国内焦炉煤气的综合利用现状摘要:本文介绍了焦炉煤气制备甲醇、氢气、液化天然气(LNG)以及作为还原铁的还原剂的综合利用前景,对焦炉利用技术进行了比较,指出了大型的炼焦企业发展焦炉煤气制备甲醇的优势。
关键词:焦炉煤气综合利用甲醇煤焦化又称煤炭高温干馏。
是以煤为原料,在隔绝空气条件下,加热到950 ℃左右,经高温干馏生产焦炭,同时获得煤气、煤焦油并回收其它化工产品的一种煤转化工艺。
焦化是煤化工的传统产业,2010年全国焦炭产能预计3.7亿吨,焦炉煤气产量1500多亿方,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。
国务院发展研究中心信息网报道,1990年、1995年和2000年钢铁联合企业的焦炉煤气利用率分别达到97.21%、98.14%和98.00%。
钢铁联合企业的煤气资源属已利用资源。
对于独立的焦化厂,除焦炉自身加热需消耗50％～55％的焦炉煤气外,外送煤气因受到天然气、液化气的挑战,正在积极开发焦炉煤气的综合利用技术。
可以预计随着技术的进步、科技的发展和国家经济实力的提高,焦炉煤气的应用前景将会越来越广。
1 焦炉煤气的综合利用1.1 焦炉气制备甲醇甲醇(CH3OH)在一种在常温常压下无色透明、易流动、易挥发的可燃液体。
甲醇可以作为有机化工原料和溶剂使用,广泛应用于有机合成、涂料、染料、医药和国防等工业,是仅次于芳烃和烯烃的第三大重要有机原料。
此外,甲醇还是一种清洁型燃料,其本身可直接替代汽油作为发动机燃料,也可以和汽油掺混,在现有的汽车发动机上使用,还可用于制造甲醇燃料电池。
因此,发展焦炉气制备甲醇,可缓解我国的石油储备和需求之间的矛盾[1～2],就国计民生问题来讲具有重要的意义。
1.2 焦炉煤气制取氢气氢能是一种清洁且无污染的新型能源,代表着未来能源的发展方向。
气候变化等环境问题和近年来兴起的燃料电池技术是“氢能经济”概念产生的基础。
目前,有关氢气的制备、储存、分配和利用等方面的问题引起了全世界研究的热点,许多国家及国际研究机构都制定了相应的研究计划和方针。
液氢是世界公认的未来最理想的清洁能源,其燃烧过程只产生水蒸气并且可释放大量热量。
液氢是火箭用氢氧发动机的良好燃料,在我国,液氢已成为不可缺少的火箭燃料,其用量随着发射卫星数量的增多而迅速增加,现已达到了一定规模的用量[8]。
在一些能源相对富集的地区,可以把氢气液化后运输到化工和石油炼制等工厂中作为原料使用,这些都是氢气比较有前景的工业用途。
而焦炉气中含氢的体积分数可达60％,因此利用焦炉煤气为原料制备液氢是焦炉煤气非常值得发展的利用途径[3～4]。
1.3 焦炉煤气综合利用新工艺——制液化天然气(LNG)液化天然气是一种清洁、高效的新能源。
由于进口LNG有助于能源消费国实现本国能源供应多元化,可保障其能源安全,而出口LNG有利于天然气资源丰富的国家有效开发资源、增加国家外汇收入、促进国民经济发展,因而液化天然气进出口贸易正成为全球能源市场的新热点[5～6]。
当前我国经济还在持续快速发展,但是经济的能源动力却非常紧缺。
我国的能源产业结构依然依靠煤炭工业为主,而石油以及天然气工业所占的比例非常小,可以说是远远低于整个能源世界的平均水平。
伴随我国经济的持续快速发展,我国对于能源的需求将会持续大幅增长,大力发展焦炉煤气综合利用新工艺-制液化天然气将对优化我国的能源结构有重要作用。
我国已经加大了液化天然气产业布局的总体建设,正在规划和实施的沿海液化天然气项目有:浙江、上海、辽宁、广东、福建、山东、江苏。
这些LNG项目将构成我国的沿海液化天然气接收站与其输送管网体系。
除广东、福建两地的工程全面进入正式施工建设阶段外,其余地方的项目多处在前期的预算准备阶段。
在我国内陆,建成的液化天然气卫星站已超过46个、调峰站达到2座、已建成的液化天然气工厂有2座,正在建设中的LNG工厂有4座,规划中的LNG接收站在全部建成后,液化天然气总储存中转能力可达1800万吨/年。
