（精品）国内焦炉煤气现状及综合利用情况

1、国内焦炉煤气现状及综合利用情况一、焦炉煤气资源利用现状2022 年全国焦炭产能预计 3.7 亿吨，焦炉煤气产量 1500 多亿方/年， 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， 其中山西为世界上焦炭最大聚集地。山西焦炭产能约占全国 22%，近期坚 持焦化并举，淘汰落后产能，实施总量控制(1.4 亿吨)，为焦炉气综合 利用市场提供良好发展环境；全省焦化投资预计 330 亿，将继续规范吕梁、 临汾两大焦化产业基地，完善 30 个产焦百万吨的重点企业，孕育良好的 焦炉气制甲烷市场契机； 20

2、22 年，将在介休、孝义等地建设十大焦炉气 综合利用园，并在河津、清徐建设两个焦炉气制甲烷示范项目(形成规模 10 亿 m3/a)；山西、河南、山东、云南、内蒙等地焦炉气资源丰富但离中 心城市距离远，许多焦炉气被直接燃放，利用率低；焦炉气制甲醇和化肥 由于市场受限和发电上网困难等因素影响，目前较好的利用途径是焦炉煤 气甲烷化制天燃气。焦炉煤气是指用炼焦用煤在炼焦炉中经高温干馏后，在产出焦炭和焦 油产品的同时所得到的可燃气体，是炼焦产品的副产品，未经净化处理的 称之为荒煤气，经净化处理的称之为净煤气即本文所指的焦炉煤气。焦炉煤气的热值约为 17580kJ/m318420kJ/m3，天然气的热值约

3、为 35588kJ/m3，焦炉煤气的热值约为天然气热值的一半。焦炉煤气的密度为 0.45kg/m30.48kg/m3。着火温度为 600650，具有燃烧速度快、 着火快、火焰短的特点，理论燃烧温度为 18002000。每炼 1 吨焦炭，会产生 430m3 左右的焦炉煤气。这些焦炉煤气中的一 半用于企业自身回炉助燃，另外约 200m3 必须使用专门的装置进行回收净 化处理，否则只能直接排入大气，或者燃烧排放(俗称“点天灯”)。全 国外供焦炉煤气预计就有 700 多亿立方米，有很多非钢焦化企业所产的焦 炉煤气无法利用被“点天灯”而浪费了(这些企业一般远离城市中心)， 有约 300 亿立方米被白白排

4、放掉。二、焦炉煤气常规综合利用途经(一) 焦炉煤气的组成与杂质含量焦炉煤气是焦炭生产过程中煤炭经高温干馏出来的气体产物。在干馏 温度为 550，荒煤气中有大量的 H2、CH4、CO、H2S、COS、CS2、NH3、 HCN、噻吩、硫磺、硫醚、焦油、萘、苯等化学物质。在炼焦产品中，按 重量计算，焦炉煤气占 1518，为全部产品的第二位，仅次于焦炭 产品。荒煤气是不允许外供的，必须经过化产回收净化处理后使用，即转 为净煤气才能外供使用。焦炉煤气的主要组分为 H2、CO、CH4、CO2 等，随着炼焦配比和操作 工艺参数的不同，焦炉煤气的组成略有变化。一般焦炉煤气的组成见表 1， 杂质含量见表 2。表

5、 1 焦炉煤气的组成组分 H2COCO2CH4CmHn3N2O2(V) 54.059.05.08.02.04.023.027.02.03.03.06.00.20.4 表 2 焦炉煤气中的杂质含量(mg/m)名称焦油杂质含微量量苯 20005000 萘 硫化氢 COS100 二硫化碳 80100 氨 300 噻吩类 2050300100(二)焦炉煤气的用途主要可划分为四类，分别是工业与民用燃料、化工原料、还原剂直接 还原炼铁以及制氢。 1、工业与民用燃料焦炉煤气作为民用燃料时，可接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。焦炉煤气热值较高，一氧化碳含量低，比较安

6、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 为主要民用燃气使用。由于众多的独立焦化企业远离城市中心，导致其管 网建设十分困难。焦炉煤气作为工业燃料时，主要用在三个方面：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、轧钢等过程中用焦炉煤气作为燃料；三是焦化企业用 剩余的焦炉煤气作为发电用燃料。 2、化工用气方面焦炉煤气中富含氢气，甲烷含量也较高，通过

7、重整反应将 CH4 转化为 CO 和 H2，进而用于生产各种有机化工产品。特别是焦炉煤气制甲醇技术 快速发展已日趋成熟， 2004 年底，第一套8 万 t/a 焦炉煤气制甲醇项目 在云南曲靖建成投产以来，目前国内已有近 10 套焦炉煤气制甲醇装置已 投入商业运行，单套装置设计规模多为 1020 万 t/a。3、还原剂直接还原炼铁现有的直接还原炼铁生产技术已经非常成熟，主要可分为两种方法： 一种是以天然气作为还原剂的气基竖炉生产工艺，其生产量约占海绵铁总 产量的 92；另一种是以煤为还原剂的煤基回转窑生产工艺，其生产量 约占总产量的 8。焦炭是高炉炼铁过程的还原剂(CO 作为还原剂)，焦炉煤气也

