焦炉煤气

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什么是焦炉煤气[1]

  焦炉煤气是指用几种烟煤配成炼焦用煤,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。一吨煤在炼焦过程中可产出730-780千克焦炭和300-340立方米焦炉煤气以及35-42千克焦油。焦炉煤气热值高、燃烧快、火焰短、生成废气比重小。主要成分为甲烷、氢和一氧化碳等,可用作燃料和化工原料。

焦炉煤气的组成[2]

  炯煤隔绝空气加热到950~1050℃,经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终制得焦炭,这一过程叫高温炼焦。炼焦除了可以得到固体产品—— 焦炭外,还可以得到液体产品——焦油、气体产品—— 荒煤气(也称粗煤气)。荒煤气经过电捕焦油器脱除焦油、湿法脱硫、酸洗脱氨、洗油脱苯后成为净焦炉煤气。净焦炉煤气的组成如表1所示。

表1 净焦炉煤气的绢成
干煤气组成H2CH4CON2CO2CnHmO2
含量/%54~5924-285.5~73~51~32~30.3~0.7

焦炉煤气资源的分类[3]

  焦炉煤气资源可分为三大类:

  • 已利用资源
  • 可利用资源(机焦炉已收集的煤气资源)
  • 潜在可利用资源(土焦、改良焦炉等还没有收集的煤气资源和现已利用将来被天然气取代的煤气资源)

焦炉煤气的利用[2]

  1.发电

  焦炉煤气属于中热值煤气,其低发热值为17~19 MJ/m3。常见的焦炉煤气发电方式有蒸汽轮机发电、燃气轮机发电和内燃机发电3种 。

  蒸汽轮机发电是锅炉直接燃烧焦炉煤气生产蒸汽,利用蒸汽轮机驱动发电机发电。蒸汽轮机发电是一种传统的煤气发电技术,效率较低,但单机功率较大,适合建立大规模的燃气电站。

  燃气轮机发电是通过压气机涡轮将空气压缩,高压的空气在燃烧室与焦炉煤气混合燃烧,使空气急剧膨胀做功,从而推动动力涡轮旋转做功来驱动发电机发电。燃气轮机发电,设备在性能及可靠性方面较差,发电效率不超过30%,采用燃气和蒸气联合循环发电时,发电效率高达45%,这是今后焦炉煤气发电的发展趋势。

  内燃机发电是用煤气直接燃烧驱动燃气轮机进行发电。其工作原理与汽车发动机相似,需要火花塞点火,由于内燃机气缸内的核心区域T作温度可以达到1 400℃,使其效率大大超过了蒸汽轮机和燃气轮机。燃气内燃机的发电效率为30% ~40%,一般可以达到35%。国内焦炉煤气内燃发电机组单机功率一般在500~2000kW,该种发电方式单机功率相对小,建站灵活,为日前国内焦炉煤气发电采用的主要方式。

  2.生产甲醇

  当今,甲醇已成为十分重要的有机化工原料之一, 甲醇的深加T产品已达120余种。随着能源结构的改变,甲醇又可以作为清洁能源或汽油的添加剂等,需用量十分巨大。甲醇合成已成为我国重要的产业之一。焦炉煤气组分本身含有甲烷24% 28%,简单的转化就可以满足甲醇合成气的比例要求。数据表明,2 000~2200m 焦炉煤气可生产1t甲醇。通过对我国特定地区相同规模的焦炉煤气、天然气、煤为原料制甲醇的消耗成本投资比较可以发现,焦炉煤气制甲醇具有明显优势。

  3.生产氢

  焦炉煤气组分本身含有氢气54%~59%,简单的分离就可以获得氢气。采用变压吸附技术(PSA)可从焦炉煤气中提取高纯度(99.9%左右)的氢气。中国武钢硅钢厂、宝钢冷轧厂、石家庄焦化厂一、邯钢相继建成了焦炉煤气变压吸附制氢装置,制氢成本仅相当于电解水成本的1/3 1/4 。也可以将焦炉煤气重整转化为合成一氧化碳和氢气,再通过水煤气变换反应将焦炉煤气转化为氢气。氢气既可以作为能源,广泛应用于航天、汽车制造等行业,又可以作为化丁原料,用于石油化工加氢裂解、生产双氧水、合成氨等化工生产过程中。

