焦炉煤气制氢工艺存在的问题和应对
【摘要】：氢能是实现绿色可持续发展的重要载体，是世界能源变革发展的
重要方向。

氢能的制取、储运应用是保障氢能产业发展的重要推手，其中，氢气
的制取更是重中之重。

本文首先对焦炉煤气利用现状进行分析，然后介绍焦炉煤
气制氢基本原理及过程，最后结合实际，对焦炉煤气制氢中存在的问题及解决对
策展开探讨。

【关键词】：焦炉煤气；制氢工艺；问题和应对
引言
20世纪初期，我国的煤炭产业进入了高速发展的“黄金期”。

煤炭约占能源
消费中70%，占据我国能源消费的主体位置。

2020年《世界能源统计综述》显示2019年，世界煤炭总消耗157.86亿吨，仅我国的煤炭消耗量就高达81.67亿吨，占据世界总产量的51.7%。

据统计，2020年我国的一次能源消费中煤炭占比约58%，这一数字意味着在未来的一段时间内，煤炭仍然是我国一次能源消费的主体。

迫于全球气候压力，全球主要国家已就全球温室气体控制目标达成共识，也
均结介自身情况提出了碳中和发展的时间表，并出台了相应的政策支持氢能发展。

在2021年全国两会上，碳达峰、碳中和被首次写入政府工作报告。

在这一背景下，氢能正逐步登上能源舞台的中央，并在全球能源新格局中扮演重要角色。

氢
气的“制、储、运、用”将是氢能产业发展的重要方向。

氢气的廉价获取更是重
中之重，是氢能产业发展的根本，制氢的技术与成本在相当长一段时间内仍然是
亟待解决的问题。

1.焦炉煤气利用现状
焦炉煤气是钢铁工业或其他工厂煤炭碳化过程中重要的副产物，由H2
（55~60vol%）、CH4（23~27vol%),CO（5~8vol%）,CO2(小于2vol%)和微量杂质(如H2S)等组成。

作为一种富含氢气的气体，近年来焦炉煤气的利用一直是人忙
研究的热点，这对炼钢行业的节能减排起着重要的作用。

一般情况下，焦炉煤气
可作为加热炉或钢厂的发电厂的燃料，在一些情况下，富余的焦炉煤气会被燃烧掉，甚至会直接被排放到空气中，造成了巨大的能源浪费和严重的环墟污染。

为
了从经济和环境两方面有效的利用焦炉煤气，焦炉煤气己经被用作生产增值产品
的原料，包括纯氢、甲醇、合成气和甲烷等。

2.焦炉煤气制氢概述
目前利用焦炉煤气制氢的方法主要有变压吸附和膜分离。

此外还有其它氢分
离技术，如低温分离和水合物形成被提出作为替代变压吸附和膜分离用于焦炉煤
气制氢。

变压吸附是一种能从焦炉煤气中有效分离出高纯度氢气的先进技术，并
且己经在商业上得到应用。

不同的吸附剂材料都可用于氢气回收，最常见的是碳
质材料，氧化铝或沸石。

变压吸附过程的缺点是能耗较高并且氢气产量低。

膜分
离法也是一种可供选择的从焦炉煤气中获得高纯氢气的技术。

膜分离法是一种压
力驱动工艺，具有操作简单、资金和运行成本低、能耗低等优点。

渗透物(通过
膜后获得的气流)可以由这些组分富集，而渗余物(不通过膜的气流)可以富集其
余剩下的组分。

膜技术中最重要的是膜反应器。

但制备合格的膜反应器需要高超
的制造工艺，这对大规模的工业应用是一个巨大的挑战。

同时变压吸附和膜分离
过程需要对焦炉煤气进行完全的预处理过程，才能避免在使用过程中杂质(如H2S、焦油)的毒害作用，并且焦炉煤气中的其它组分没有得到利用，如甲烷，一氧化
碳等，这也是对资源的浪费。

