焦炉煤气的处理与应用

焦炉煤气含55%左右的氢.在化学反应中,氢对氧化铁的还原率是最高的。目前，多家钢铁企业已经开展焦炉煤气直接还原铁的试验工作。因为焦炉煤气含有20%~25%的甲烷。在使用焦炉煤气还原反应前要进行裂解，提高H2的含量，并要预热到930oC~950oC，反应后气体脱除CO2，再循环利用。

直接还原炼铁的生产技术分为两种：一种以天然气作为还原剂的气基竖炉生产工艺，可以大大降低炼焦煤和焦炭的消耗[16]，其生产量约占海绵铁总产量的92%；另一种是为煤为还原剂的煤基回转窑工艺，其生产量约占总产量的8%。钢铁联合企业中，竟焦炉煤气进行热解，是CH4裂解成H2和CO，最终获得H2的73%~74%和CO的22%~25%的还原性气体，可以直接还原含杂质较少的高品位铁矿石或粉或球团矿，以生产海绵铁[17]。

3.3 焦炉煤气用于生产化工原料 3.3.1 焦炉煤气制氢气

焦炉煤气中，氢气是焦炉煤气的主要成分，达54%~59%，适合用于分离氢气，制取纯氢[18]。与水电解法制氢气相比较，利用焦炉煤气制取氢气效益更显著。据统计，水电解法生产氢气耗电为6.5 kW.h/m3,而利用焦炉煤气生产氢气进耗电0.5kW.h/m3[19]。焦炉煤气制取氢气的方法主要有深冷法、变压吸附法（PSA）。

深冷法是利用焦炉煤气中各主要组分冷凝温度的不同，高压条件下使焦炉煤气冷凝，而使氢气与其他气体组分分离，然后用液氮清洗，脱除气体中剩余的C0和CH4，最终得到的气体中含有83％~88％的氢气。深冷法是COG制取氢气应用最早、技术最成熟的方法，它不仅能回收氢气，还能回收焦炉煤气中的其他副产品。深冷法需要在特别高的压力条件下进行操作，对设备的抗压性能高，装置投资大、运转费用高、投资回收期长，难以被大多数焦化厂接受。

变压吸附分离技术是一种物理分离技术，它能将焦炉煤气中的氢气与其他组分分离。该法利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异，一级吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯[20]。焦炉

煤气变压吸附制取氢气由于回收率高、回收氢气浓度大、操作条件温和等特点，已在国内广泛推广。平项山市三源制氢有限公司通过与平煤集团焦化公司及河南神马尼龙化工公司合作，采用变压吸附法从平煤集团送来的焦炉煤气中分离出纯度达95％的氢气，然后将氢气转送给河南神马尼龙化工公司作为原料生产尼龙66盐[21]；石家庄焦化集团有限公司采用变压吸附从焦炉煤气中制取氢气，然后用氢气生产双氧水[22]，这两个例子都是焦炉煤气变压吸附制取氢气，然后利用氢气进行深加工的成功范例。

3.3.2 利用焦炉煤气合成甲烷

钢铁企业利用焦炉煤气提H2转炉煤气提CO、CO2合成甲醇及其他化工产品也是剩余焦炉煤气利用的一个研究方向，由于省去了造气工序，投资将仅有煤制气合成甲醇产品的不足一半，其经济可行性不言而喻。但是以300万吨规模的钢铁联合企业为例，配套焦化生产能力约110万吨。在不考虑其他用户焦炉煤气消耗的情况下，110万吨规模复热式焦炉剩余焦炉煤气量约446Nm3*106Nm3、折合5万标准m3/h左右。

甲烷转化反应式为[6]： CH4+O2→CO2+2H2 CH4+H2O→CO+3H2 CH4+CO2→2CO+2H2

甲醇由一氧化碳、二氧化碳与氢反应生成，反应式如下： CO+2H2=CH3OH CO2+3H2=CH3OH+H2O

从反应式可以看出，氢气与一氧化碳合成甲醇的物质的量比为2，与二氧化碳合成甲醇的物质的量比为3，当一氧化碳与二氧化碳都有时，对原料气中氢碳比有以下两种表示方式

f = （H2-CO2）/（CO+CO2）=2.05~2.15 或 M=H2/（CO+1.5CO2）=2.0~2.05

即反应氢碳比应略高于2。按照焦炉煤气变压吸附制氢，专炉煤气变压吸附生产一氧化碳和二氧化碳混合气体折算，即春年产量13.7万吨。由于采用焦炉煤气合成甲醇省却了煤制气工序，同样产能投资为煤气化路线的1/2~1/3。成本下降

