高效利用焦炉煤气问题探讨

LIU1018

高效利用焦炉煤气问题探讨

王定武

    一、焦炉煤气的特点和利用价值
    在炼焦过程中，生产1t焦炭约需1.35t洗精煤，每吨洗精煤（挥发份为28％时）可产生327m3焦炉煤气，焦炉煤气的回收率一般为96％～98％。焦炉煤气的组成为H2 55％～60％，CO 5％～8％，CH4 23％～28％，CmHn 2％～4％，苯类0.5％～1％，水分4％～5％，另有少量的N2、CO2、O2。焦炉煤气热值在18000～19300kJ/m3（4302～4613kcal/m3）左右。焦炉煤气从炭化室出来经上升管、桥管到集气管，此处煤气的温度约为650～700℃。
    除应该利用焦炉煤气的物理热外，根据其化学成分的特点：H2含量高达60％、CH4达25％，H2+CH4≈85％且杂质少、毒性小，可作为甲醇等重要化工产品的原料、生产直接还原铁的还原剂，而用作工业炉窑燃料是十分可惜的。
    我国是全球最大的焦炭生产国，2007年我国有997家焦化企业，焦炭产量达33553万t，占世界焦炭产量的60％，产生的焦炉煤气量巨大，如何合理、高效地利用是值得探讨的重大课题。
    二、我国目前焦炉煤气利用状况及存在问题
    我国的焦化企业有两种：一种是各大钢铁联合企业自建的焦化厂；另一种是煤化工企业建设的焦化厂或独立的焦化厂。钢铁联合企业自建焦化厂的优势，除所产焦炭可就近用于高炉外，还可利用高炉煤气作为焦煤干馏加热等用途，使焦炉煤气得以更加合理地利用。
    目前的问题是替换出来的焦炉煤气仍作为燃料使用，一般是和高炉煤气混合为具有较高热值的混合煤气供加热炉、热处理炉等工业炉窑使用或单独用作各种烘烤设施的燃料。由于氢和甲烷含量高，焦炉煤气是很好的化工原料和还原剂，它与高炉煤气、转炉煤气（主要含CO）有很大区别，将焦炉煤气作为燃料利用是不合理的。
    过去在钢铁联合企业中将焦炉煤气用作燃料是有技术原因的，因为高炉煤气发热值低（含大量N2和CO2，CO在30％以下），一般冶炼制钢生铁时发热值为2850～3320kJ/m3（682～770kcal/m3），冶炼铸造生铁时发热值为3550～4200kJ/m3（837～1004kcal/m3），需要和高热值的焦炉煤气混合成1800kcal/m3左右的混合煤气用作工业炉窑的燃料，才能达到所需的燃烧温度。近年来，由于蓄热式双预热技术（空气、煤气双预热）的发展，钢铁厂各种工业炉窑均可单独采用高炉煤气作为燃料，烘烤设施可用毒性较小的转炉煤气加热，这就为钢铁厂焦炉煤气的高效利用创造了必要的条件。
    煤化工企业或独立焦化厂由于没有高炉煤气可利用，需用自产煤气作为干馏加热、苯蒸馏和焦油蒸馏用燃料，可供其他方面使用的仅占50％左右，虽然可用部分一般用于制取甲醇或化肥等，但总的来说也不尽合理。
    两类焦化厂存在的共同问题是焦炉煤气的物理热均未得到利用。
    三、高效利用焦炉煤气的发展前景
    1. 利用焦炉煤气制造甲醇及其他化工产品
    焦炉煤气中含有50％以上的氢气，只需将焦炉煤气中的甲烷转化成一定比例的H2及CO，即可大体满足合成甲醇所需的气体比例要求。
    甲烷转化反应式为：
    CH4+O2→CO2+2H2    （1）
    CH4+H2O→CO+3H2    （2）
    CH4+CO2→2CO+2H2   （3）
    甲醇合成反应式为：
    CO+2H2→CH3OH      （4）
    CO2+3H2→CH3OH+H2O （5）
    2004年我国云南曲靖天为焦炉制供气有限公司成为我国第一家用焦炉煤气制甲醇的公司，随后有16家企业陆续投产，总产能达210万t/a；目前处于建设和设计阶段的装置还有20多套，产能约230万t/a，预计到2010年，我国焦炉煤气制甲醇能力将达到400～500万t/a。
    在短短几年内，这项技术之所以能得到如此迅速的发展，一是有成本优势，焦炉煤气制甲醇成本大概在1300～1400元/t左右，比煤制甲醇成本低200～400元/t，以我国现有条件用天然气制甲醇成本又将比煤制甲醇成本高35％左右；二是甲醇使用范围广、需求量大，如高配比甲醇汽油市场正在扩大，甲醇制二甲醚、烯烃、丙烃等产业正在发展，用甲醇制汽油的试验装置在2009年内即可投产，据测算10万t甲醇可转制成4万t汽油；三是国际市场对甲醇需求量大。
    目前，我国焦炉煤气制甲醇行业还限于非钢铁联合企业焦化厂，在各钢铁企业中焦炉煤气均用作燃料，还没有用来制甲醇的先例，这是很可惜的事，加之钢铁联合企业中的高炉煤气和转炉煤气均含有丰富的CO和CO2，可作为焦炉煤气制甲醇工艺中甲烷的转化剂。因此，高效利用钢铁企业中焦炉煤气的问题应提到日程上来。
    2. 利用焦炉煤气作直接还原炼铁装置的还原剂
    直接还原铁是电炉炼钢的重要原料，不仅可以代替废钢作为铁料，并因其不像回收废钢含有害杂质，即使主要利用废钢作原料的电炉掺入一定数量的直接还原铁，也可以减小回收废钢中有害杂质带来的危害，有利于冶炼优质钢。此外，直接还原铁也可用作转炉炼钢冷却剂。
    由于我国缺乏天然气资源，在目前技术条件下，气基直接还原炼铁装置产量小，成本高，质量差，我国至今还没有大规模生产直接还原铁的工厂，用焦炉煤气制直接还原铁将为我国直接还原铁生产提供新的途径。
    直接还原铁装置对还原气体的要求为H2+CO要大于90％，Midrex装置入炉还原气H2/CO为1.6，HYLⅢ型装置入炉还原气H2/CO为5.7，H2含量都高于CO，焦炉煤气经重整后可以达到这些要求。
    四、几点建议
    1. 焦炉煤气H2及CH4含量高，用作燃料不合理。新建钢铁联合企业时应考虑高效利用焦炉煤气生产甲醇或其他化工产品，也可用于生产直接还原铁。现有钢铁企业已建成混合煤气工业炉窑及自备发电厂等，需根据具体情况逐步使焦炉煤气的利用高效化。
    2. 由于焦煤资源在全球范围内均缺乏，因此，应适当限制以焦煤作原料的煤化工厂的建设，并限制焦煤及焦炭出口。
    3. 我国国内还没有建成气基直接还原铁工厂，而宝钢集团浦钢公司在罗泾已建成1台C-3000 COREX装置，COREX炉煤气经重整后，亦可作为直接还原铁装置还原剂，建议在罗泾建设气基直接还原铁装置，不要再将COREX炉煤气作燃料使用。
    4. 在国内选择适当地点建设一套利用焦炉煤气生产直接还原铁的装置以获取经验。  

