随着炼焦煤配比和操作工艺参数的不同，其组成略有变化。一般主要成分为H 2（55% 60%）、CH 4（23% 27%），少量的CO （5% 8%）、CO 2（1.5% 3%）、C2以上不饱和烃、氧气及氮气。经过净化的焦炉煤气

属中热值煤气，大约为19.3MJ /m 3

，有较高的利

用价值。1.1

焦炉煤气用作燃料

钢铁联合企业中，焦化厂生产的焦炉煤气作为优质工业燃料几乎全部用于轧钢、烧结，而焦炉自身加热则采用低热值的高炉煤气，从而使焦炉煤气得到充分、合理利用。独立焦化厂的剩余焦炉煤气有一部分也用作燃料，靠近城市附近时，经净化后送入城市煤气管网，作为居民生活用气。此外，焦炉煤气还广泛用于其它工业企业，特别是用于陶瓷、水泥、玻璃等企业，可以明显提高产品质量，但这部分工业用量占焦炉煤气总产量的比例不大。随着我国“西气东输”工程的实施，天然气不可避免地取代了很大一部分焦炉煤气的市场，但在某些地区，焦炉煤气仍是民用和其他工业生产的主要气体燃料。1.2

焦炉煤气用于发电

以焦炉煤气为燃料，通过采用蒸汽轮机、燃气轮机或燃气内燃机发电，同时实现热电联产的能源转换方式，是目前独立焦化厂处理剩余焦炉煤气常常采用的方法。这几种发电方式在山西省

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4煤炭加工与综合利用

COAL PROCESSING ＆COMPREHENSIVE UTILIZATION

No.5，2012

均有应用，技术成熟，但规模均较小（一般小于2万kW）、成本高，且所发电的质量较差、难以上网。在钢铁联合企业中，为处理剩余的高炉煤气，采用高炉煤气与焦炉煤气混烧的“燃气—蒸汽联合循环发电”方式。这种方式可以实现热能资源的高效梯级综合利用，发电效率在45%以上，且用水量低、调峰性能好，是目前我国大中型钢铁联合企业积极推广的技术。

1.3焦炉煤气用作化工合成原料

1.3.1生产甲醇及二甲醚

焦炉煤气中含有50%以上的氢气及20%以上的甲烷，利用这种氢源及碳源，采用有催化或无催化的部分氧化法可以合成甲醇。而制成的甲醇，在汽油中掺入10% 15%，可以代替汽油，进而还可以制成液化气或和氢气相当的环境友好型燃料———二甲醚。

1.3.2生产化肥

制合成氨是焦炉煤气利用最早的技术途径之一，山西焦化集团、丰喜集团华瑞公司以焦炉煤气为原料，采用成熟、先进的富氧甲烷转化、二氧化碳气提法尿素合成等工艺技术生产尿素，每生产1t合成氨可消耗焦炉煤气1720m3。

1.4焦炉煤气用于制氢

焦炉煤气中H2含量在55%以上，采用简单的分离工艺即可获得H2。武钢硅钢厂、宝钢冷轧厂等相继建成了焦炉煤气变压吸附制氢装置，采用该装置的制氢成本仅为电解水制氢成本的1/3 l/4。制得的H

2

除用于工业生产外，还可作为车用燃料电池的燃料，用于煤焦油加氢和生产过氧化氢（双氧水）。

1.5焦炉煤气用于直接还原铁的生产

传统的炼铁工艺完全依靠碳为还原剂，随着炼焦煤和焦炭资源日益短缺，研究人员正在开发资源节约、环境友好的氢冶金，因为氢的还原能力是CO的14倍。焦炉煤气中的甲烷经过热分解可得到74%的H2和25%的CO，因此，用焦炉煤气还原生产海绵铁，能大大降低炼铁过程中炼焦煤和焦炭的消耗量。

1.6焦炉煤气制天然气

由于焦炉煤气富含H2、CH4和CO，因此可通过甲烷化反应来提高热值，使绝大部分CO、CO

2

转化成CH4，经进一步分离提纯后可以得到

CH

4

体积分数90%以上的合成天然气，再经压缩得到压缩天然气，或经液化得到液化天然气。随着我国发展低碳经济理念的不断深入及人民生活水平的提高，居民生活用燃料天然气的需求明显增强。据统计，2009年中国天然气生产量为851.7亿m3，而表观消费量为887亿m3，国内天然气供需缺口已接近40亿m3。到2015年和2020年，我国天然气的供需缺口将分别达到600亿m3和1000亿m3。利用现有丰富的焦炉煤气资源制取天然气，对缓解我省天然气供应缺口将起到一定的积极作用。

