浅析焦炉煤气的利用现状及发展前景冯路叶摘要:焦化是我国煤炭化工转化的最主要方式，焦炉煤气是重要的能源和化工原料。

本文重点分析了我国焦化行业及焦炉煤气的利用现状, 介绍焦炉煤气的综合利用途径, 提出了以焦炉煤气为基础发展化工、工业燃料、热电联产等项目的广阔前景。

关键词:焦炉煤气; 现状; 综合利用；发展前景1 炼焦工业和焦炉煤气利用现状1.1 炼焦工业概况我国是世界上焦炭产量最大的国家，2010年焦炭产量约为3.8亿t，约占世界焦炭总产量的60%，全国约有焦化企业2000多家，其中1/3为钢铁联合企业，2/3为独立焦化企业，而独立焦化企业主要分布在山西、河南、山东、云南、内蒙等地，为焦炉煤气综合利用市场提供了良好发展环境。

所产生的焦炉煤气量巨大，如何高效、合理地利用这些煤气，是关系环保、资源综合利用、节能减排的重大课题。

1.2焦炉煤气利用现状焦化是我国煤炭化工转化的最主要方式。

2010年我国新投产焦炉57座，新增产能约3371万吨。

其中炭化室高6米及以上的顶装焦炉和炭化室高5.5米及以上的捣固焦炉48座、产能3020万吨，占新增总产能的89.59%。

以2010年我国焦炭产量为例进行估算，按吨焦产420 m3焦炉煤气计算，2010年我国焦化产业产生的焦炉煤气产量约为1596亿m3，除去焦炉用于自身加热所消耗的40% (约638亿m3)，剩余958亿m3，基本用作燃料进行各种加热或燃烧产生蒸汽发电或简单地进行化产回收处理。

有许多非钢焦化企业所产的焦炉煤气无法利用被“点天灯”浪费（这些企业一般远离城市），约有300亿m3被白白排放掉。

同时, 随着国家西气东输工程的实施, 城市民用焦炉煤气将被天然气取代, 这一部分焦炉煤气也将成为待利用的资源。

2 焦炉煤气的组成与净化2.1焦炉煤气的组成焦炉煤气的组成非常复杂，典型焦炉煤气各组分的体积分数见表1，从表中数据可以看出:焦炉煤气含H2量高, 还含有部分CH4, CO2 和N2等，其它组分还有( g/ m3): NH3 0.05, H2S 0.2～0.02,BTX 3.0 ,焦油0.05,萘0.3等等。

表1 焦炉煤气组成2.2焦炉煤气的净化一般的焦化企业在焦炉煤气净化流程中，只对H2S、NH3、萘、苯、焦油的含量有一定的要求。

常规的净化流程是：焦炉煤气经过冷凝鼓风、电捕焦油、脱硫、脱氨、脱苯流程后，就作为产品向外输送。

3 目前焦炉煤气的利用途径焦炉煤气的组成特性决定其利用途径主要有以下几个方面: 燃料气、化工原料、制氢、制甲醇、多晶硅和多联产技术。

3.1 焦炉煤气用作燃料焦炉煤气作燃料主要用于民用燃气、工业燃气和发电。

3.1.1民用燃气焦炉煤气作为民用燃料，可通入城市供气管网作为居民用气。

焦炉煤气是人工煤气中最适合作为民用燃气的气体，它热值较高，一氧化碳含量低，比较安全，所以长期在一些大中城市作为主要民用燃气使用。

但与天燃气相比，焦炉煤气无论热值、燃烧产物，还是洁净度而言都不如天燃气；近年来，由于西气东输为一些地区使用天然气提供了便利条件，天然气替代了大量的焦炉煤气，但在天然气输送不到的地方，焦炉煤气仍可作为主要的民用燃气使用。

3.1.2工业燃气焦炉煤气作为工业燃料，主要应用在三个方面：一是焦化企业在化学产品回收与净化工艺流程中作为加热用燃料；二是钢铁联合企业在炼钢、烧结、轧钢等过程中作为燃料；三是焦化企业用剩余的焦炉煤气作为发电用燃料。