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这样的方案只有焦炉煤气产生量在一定规模的情况下才现实，不然投资巨大。

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焦炉煤气变压吸附制氢技术与装置



  一、项目内容
    冶金行业的冷轧生产工艺中，在罩式炉内的煺火处理时需有按一定比例混合后的氢氮气作保护。过去氢气的制取主要采用电解水的方法获得，但用这种方法制取的氢成本太高。随着我国变压吸附分离技术工业化的迅速发展，变压吸附制氢装置已被广泛应用于冶金、石油、化工等行业，规模从260 Nm3/h到1×106 Nm3/h均有在建装置。

  二、技术、装置的关键与特点
    由于焦炉煤气组成复杂、压力低且产品氢纯度要求高，因而其工艺流程由压缩工序、预处理工
序、变压吸附工序和净化工序组成。
☆ 可靠的脱萘系统和TSA预处理可有效脱除原料气中的重组分杂质，保证了PSA吸附剂的长期使用，提高了装置的适应能力，并且不会形成二次污染。
☆ PSA工序采用5-1-3 流程，与经典的5-1-2流程相比增加一次均压次数，以最少的吸附床实现了三次均压，提高了氢气回收率，降低了装置运行成本。
☆  顺放气缓冲技术，可避免传统冲洗再生流程中的二次污染问题，使吸附剂再生效果更好。
☆ 净化工序采用先进的常温脱氧新工艺，可降低装置投资和运行费用。
☆ 先进的PSA专用软件在某个吸附塔出现故障时，可自动将故障塔切除，转入四塔、和三塔操作，并且不影响处理能力，只是收率有少量下降。这一功能大大地提高了装置运行的可靠性。
☆ 所有预处理塔、吸附塔和干燥塔均设计隔断阀，可对单塔进行切除隔离检修，这样就又进一步提高了装置的可靠性和在线处理故障的灵活性。
☆ 控制软件的参数优化功能可使装置在任何时候都能达到最佳运行状态，提高了装置的运行效益。
☆ 作为关键设备的PSA程控阀， 选用专利产品──三偏心扭矩关闭型蝶阀。具有体积小、重量轻、动作快(小于2秒)、密封性能好(ANSI 六级)、寿命长（大于100万次)、开关速度独立可调（～60秒）、阀位显示可靠的优点，保证了装置长期运行的可靠性。
☆ 程控阀门的开启速度调节功能可控制均压速度、减少气流对吸附剂的冲刷、大大延长吸附剂的使用寿命。
☆ 吸附剂装填采用密相装填技术，可减小吸附死空间，提高氢气收率。

  三、应用效果
    以焦炉煤气为原料采用变压吸附法制取高纯度的氢气（99.999%），制氢成本低，只相当于电解水制氢成本的1/3～1/4，目前在武钢、本钢、鞍钢等已建有多套1000 Nm3/h、纯度为99.999%的焦炉煤气变压吸附制氢装置，其中投产运行时间最长的一套已达八年。
    武钢、本钢、鞍钢等企业采用该装置后，既提高了焦炉煤气的发热值，又为冷轧产品的热处理提供了气源，降低了生产成本，为企业增效作出了贡献。
    以1000 Nm3/h、纯度为99.999%的焦炉煤气变压吸附制氢装置为例，投资为1000万元左右，每Nm3h节电5kwh，年节电2000万 kwh，氢气的售价以2元/ Nm3计算，年效益1000万元以上，仅此两项，半年便可收回投资。