2焦炉煤气综合利用技术进展及发展方向

2.1焦炉煤气生产醇醚燃料技术

焦炉煤气生产甲醇的关键技术是将其中的甲烷转化成CO和H2。目前主要的甲烷转化技术包括蒸汽转化、非催化部分氧化转化、纯氧催化部分氧化等工艺。在焦炉煤气制甲醇过程中多采用纯氧催化部分氧化工艺，其主要特点是流程简单、反应速率快、焦炉煤气利用率高、投资低等。目前投产的焦炉煤气制甲醇工艺中，较多采用该工艺。原化工部第二设计院即采用此技术开发了焦炉煤气加压催化部分氧化法制合成气工艺技术，建设了云南曲靖大为焦化有限公司年产8万t焦炉煤气制甲醇项目。经过4a多的运行，验证了该工艺的成熟性。目前国内采用该技术在建和已建项目有40多套，生产能力达500万t 以上。

西南化工研究院开发了利用固体酸催化剂催化甲醇气相脱水生产二甲醚技术，所得产品中二甲醚含量大于90%；大连化物所研制的兼有CO 加氢和甲醇脱水的复合催化剂可以实现用合成气一步法制取二甲醚，CO转化率大于75%，二甲醚选择性近100%；上海石化研究院开发的合成气直接合成二甲醚催化剂及工艺，CO的转化率大于90%，与制取甲醚的两步法相比，具有原料利用率高、成本低的优点。

2.2焦炉煤气制H

2

技术

西南化工研究设计院开发了真空变压吸附工艺，该工艺采用高活性炭与分子筛配比的吸附剂

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2012年第5期范文虎，等:山西焦炉煤气综合利用技术现状

和真空冲洗解吸设备，省去了H2精制工序，一步便可提取纯度为99.999%的H2。

2.3焦炉煤气合成油技术

以焦炉煤气为原料制取合成油是焦炉煤气利用新技术，在“一种焦炉煤气制造燃料油的方法”发明专利中，采用流化裂化催化剂，两级催化合成燃料油，制得了由高辛烷值（90 97）汽油和轻柴油组成的燃料油。

发明专利“焦炉煤气转化氢气和在焦炉煤气转化油中应用技术”中提出了将焦炉煤气中的甲烷转化为CO和H2，再利用F—T合成法技术合成燃料油，其中F—T合成采用气流床Syntllo I 工艺，合成的汽油产率高达39%。

陕西金巢投资公司开发的碳氢基合成气生产清洁燃料油技术，成功地将我国气体净化技术与南非F—T合成技术有机结合，生产出清洁燃料油和高级石蜡及其他化工产品。利用1万m3焦炉煤气可以生产0.6t的0号柴油和0.9t的高纯度石蜡。

2.4焦炉煤气直接还原铁技术

还原铁生产技术的关键在于还原性气体（70%H

2

和30%CO）的制备，而焦炉煤气中H2和CH4含量分别在55% 60%和23% 27%，只需将焦炉煤气中的CH4进行热裂解（重整）即可获得74%的H2和25%的CO。

目前，在可利用的直接还原技术中，HYL—ZR（希尔）技术可以在其工艺和设备无需任何改动的情况下，使用焦炉煤气或煤气化气体，在还原段中生成还原气体，无须使用外部重整炉设备或其他还原气体生成系统。采用此工艺，生产成本较低，铁还原率可达94%。

2.5制取天然气技术

2.5.1焦炉煤气直接制合成天然气（SNG）技术

西南化工研究设计院经过多年研究和试验，开发了一种利用焦炉煤气制合成气的方法，即采用两段或三段甲烷化反应和变压吸附相结合的技术制取SNG。该技术的特点是：

（1）催化剂同时可完成甲烷化、脱氧和多碳烃转化3项功能；

（2）采用多级串联、气体循环、蒸汽回收等甲烷化工艺流程，合理移走甲烷化产生的反应热，同时进行合理利用；

（3）采用变温吸附新技术，可有效脱除焦炉煤气中的焦油、粉尘和萘，不仅保护相关设备，而且可防止催化剂中毒；

（4）实现了焦炉煤气净化、甲烷化以及变压吸附气体分离成套技术的集成创新，不仅能制得合成天然气，同时还可获得纯度达99.99%的H

2

。

2.5.2焦炉煤气制压缩天然气技术

由武汉科林精细化工有限公司与武汉理工大学合作，采用自主研发的催化剂和部分循环与多级冷激结合的新工艺，解决了甲烷化反应器的温升控制问题，可副产中压蒸汽，同时变压吸附制氢。采用该技术开发的国内首套“15万m3/d焦炉煤气甲烷化制CNG（压缩天然气）”示范装置在乌海华清能源科技有限公司成功开机，标志着焦炉煤气甲烷化制CNG已成功实现工业化。该装置的特点为：