  4.直接还原铁

  直接还原铁又被称为海绵铁,是精铁粉或氧化铁在炉内经低温还原形成的低碳多孔状物质,其化学成分稳定,杂质含量少,主要用作电炉炼钢的原料,也可作为转炉炼钢的冷却剂,如果经二次还原还可供粉末冶金用。直接还原铁的生产 艺有煤基和气基两大类,日前工业上大多采用的是气基法。气基法使用的还原剂主要是天然气 天然气经重整后,主要成分CH4分解为(CO + H2),用来直接还原铁。但受地域限制及不断上涨的天然气价格的影响,其生产成本不断升高,而焦炉煤气中H2CH4的体积分数分别为54%~59%和24%~28% ,热裂解后即可得到廉价的还原性气体[(H2 + CO)含量>90%]。用焦炉煤气替代天然气生产直接还原铁,既解决了气源问题,又使焦炉煤气得到了高效利用,因此该项目已经成为当前科研工作者们的研究焦点。

焦炉煤气综合利用的优势前景[4]

  我国焦化行业技术装备水平近年来得到前所未有的提高,抓好焦炉煤气资源化再利用的研发利用工作,具有不可替代的前景优势。

  1.充足的炼焦煤气资源

  一般每生产1 t焦炭,可产生400 m3左右的焦炉煤气,2007年我国3.358亿t的焦炭,意味着同时生产出至少1 320×106m3的焦炉煤气,其体积是西气东输天然气体积量的11倍多,至少含有660×106m3宝贵的氢气,其利用价值是可想而知的。我国煤焦油目前加工深度不够,业内人士估计煤沥青将会出现过剩局面,煤焦油正好为加氢制取柴油提供源源不绝的原料来源。

  随着我国焦化产业结构调整的完成,钢铁企业能源“链”的优化,会有大量炼焦煤气被置换出来,更增加了可利用的煤气资源,如何利用好我国丰富的焦炉煤气资源优势,有着极其重要的意义,做好焦炉煤气综合利用工作是炼焦企业可持续发展的必然选择。

  2.巨大的国内市场消费空间

  我国国民经济持续高速增长,化工产业和汽车消费的快速发展,给以煤化工深加工工业带来了少有的市场空间,开发焦炉煤气资源的深度利用是最佳选择。随着国际原油价格持续走高,国内燃料油供需压力日益增大,开拓新的石油补充领域,焦炉煤气制氢、煤焦油加氢制油工艺必将具有旺盛的市场需求前景。

  以甲醇来说,甲醇是是重要的新一代能源,市场潜力巨大,甲醇的产业链很长,催化部分氧化法生产甲醇的工艺已经成熟可靠,发展焦炉煤气制甲醇具有广阔的前景。低比例甲醇汽油的国家标准将于2008年底完成,我国已成为世界第二大甲醇消费国,预计到2010年,我国甲醇需求量会超过3 OOO万t/a。

  二甲醚作为民用燃料具有较大的发展潜力,国家建设部发布的《城镇燃气用二甲醚》产品标准,自2008年1月1日起实施,可作为单独的管道燃气气源正式进入城镇作为替代燃料推广,对缓解我国进口石油液化气的需求压力将起到巨大作用。兰州、西安等地的出租车已使用上了二甲醚燃料,2002年全国二甲醚总产量不到2万t,2005年达30万t,平均增长率达到了96%,中煤集团300万t/a二甲醚示范工程也已开工,上海二甲醚公交车已进入商业化阶段,2008年将完成100辆二甲醚燃料示范车辆的改造,发展二甲醚替代柴油对我国石油替代战略有更为现实的意义。

  3.技术开发多样化拓宽了焦炉煤气资源化利用领域

  我国煤化工科研工作者经过多年卓有成效的探索,在炼焦煤气综合利用开发的工艺路线优化、关键设备制造上已有所突破,首钢和北京钢铁研究总院建立了焦炉煤气直接还原制海绵铁小型试验装置,旨在进行相关试验,确定合理的工艺参数;两步法合成二甲醚技术的攻关工程也已启动,第二化工研究设计院在煤系甲醇的技术上已实现了30万t/a的规模,上海胜帮石油化工技术公司设计的陕北腾龙煤电集团20万t/a煤焦油加氢装置正在实施中,这些都加快了我国焦炉煤气资源化应用的进程。

  氢能技术已经被列入我国。十一五”规划,加大焦炉煤气制氢技术的研发,充分利用极其丰富的焦炉煤气资源的优势,大力发展氢能,以替代燃油和改善对环境的污染。

参考文献

  1. 能源统计知识手册.国家统计局工交司编,2006年8月
  2. 2.0 2.1 杨丽,汪红有.焦炉煤气的综合利用技术[J].河北化工,2011(2)
  3. 杨力,董跃,张永发,谢克昌.中国焦炉煤气利用现状及发展前景[J].山西能源与节能,2006(1)
  4. 丰恒夫,罗小林,熊伟,昊木.之我国焦炉煤气综合利用技术的进展[J].武钢技术,2008(4)
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