按照我国的LNG使用计划,2010年国内LNG生产能力将达到900亿立方米,到2020年将达到为2400亿立方米。
随着经济社会的不断发展,我国能源需求与资源不足的矛盾日益显现了出来。
为加大我国焦炉煤气的利用力度,缓解能源紧张的局势、创造经济效益,同时改善环境和安全生产条件,中国科学院理化技术研究所已经和太原理工天成科技股份有限公司于2008年4月协商签署了战略合作协议构架,共同实施“新工艺在焦炉气综合利用的示范工程”项目。
该示范工程在国内属首创,符合国家能源产业政策要求和山西省构建新型工业和能源基地的要求,符合山西省焦煤行业的产业结构调整的需求。
该项目主要是根据焦炉气的特点,采用目前国际先进的低温液化分离技术制得液化天然气以及液氢,其新工艺的产品技术指标为:（1)LNG产品指标:甲烷纯度(C1+C2+C3)≥99%;回收率≥96%;氮含量≤0.7%、一氧化碳含量≤0.5%。
(2)液氢产品指标:液氢纯度≥99.999%(杂质总含量≤10ppm);仲氢浓度≥95％。
该项目的实施对山西省煤炭行业的利用及焦炉煤气的高效综合利用将起到积极的示范和推广作用,同时也解决了山西省焦化行业密集区产生的焦炉煤气排放对周围环境产生的严重污染问题,具有良好的经济和社会效益。
1.4 焦炉煤气作为直接还原铁的还原剂直接还原铁是电炉炼钢的重要原材料,它不仅可以代替废钢作为铁料,而且可以减小废钢回收过程中有产生的有毒有害杂质带来的危害,有利于冶炼优质的钢材。
此外,直接还原铁还可以用作转炉炼钢中的冷却剂使用[7]。
在高炉炼铁的过程中不可避免的存在着生产成本高和对环境污染的两大难题,这两大难题的难以解决直接促进了直接还原铁生产工艺的发展。
焦炉煤气可以作为最直接的还原炼铁的高效还原剂使用,粗焦炉气中H2和CH4体积分数分别按55％和25％计,当CH4发生热裂解后,H2和CO的体积分数分别约为74％和25％,可以用焦炉气直接来还原铁,这种方法效果可以好于天然气的热裂解气体的还原效果。
工业上现有的直接还原炼铁的各种工艺技术已经相对成熟,主要分为以下两种:一种是天然气作为还原剂来使用的气基竖炉生产技术,该技术的生产量约占直接还原铁总产量的92％;另一种是以煤炭作还原剂的煤基回转窑生产工艺,其生产量约占总产量的8％。
目前我国的直接还原铁产量仅为21万t/a左右,而实际需求量已超过500万吨,国内直接还原铁的需求基本上全部依赖进口,其价格较高。
用焦炉煤气生产直接还原铁可有效解决我国经济发展对直接还原铁的需求,并可减缓焦炉气直接排放对环境的污染问题,实现了资源的重复利用。
2 焦炉煤气利用技术对比随着经济的发展和工业水平的不断提高,研究者们不断的研发出了焦炉气利用的新技术,但是我们不能忽视的是:传统的焦炉气利用技术仍有存在的价值和优势。
这些技术已经经过多年的实践,比较成熟,而在企业中利用率较高,占有非常重要的地位,其作用不可忽视[3,8]。
对这些技术的优缺点进行充分的分析,将更加有利于焦炉气的高效利用,焦炉气综合利用技术的对比见表1。
3 结语近些年来,随着我国焦化行业“准入”制度的实施,炼焦企业越来越注重焦炉煤气的综合利用。
焦炉煤气制甲醇项目在越来越多的大型炼焦企业广泛应用,这种方法,提高了工作效率,节约了成本,取得了良好的经济效益。
但是对于中小型企业来说,他们的生产规模相对较小,焦炉煤气产量少,成本优势不明显,目前进行企业联合模式仍存在一些问题,影响了焦化企业对焦炉煤气的综合利用。
发展焦炉气制备甲醇的优势有以下几点。
(1)在不可再生能源—煤炭资源日益匮乏的今天,如何减少煤炭的消耗,已成为整个能源世界广泛讨论的话题。
传统工艺中采用煤作为基础原料生产甲醇,据测算,20万吨的煤炭气化合成生产甲醇的工艺中年消耗标煤达到375364吨,而采用焦炉气工艺合成甲醇,直接省去了煤炭的气化过程,使甲醇生产的综合利用能耗大大降低。