（1）甲烷化反应采用部分循环与多级冷激工艺，控制各级甲烷化入口CO含量及出口温度，利于甲烷化反应的顺利进行，抑制副反应的发生；

（2）甲烷化催化剂具有活性好、热稳定性强、抗积碳性强、低温活性良好、抗氧化性强等特点，同时还能将高烃转化；

（3）工艺所需热量可由甲烷化反应获取，且有多余的热量附产蒸汽可作它用，设备投资少，工艺操作简单。

2.5.3焦炉煤气低温分离生产LNG技术

（1）中国科学院理化技术研究所开发的焦炉煤气低温分离生产液化天然气（LNG）联产氢气工艺，将膜分离和低温精馏分离技术相结合，采用了吸附剂脱苯、萘和焦油、水解脱硫、MDEA脱碳、等压干燥、膜分离提氢、氮气膨胀制冷等国内外先进技术，低温分离出LNG，并对膜分离提氢过程中产生的高纯氢进行综合利用。

（2）采用上海华西化工科技有限公司开发的焦炉煤气制LNG技术，由曲靖市麒麟气体能源有限公司投资建设的8500m3/h焦炉煤气制LNG 工程项目，于2010年4月正式进入实施阶段。该技术最大的特点是原料为钢厂的焦炉煤气和高

84煤炭加工与综合利用2012年第5期

炉煤气，不仅有效利用了焦炉煤气资源，而且将钢铁行业中难以利用的部分低热值高炉煤气也与焦炉煤气一起全部转化成了天然气资源，减少了煤气排放造成的环境污染，该技术具有全部国产自有知识产权，而且转化效率高，安全、节能，在国际上处于领先水平。

（3）由太原理工大学、山西同世达煤化工集团、杭州林达化工技术工程公司和大连普瑞特化工科技公司合作完成的焦炉煤气低温甲烷制天然气工业示范装置，已在山西同世达煤化工集团公司成功运行，日处理焦炉煤气量达5000m3。示范装置采用了低温甲烷工艺、水冷列管式换热反应器、甲烷化催化剂、“两段两吸”脱硫工艺等多项创新技术，有效解决了中温有机硫催化剂氧中毒、积碳、脱硫剂副反应及硫化物回收难等问题，低中温抗结碳镍基甲烷化催化剂使反应效率大幅提高，大大提高了甲烷化产率。

2.6焦炉煤气综合利用技术的发展方向

综合以上对焦炉煤气综合利用技术进展的分析和对比，可以得出：

（1）焦炉煤气制取合成气、醇醚类燃料工艺技术的优点是：技术成熟，经济效益好，并有实际装置运行；但是焦炉煤气需要深度净化以便适应催化剂，因此提高催化剂的效能和使用寿命是目前需要加强研究的方向。

（2）用焦炉煤气直接还原铁是氢冶金学研究的重要领域，只需将焦炉煤气中的甲烷进行热裂解即可获得还原气体，直接用于生产海绵铁。目前我国直接还原铁产量仅占全国生铁产量的0.2%，2010年全世界直接还原铁产量突破了7000万t，发展潜力非常巨大。

（3）焦炉煤气制取天然气相对于焦炉煤气制取甲醇、合成氨工艺路线，具有投资低、经济效益好等优势，其副产物氢气也可联产合成氨，制取天然气和合成油是未来焦炉煤气利用的发展方向。随着焦炉煤气生产LNG技术发展和生产规模的日益增大，LNG将成为国内天然气资源的一个重要补充。但焦炉煤气合成燃料油技术还需进一步改进和试验，提高焦炉煤气转化率，尽快实现工业应用。

（4）氢能技术已经被列入发展规划，应充分利用我国极其丰富的焦炉煤气资源优势，加大焦炉煤气制氢技术的研发，大力发展氢能，获得氢电池，用于氢燃料电池汽车，以替代燃油，缓解对环境的污染。

3山西省焦炉煤气资源利用现状及存在问题

3.1利用现状

山西是我国焦炭产量最大的省，截至2009年底，山西省227家焦化企业焦化产能接近1.6亿t。焦化企业分布面广，全省11个市119个行政区县中，有60多个县（市）区有焦化企业，形成了孝义、洪洞、清徐、河津、潞城、介休、汾阳、灵石等十大焦炭生产集中区，焦炭产能占全省焦炭总产能的47.8%。因此焦炉煤气资源也主要分散在这些地区。

经过近几年的大规模探索应用，目前山西省大型焦化企业的焦炉煤气利用基本已有了相关技术，但占焦化企业总数80%的中小型焦化企业的焦炉煤气利用情况尚不乐观。山西省环保局数据显示，2003年山西全省产生的焦炉煤气约304亿m3，其中超过270亿m3的焦炉煤气被排放燃烧。2008年山西省环保局下发了“提高全省焦炉煤气利用效率四项措施”的通知，明确提出“今后凡未落实剩余煤气合理利用途径的焦炉不得投产，已投产的焦炉要采取保温运行，禁止焦炉煤气直接排空”的硬性规定。2008年，山西省焦炭产量8239万t，生产剩余焦炉煤气150亿m3，有110亿m3得到综合利用，但仍有约40亿m3以上的剩余焦炉煤气燃烧排放。