8、可以 作为直接还原炼铁的还原剂。原始焦炉煤气中 H2 和甲烷体积分数分别按 55和 25计，甲烷经过热裂解后， H2 和 CO 的体积分数分别约为 74 和 25，作为还原剂直接还原炼铁，甚至好于天然气的热裂解气体。 4、 制液氢焦炉煤气含氢体积分数近 60，因此可以焦炉煤气为原料制备液氢。三、焦炉煤气低温分离制取 LNG1、问题提出近年来,我国对焦化行业实施“准入”制度，焦炉煤气的综合利用成 为炼焦企业生存与发展的关键。一些大型的炼焦企业建设了焦炉煤气制甲 醇项目，并取得了良好的经济效益，为大型炼焦企业综合利用焦炉煤气找 到了新方法。但中小焦化企业生产规模相对较小，焦炉煤气产量少，成本 优势

9、不明显，多家企业联合又困难，影响了焦化企业对焦炉煤气的综合利 用。2、焦炉煤气生产 LNG 的技术特点为了解决中小企业焦炉煤气综合利用的问题，中科院理化技术研究所 改变利用思路，将2有效成分甲烷和氢气作为两种资源综合利用，开发出了焦炉煤气低温 液化生产 LNG 联产氢气技术(已申请专利)，新技术具有以下特点：1)可以省去甲烷转化工序，大大节省投资成本。2)由于新工艺拥有某某的循环制冷系统，操作弹性非常大，适应性强， 运行稳定。 3)产生的氢气可以利用氢气锅炉为全厂提供动力和热力，这方 面的技术已经非常成熟。有经济实力的企业还可以配套合成氨等装置，相 对投资少，效益更高。并随着氢气利用技术的日益

10、发展可以生产液氢产品 等。4)产品市场好。预计未来 15 年中国天然气需求将呈爆炸式增长，到 2022 年，中国天然气需求量将达到 1000 某 109m3，产量约 800 某 109m3, 缺口将达到 200 某 109m3；到 2022 年天然气需求量将超过 2000 某 109m3，而产量仅有 1000 某 109m3,50将依赖进口。 5)整套方案中工艺流程短， 操作简单。处理量 1 某 106m3/d 的生产装置，只需要 4050 操作工，非 常适合中小型焦化企业对焦炉煤气的综合利用。3、焦炉煤气生产 LNG 联产氢气工艺路线液化天然气是天然气经过预处理，脱除重质烃、硫化物、二氧化碳

11、、 水等杂质后，在常压下深冷到162液化制成，液化天然气是天然气以 液态的形式存在，其体积仅为气态时的 1/625。天然气液化后可以大大节 约储运空间和成本，运输方式更为灵活，而且提高了燃烧性能。随着低温 分离技术的发展， LNG 的原料气已经多元化，煤层气(矿井瓦斯)、合成 氨放散气、焦炉煤气等富含甲烷的气体都可以作为 LNG 的原料。 3.1 工艺 流程简介焦炉煤气综合利用制取 LNG 工艺见图 1。该装置由焦炉煤气升压粗脱 硫、脱苯、脱萘及焦油、有机硫水解催化转化、脱二氧化碳、精脱硫、脱 水、膜分离脱氢、预冷、液化精馏、 LNG 储运、氮气循环制冷系统、氢气 回收利用和公用工程等单元组成

12、。图 1 焦炉煤气综合利用制取 LNG 工艺3如图 1 所示，焦炉煤气经加压粗脱硫后进入预处理过程，在此除掉煤 气中的苯、萘及焦油等杂质后，压缩至较高压力后进入水解脱硫工序，经 水解脱除硫化氢，并利用 N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液除掉二氧化碳等 酸性气体后，经吸附过程脱掉残余硫化物、汞、水分、高碳(C5 以上化合 物)即可进入膜分离装置。经过膜分离装置的焦炉煤气组分主要为甲烷、 还有少量 H2、N2、CO。经过膜分离装置得到的焦炉煤气降温至170后，进入低温精馏塔，液态甲烷将在精馏塔底部排出，装入液态甲烷槽车。 H2、 N2、CO 等将从精馏塔顶部抽出，复热后送蒸汽锅炉燃烧以产生动力用蒸