30%~40%，利用效果突出。但是在钢铁联合企业内部，在铁、钢、轧产能配套的情况下，由于烧结、球团、石灰、热风炉及轧钢加热炉消耗大量热量、厂内燃气首先要保证工厂内部使用、使得厂内煤气一般不能全部用于化工产品生产。因此在钢铁企业内部采用工艺解决焦炉煤气利用存在是否适用的问题。但是该工艺应当是有大量焦炉煤气剩余钢铁企业解决煤气出口的优选方法[23]。

3.3.3 利用焦炉煤气生产尿素

国内首家采用以焦炉煤气为主要原料进行尿素生产装置的厂家是辽宁北方煤气化工（集团）有限公司，设计年生产能力180kt合成氨，300kt尿素，易于2007年11月中旬开工，合成氨生产采用焦炉煤气加压催化部分氧化法和瑞士卡萨合成氨工艺，尿素生产采用CO2汽提工艺和海德鲁流化床大颗粒造粒技术，利用该法生产尿素成本低于或相当于目前用天然气作原料生产尿素，成本约为940元/吨

[24]

，但该项目总投资数额较大。

3.3.4 利用焦炉煤气提取或合成天然气[9]

在焦炉气组成中，甲烷含量约24％ ～28％ ，一氧化碳和二氧化碳含量占近

10％ ，其余为氢和少量氮，因此焦炉气通过甲烷化反应，可以使绝大部分一氧化碳和二氧化碳转化成甲烷，得到主要含氢、甲烷、氮的混合气体，经进一步分离提纯后可以得到甲烷体积在90％ 以上的合成天然气(SNG)，再经压缩得到压缩天然气(CNG)或经液化得到液化天然气(LNG)。焦炉煤气深度净化后经甲烷化生产天然气(SNG／CNG／LNG)的技术，具有投资小、消耗低、无污染、能量利用率高等优势，是焦化企业较佳的选择。

目前焦炉煤气生产天然气主要有3种方式，分别为直接提取甲烷—— 天然气，提取甲烷富余氢气生产合成氨，焦炉煤气合成甲烷—— 天然气等。而焦炉煤气制天然气的产品方案有3种，分别为合成天然气(SNG)、压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)。生产1立方米天然气可消耗2．35立方米焦炉煤气，1吨LNG(热值35．16兆焦／标准立方米)并副产1600立方米的副氢释放气(热值10．32兆焦／标准立方米)，须消耗3200立方米焦炉煤气。

3.4 焦炉煤气用于高炉喷吹，部分代替喷吹煤粉

高炉喷吹焦炉煤气是指将来自焦化厂的焦炉煤气经过净化处理，通过设备加压至高于高炉风口的压力，然后利用喷吹设施，通过各个风口直吹管喷入高炉。

高炉喷吹焦炉煤气的最大问题是焦炉煤气的来源。作为优质燃料的焦炉煤气在钢铁厂普遍存在着供应紧缺的现象。鉴于我国目前存在着大量独立的焦化厂，其产生的大量焦炉煤气每年都存在之直排放散的现象，每年白白烧掉的焦炉煤气量造成的经济损失达数百亿元。如果把这部分焦炉煤气、其产生的累积经济效益是不言而喻的[25]。

于高炉喷煤相比，高炉喷吹焦炉煤气具有下列优点： （一）能为高炉提供更好的还原剂，且还原产物环保； （二）能提高焦炉煤气价值，提高能量利用率； （三）喷吹工艺简单，技术可靠。

高炉喷吹焦炉煤气在国外从上世纪80年代即开始应用了。经过多年的研究摸索，得出了以下几点[25]：

（1） 焦炉煤气中含氢量高，喷入高炉后改善炉内还原气氛，有利于高

炉节焦和顺行。

（2） 高炉喷吹焦炉煤气在国内外已有生产实践，技术上可行，工艺路

线成熟可靠。

（3） 在实践操作中，需要对焦炉煤气进行必要的净化处理，以保证压

缩机系统不因焦油和萘等物质的析出，而影响稳定运行。

（4） 采用专门的喷枪进行喷吹焦炉煤气，对高炉的直吹管进行必要的

改造，并使焦炉煤气的喷枪延升至风口小套前段，以减少焦炉煤气快速燃烧对风口小套的影响。

（5） 高炉喷吹焦炉煤气后，风口的燃烧和炉内的还原气氛发生相应的

变化，高炉操作要作相应的调整。由于焦炉煤气燃烧快，火烟短，所以高炉边缘气流发展，风口氧化带缩短，在生产中要加重边缘负载，抑制边缘气流发展，保护炉墙。

（6） 高炉喷吹焦炉煤气后，高炉煤气的水分含量增加，煤气热值降低，

影响热风温度。

（7） 严格控制炉顶煤气温度在180~250oC以内，精心操作布袋除尘系

统。