3.1.3用于发电焦炉煤气发电有三种方式：蒸汽发电、燃气轮机发电和内燃机发电。

蒸汽轮机发电技术比较成熟,它利用锅炉直接燃烧焦炉煤气产生蒸汽,然后通过蒸汽轮机驱动发电机发电,热效率可达90% ；燃气轮机发电是利用燃气发动机驱动发电,发电效率约30% , 还存在着进口压力要求高, 可靠性和寿命等问题；燃气内燃机的工作原理与汽车发动机一样, 需要火花塞点火。

由于内燃机是燃料的热能直接转换为机械能, 所以在中小型机组中其效率大大超过了蒸汽轮机和燃气轮机。

3.2 焦炉煤气用作化工原料3.2.1 焦炉煤气制甲烷联产氢气工艺焦炉煤气制甲烷联产氢气工艺流程见下图l，经过预净化处理的焦炉气，仍含有微量焦油、氨、苯、萘、氰化氢、H2S、不饱和烯烃、噻吩、硫醚、硫醇、COS和CS2等。

原料气首先加压预热后脱氯，再经过两段加氢转化，将有机硫转化无机硫，并经过两段脱硫净化后，进入甲烷化工序。

在此将大部分CO、CO2与氢气经过甲烷化反应生成甲烷。

甲烷化反应是强放热反应，通过副产中压蒸汽方式移出反应热并回收。

因焦炉煤气中含氢量较高，甲烷化反应后还有较多剩余氢气，可补加适量CO或CO2，以增加LNG产量；也可分离出H2，作为副产品销售。

最终甲烷化后的混合气体，经除水脱碳等净化后进入低温液化工序，制取产品LNG。

图1 焦炉煤气制甲烷联产氢气工艺流程3．2．2焦炉煤气制甲醇甲醇用途十分广泛. 以甲醇为主要原料可生产甲胺、甲醛、甲醇钠、甲酸、氯甲烷、甲酸甲酯、二甲基甲酰胺、甲酰胺、二甲基亚砜、硫酸二甲酯、亚磷酸三甲酯、丙烯酸甲酯、氯甲酸甲酯、氯乙酸甲酯、氯甲醚、羰乙基甲醚、羰丙基甲醚、二甲醚、月桂醇、氨基乙酸、聚乙烯醇等化工产品。

国内正在开发和将投入生产的甲醇系列有机产品有醋酸、醋酐、碳酸二甲酯、溴甲浣、对苯二甲酸二甲酯、甲硫酸、乙二醇和低碳烯烃等产品。

甲醇合成是在催化剂作用下，在5.0MPa压力环境中，气体中的一氧化碳、二氧化碳与氢反应生成甲醇，基本反应式为：CO+2H2=CH3OH+QCO2+3H2=CH3OH+H2O+Q3.2.3制二甲醚二甲醚在制药和农药等化学工业中有许多独特的用途,同时，二甲醚还可以作为车用油的替代燃料。

通过甲醇液相或气相脱水两步法可制得二甲醚, 也可以由合成气一步法合成。

与两步法相比, 一步法技术具有效率高、工艺环节少、生产成本低的优点, 大型二甲醚的制备基本上都采用一步法。

3.3焦炉煤气制氢氢气是重要的化工原料，石油化工加氢裂解，粗苯加氢精制以生产高质量的苯、甲苯、二甲苯( BTX)等过程，都需要有氢气参与。

电子工业中, 氢常用来制取半导体材料——硅。

氢气也是运载火箭航天器的重要燃料之一。

同时，以零排放无污染的高效氢燃料电池为动力的汽车已经投放市场，氢的应用日益广泛。

焦炉煤气中含有55%～60%的氢气 , 采用变压吸附技术( PSA)从焦炉煤气中提氢技术已相当成熟，用此法可从焦炉煤气中提取高纯度( 99.9% 左右)的氢。

也可将焦炉煤气重整转化为合成气(CO+ H2) , 再通过水煤气变换反应CO + H2O→CO2+ H2, 将焦炉煤气转化成为氢气。

目前氢气的主要用途有：3.4.1苯加氢随着我国化工行业的快速发展，近年来，苯的下游产品产能增长较快，尤其是苯乙烯、苯酚、苯胺、环己酮等生产装置的大量建设，对苯、甲苯、二甲苯等重要的有机化工原料需求大增，而国内苯系列产品生产能力增长缓慢，不能满足市场需求，有一定的市场空间。