13、汽。整个系统的绝大多数冷量由一个闭式氮气膨胀制冷循环或氮气甲烷混 合物膨胀制冷循环提供。对膜分离产生的高纯氢气，进行综合回收利用，以下方案可以选择。方案一：氢气直接进入氢气锅炉，产生蒸汽，为脱碳、脱水单元再生 提供热量，推动蒸汽轮机，为原料气压缩机和循环制冷系统压缩机提供动 力，以及全厂供暖，从而大大降低生产能耗。方案二：利用氢气生产液氢产品，中国科学院理化技术研究所低温技 术组已经有成熟技术。从膜分离得到的纯氢压缩后进入 PSA 纯化，以得到 99.999的高纯氢，这部分氢作为原料氢进入液化冷箱，首先进入液氮槽 降温至 70K，在此温区进行一次正仲氢转化，转化后的氢气进一步被冷却 到 30K

14、 后减压进入液氢储槽，在此过程中再进行一到两次正仲氢的转化。 制冷系统采用氢作为制冷循环工质，利用膨胀机膨胀制冷。其他：也可以根据工厂的经济实力将氢作为化工原料生产新的化工产 品。 3.2 焦炉煤气低温分离生产LNG 的优势1)运输成本优势。原来的 LNG 生产厂由于靠近天然气气田，而市场大 多在内地，所以运输成本不可忽视。而焦化厂大多在内地，接近市场，运 输成本将大幅降低。 2)能耗方面优势，虽然原料气中含有大量的氢气、氮 气等，但是在液化之前，大部分氢气将被提前脱除，不参加甲烷低温分离， 所以能耗不会很高，如果采用 MRC 制冷流程，能耗还会进一步降低。另外， 工艺中氢气被回收利用作为大机

15、组的动力，不仅解决了氢气的综合利用, 而且大大降低了综合能耗。3)原料成本优势。天然气液化采用的天然气井口价格在0.9 元m3 左右，美国现在井口价已经达到 1.99 元m3，而焦炉煤气的价格相对比 较低，生产成本主要是能耗成本，所以生产出来的 LNG 在价格上也非常有 竞争力，即使将来 LNG 工厂生产能力变大，相对于以天然气为原料的LNG 厂也有很大的优势。4)政策方面的优势。国家大力支持节能减排，鼓励企业对焦炉煤气综 合利用。另一方面 2007 年 8 月 30 日国家发展改革委员会正式颁布天然 气利用政策，明确表示“禁止以大、中型气田所产天然气为原料建设液 化天然气项目”，限制了天然气

16、液化厂的建设，减少了市场的竞争。 4 经 济分析1)投资分析。经过综合的估算，建设一座 LNG 产量为 10 某 105m3/d 的液化分离工厂，投资大概在 15000 万元左右，主要设备有原料气预处理 装置、原料气压缩机组、原料气净化装置、膜提氢装置、液化冷箱、氮气 压缩机、膨胀机、 LNG 储罐、公用工程及其全厂控制系统，氢气回收部分 由选择的回收方案来确定。投资仅相当于甲醇项目的一半。另外当处理量 较小时，可以采用往复压缩机组，节约设备投资，但是运行成本相对会提 高。 2)收益分析。根据中国科学院含氧煤层气液化成本核算，液化成本在 1.0 元m3 (如果将机组改为蒸汽轮机，液化成本还可进

17、一步降低)，目 前 LNG 出厂价按照 2.5 元m3 计算，这样利润在 1.5 元m3 左右，年利 润约 4950 万元。收回成本时间约 3 年。所以焦炉煤气综合利用制取LNG 项目在经济上是可行的。4在大型焦化企业兴建焦炉煤气制甲醇、化肥项目的同时，对于生产规 模在百万吨以下的中小型炼焦企业也应该积极想办法，提高中国炼焦企业对焦炉煤气的综合利用水平。利用焦炉煤气生产 LNG 是中小型炼焦企业综 合利用焦炉煤气的一个好方法，具有相对投资小、产品市场好、风险低、 能耗低、装置操作弹性大和投资回报率高等优点。四、焦炉煤气甲烷化制 天燃气采用补碳催化合成技术使焦炉煤气中大部分的氢和 CO、CO2

18、经过甲烷 化反应生成甲烷，从而得到合成天燃气是焦炉煤气综合利用的又一项新技 术；工艺流程如下：来自焦化厂经过预净化处理的焦炉气，仍然含有微量焦油、苯、萘、 氨、氰化氢、 Cl-、H2S、不饱和烯烃、噻吩、硫醚、硫醇、 COS 和 CS2 等 有机硫。原料气首先加压预热后脱氯后，之后经过两段加氢转化，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 过副产中压蒸汽的方式移出反应热并回收。由于焦炉煤气中氢含量较高， 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，作为副产品销售或建加氢项目。最终甲烷化后的混 合产品气体，经除水脱碳等净化后进入低温液化工序，制取产品LNG。焦炉煤气制 LNG 流程框图经济效益和社会效益根据焦炉煤气成份的差异，生产 1 吨 LNG (CH4 含量96%)消耗焦炉 气约 38004500Nm3，如有其它 CO、CO2 资源补充，则焦炉气消耗量大幅 下降；若无补充气，则可副产