煤气化制氢是当前环境下工业大规模制氢的首选方式之一。

其技术路线是通
过将原料煤在一定条件下气化，再经过净化、CO变换和分离提纯等处理，得到产
品氢气。

煤制氢技术具有原料低廉易获得、制氢成本低等优势。

马文杰等人「们对比
了小同技术路线制氢的综介技术经济评价及成本析，结果表明，煤/石油焦制氢
的成本为0.74元/立方米，重质油制氢成本为1.42元/立方米。

美国能源部对不
同规模、不同方案的制氢成本进行测算，也表明大规模制氢采用煤制氢更具有经
济介理性。

在环境环保以及新能源发展战略的推动下，煤制氢也必将迎来广阔的
发展前景。

该方法的显著缺点是能量转化率低，当前主流的冷煤气制氢法产氢效率小到60%，与蒸汽轮机组发电效率相比依然存在明显的劣势。

但在现有工艺条件下，通过煤气化、分离等工艺环节的优化对制氢效率的提高是有限度的。

因此，煤制氢效率的提升需要HyPr-RING煤制氢、氧载体煤白接化学链气化制氢以及超临界水煤气化制氢发电等新型技术路线的开发。

原料煤或者煤焦与载氧的气化剂，在一定温度、一定压力下进行化学反应制取氢气的过程称为煤气化制氢气过程。

以下以原料煤和水蒸气制氢为例，简述煤气化制氢过程如下：
（1）将煤与气化剂(水蒸气)在气化炉里气化生成水煤气;
（2）将水煤气通入除尘装置除去固体颗粒物;
（3）将去除固体颗粒物的水煤气通入脱硫装置进行脱硫得到纯净的水煤气;
（4）纯净水煤气进入转换器中制取氢气;
（5）通过变压吸附装置得到纯净的氢气。

煤气化制氢的工艺流程主要包括气化反应(得到水煤气)、净化反应(除尘、脱硫)、变换反应(制取氢气)、变压吸附(得到纯净氢气)，其工艺流程图如图1所示：
图1 煤气化制氢工艺流程图
3.常见问题及应对方案
3.1冬季脱茶器再生难度较高
冬季脱蔡器再生过程中，蒸汽热吹处理后极易结冰，并且缓冲罐内部己被带进冷凝液，最终会弱化煤气压缩机应用状态，增加设备运行阻力，同时，吸附压力也会受到不利影响。

应对方案：氮气加热处理后，应用热氮气非间断吹扫，以此加快冬季脱蔡器再生速度。

3.2煤气压缩机一级排气压力较强
一级排气压力增强情况极易发生于试车阶段，此时，煤气压缩机出口压力在0.25-0.29MPa之间，待压力值接近0.35MPa后，极易出现一级安全阀起跳现象。

之所以会发生这一现象，主要受二级进气阀泄露影响。

应对方案：细致处理进气阀，适当降低或者及时更换进气阀垫。

3.3煤气压缩机进口压力较弱
受季节气温温差过大影响，冬季白天气温高于夜晚，煤气压缩机进口压力受夜晚低温影响不断降低，最后需要进行粗脱蔡器更换操作。

主要是因为再生过程中会因蒸汽结成将粗脱蔡器出口封闭。

应对方案：适当降低粗脱蔡器阀门点位置，以便更好的满足防水需要，保证出口顺畅度。

结语
高炉煤气、焦炉煤气管线通过采用优势互补、集中调度、高效机组优先、降低高炉煤气峰谷用量起伏、充分利用气柜谷吸峰吐能力和内利产出激励等措施，焦炉煤气实现100%利用，高炉煤气利用率提升至99.9%，区域内煤气系统更加高效益生产和高质量发展。

随着钢铁企业进人“微利时代”，加强区域合作已然成为应对资源瓶颈和环境压力的有效措施。

煤气平衡探究是在国家钢铁企业集群化背景下，对区域性煤气资源利用和管理的典型事例，对钢铁企业进一步挖潜降本具有重要意义。

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