粗苯C馏分93.4.2 作还原剂生产海绵铁焦炉煤气转化过程中, 煤气中的CH4转化成以H2和CO为主要成分的还原性气体。

这种还原气可以直接还原含杂质较少的高品位铁矿, 来生产海绵铁。

近年来,电炉炼钢业迅猛发展,国外电炉钢占钢总产量的40%以上，使直接还原铁—海绵铁这一技术也得到了提高。

其主要的化学反应为：Fe2O3+ CH4/ H2→Fe+ CO2+ H2OFe2O3+ C→Fe+ CO2↑以年产焦炭100万t 的焦化厂估算, 年可外输煤气2.2亿Nm3, 这些煤气裂解后能够得到还原气3.5 亿Nm3,可生产海绵铁13.5万t ,以200 元/t利润计算, 经济效益相当可观。

目前, 我国直接还原铁的产量很低，仅为20万t/a 左右,而实际需求量已超过500万t ,国内海绵铁需求基本上依赖进口。

3．5多晶硅多晶硅生产的主要工艺流程包括：三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化）、精馏、还原、尾气回收、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等。

（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应为： SiO2+C→Si+ CO2↑（2）为满足高纯度的需要，必须进一步提纯。

把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中，生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCL3)。

反应温度为300℃，该反应是放热的。

同时形成气态混合物(H2,НСl, SiHCL3, SiHCl4,Si)。

其化学反应为：Si+HCl→SiHCl3+ H2↑（3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯，经过分解、过滤硅粉、冷凝SiHCl3, SiHCl4，而气态H2、Нcl返回到反应中或排放到大气中。

然后分解冷凝物SiHCl3、SiHCl4，净化三氯氢硅（多级精馏）。

（4）净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。

其化学反应为： SiHCl3+ H2→Si+HCl4、焦炉煤气新的开发途径4．1开发中的焦炉煤气制甲烷新工艺焦炉煤气制天然气是当前化工项目的热点，它开辟了焦炉煤气新的利用空间，市场前景广阔。

焦炉煤气中含有一定量的CH4、CO、CO2。

如果将CO、CO2与H2发生甲烷化反应生成甲烷，可以得到高热值的燃气，适用于城市燃气。

这种甲烷化技术不同于合成氨中的甲烷化工艺，也有别于目前正在建设的制甲烷工艺，是一类可开发的新技术。

4.2 CO2低排放洁净煤多联产焦化工业园构思太原理工大学和山西中天煤化有限公司提出了CO2低排放洁净煤多联产焦化工业园构想,其核心技术思想在于: （1) 采用连续封闭式洁净焦化技术, 从源头上彻底根治焦化污染;（2) 采用冷煤气和水混合熄焦技术回收高温焦炭显热并消除熄焦污染;（3)采用炭催化CO2+ CH4重整新技术把剩余煤气CH4和CO2转化成合成气, 进一步生产甲醇、二甲醚等化学产品或混合含氧燃料,实现CO2在源头上得以控制。

4.3 以焦炉煤气和气化为龙头的多联产系统相比传统的煤炭利用工艺,多联产系统可以大幅度提高资源和能源的利用效率,因此,煤的多联产系统已成为我国能源领域中的热点。

煤焦化和煤气化为龙头的多联产系统是煤热解气化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电以及合成气合成化学品单元过程的优化集成,计算表明, 该系统资源和热能利用效率高,经济效益好。

在多联产模式中，以焦炉煤气和气化气为源头的多联产系统，实现了焦炉煤气的科学合理使用。

焦炉煤气富含氢气, 但其中含有23%～27%的甲烷,难以直接用于合成工业。

粉煤灰熔聚气化气中含有约20%的CO2、35%的CO和40%的H2,这种原料气也不易直接用于合成工业。

但是,采用炭催化CH4—CO2重整技术,可将焦炉煤气中的CH4和气化气中的CO2通过CH4+ CO2→CO+ H2反应直接转化为合成气,这一过程减少了CO2外排,降低了水耗。