山西省综合利用的焦炉煤气大部分以燃料的形式用作供热或发电，部分用于制甲醇和供城市煤气。自2005年诞生首家焦炉煤气制甲醇企业以来，目前山西已实现焦炉煤气合成甲醇产业化，建成了山西天浩、山西天脊、山西焦化、临汾同世达等公司的一批焦炉煤气制甲醇项目，甲醇总产量已达到85万t。其中，山西焦化20万t、天脊化工30万t及山西天浩化工公司10万t 焦炉煤气制甲醇项目，均采用了原化工部二院拥有自主知识产权的焦炉煤气纯氧加压催化部分氧化制取甲醇技术，可使焦炉煤气中甲烷的转化率达到95% 98%。

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2012年第5期范文虎，等:山西焦炉煤气综合利用技术现状

近年来，由于甲醇作为化工原料已经严重过剩，相比之下，焦炉煤气制液化天然气能够产生更好的经济效益，加之山西省提出“四气一体化”发展规划，焦炉煤气制天然气成为近期企业关注的热点。

太原理工天成科技股份有限公司在河津市建成了焦炉煤气制液化天然气项目，总产量为20万m3/d。该项目采用的是中国科学院理化技术研究所研发的焦炉煤气低温分离生产LNG技术，目前，该工程首试成功并进入工业化应用阶段。

由山西国际电力集团投资建设的6.8万t焦炉煤气制液化天然气项目于2011年4月在沁县华安循环经济园区奠基并开工建设。该项目采用西南化工研究设计院开发的焦炉煤气制合成天然气专利技术，年处理焦炉煤气2.4亿m3，年产液化天然气6.8万t。

2011年2月，由太原理工大学煤化工研究所联合山西同世达煤化工集团和大连普瑞特化工科技有限公司等企业开发的焦炉煤气低温甲烷化制合成天然气工业示范装置成功投运。该工艺采用了低温甲烷工艺、水冷列管式换热反应器、甲烷化催化剂、“两段两吸”脱硫工艺等多项创新技术，年产1.5亿m3液化天然气。

目前山西省煤制天然气尚未形成产能，但根据省政府与中海油的协议，到2015年将在大同建设年产能40亿m3的煤制天然气项目，到2020年将建设年产能120亿m3的煤制天然气项目。3.2存在问题

从焦炉煤气资源利用现状可以看出，虽然山西省加大了焦化产业结构调整的力度，焦化企业也加快了对焦炉煤气合理利用的步伐，但仍存在以下主要问题：

（1）对能源节约与资源综合利用的重要性和迫切性还缺乏足够的认识。有些企业受利益导向的偏差，只注重直接经济效益，采用高耗能低产出的落后工艺流程和技术设备，而不重视生产过程中其他资源和副产品的综合利用，对浪费资源、污染环境造成的严重后果缺乏足够的认识。

（2）投入不足，各级政府对资源综合利用项目的资金技术支持不够。目前山西省焦炭生产占主导地位的还是中、小型焦化企业，由于焦化煤气中约含10%左右的有害物质（粉尘、硫化氢、焦油、萘和水），要彻底消除这些有害物质，需要投入大量的资金，购买相关的过滤、吸附设备来完成，因而影响了焦炉煤气的利用。另外科研院校科研成果的中试放大试验由于存在一定的风险性，也影响了企业采用新技术的积极性。

（3）法规政策不完善，缺乏促进企业节能的激励政策。焦炉煤气资源的综合利用，需要政府在有关方面给予政策上的导向与支持。政府出台的焦炭行业排污费标准对企业进行焦炉煤气回收有积极的促进作用，但焦炉煤气回收产品在流通消费领域仍面临产品的价格定位等诸多问题，企业缺乏竞争活力，能源节约与资源综合利用的内在动力不足。

4促进山西省焦炉煤气综合利用的建议

（1）提高企业管理人员的节能与环保意识，发挥政府采购引导市场的作用，鼓励优先采用省内企业拥有自主知识产权的技术成果和产品。

（2）制定税收优惠、财政补贴、低息贷款、奖励制度等政策，引导和鼓励省内外资金投入焦炉煤气综合利用项目。加大科技部门的投入力度，支持重点焦炉煤气综合利用关键技术的研发与产业化。

（3）充分发挥企业在技术创新中的主体作用，引导和支持企业与科研单位、高等院校建立研究开发机构或组建产学研联盟，形成一批具有自主知识产权的核心技术和标准，增强企业和行业的竞争力。

参考文献

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05煤炭加工与综合利用2012年第5期