直接采用用焦炉煤气来合成甲醇产品(20万吨)工艺每天只耗标煤320585吨。
煤炭气化合成甲醇工艺与传统工艺相比,年节标准煤量为:34779吨标煤[8]。
(2)在焦炭的生产过程中,每生产240万吨焦炭可产生焦炉煤气41000万立方米/年,如果将这些废气作为燃烧能源使用,按照0.1元/m3计算可带来4100万元的经济效益。
假设可生产得到甲醇20万吨,按照2000元/吨计算,可带来4亿元的经济效益。
从这个角度来讲,焦炉气制备甲醇不仅增强了企业的抗风险能力,更为社会创造了高附加值的产品[1,9]。
(3)在各种化工基础生产中几乎都会用到甲醇,随着经济全球化的加剧和工业水平的不断提高,甲醇的应用更加广泛,需求也随之增大。
作为发展中国家的中国,工业生产对甲醇的需求更为严峻。
焦炉煤气制造甲醇技术的广泛应用,一方面有效弥补了煤制甲醇的种种弊端,同时,还有效缓解了甲醇需求的压力,为工业生产提供了有效保证;另一方面,可将焦炉气这种废气变废为宝,节约了资源,增加了社会效益。
(4)焦炉气中存在含量较多的有机硫类、噻吩类以及萘等有毒有害的化学物质,比较落后的处理方法是直接排放到大气当中,或这作为燃料用来采暖燃烧,这样的处理方式对大气环境带来了很大污染。
河北旭阳年产240万吨焦炉项目,一年可以产生的焦炉气总量约为41000万立方米,这些焦炉气中的有毒有害化学物质的份额可以占到0.01%,折算下来相当于向大气中每年排放4.1万立方米的有毒有害化学物质,其中有机硫约占3.7万立方米,这就是这一地区经常发生酸雨的最根本原因。
如果可以采用循环经济的方式来生产甲醇,将有毒有害的化学物质固化后集中处理,不但保护了环境,且可造福后辈子孙。
参考文献[1] 吴创明.焦炉气制备甲醇的工艺技术研究[J].煤气与热力,2008,28(1):36-42.[2] 贺力荃.焦化联产甲醇项目生产及其环境影响的若干问题[J].干旱环境监测, 2009,23(2):91-95.[3] 蒋善勇,张凯,胡祥训,等.焦炉煤气综合回收利用[J].广东化工,2011,38(5):15-21.[4] M. Modesto, S.A.Nebra.Analysis of a repowering proposal to the power generationsystem of a steel mill plant through the exergetic cost method[J]. Energy,2006(31):1-17.[5] Akira Tsunoda,Hiromi Shimoda,Tatsuo Takaishi.MITSUBISHI lean-burn gasengine with world’s highest thermal efficiency[J].MITSUBISHI Technical review,2003,40(4):1-6.[6] 山西天浩化工有限公司.用焦炉气年产十万吨甲醇项目[J].山西汽车,2002(4):28~38.[7] John H.Scott.The development of fuel cell technology for electric powergeneration:From NASA’s manned space program to the ‘Hydrogen Economy’[J].Proceedings of the IEEE,2006,94(10):1815～1825.[8] Peter Diemer.焦炉煤气处理技术的现状和未来[J].燃料与化工,2001,32(3):157-160.[9] Guo Zhancheng,Tang Huiqing,Liu Junli.Desulfurization of coke by recycling COG in coking process[J].Fuel, 2005(84):893-901.。