煤焦化企業煤氣化學加工利用路線探討

王海斌

(潞安環能股份公司 焦化產業部，山西 長治 046204)

煤氣化、煤液化、煤焦化是現代煤炭深加工的三大途徑，各有其相應的技術經濟條件限制和加工工藝優勢，其中煤焦化的上游是煤炭開采和洗選業，下游是煉鋼、鐵合金、電石等冶煉行業，煤焦化是處于能源產業鏈和冶煉產業鏈之間的一個相對獨立的行業或產業。從經濟的角度講，在工業系統中，煤焦化一肩挑兩重，東方不亮西方亮，有其獨特的經濟優勢，一般情況下不會造成虧損；從技術的角度講，煤焦化過程中副產的硫磺、粗苯、焦油是必要的精細化工原料，在發達經濟體中，已經用這些原料生產出多達幾百種具有極高附加值的精細化工產品。在粗放型生產的年代，焦爐煤氣大都通過放散直接燃燒，造成極大的資源浪費和環境污染。近年來我國政府提出明確要求，焦爐煤氣不但不能放散，而且不支持發電等直接燃燒使用，要求必須化學加工。

關于焦爐煤氣的化學加工利用，不同焦化企業各有千秋，各具特色，但萬變不離其宗，都是追求碳氫組合的效益最大化，這一點從焦爐煤氣的構成中可以明確看出，焦爐煤氣經過“三脫”凈化處理后的基本組分見表1。

表1 焦爐煤氣凈化處理后的基本組分

就焦化煤氣化學加工利用的各種碳氫組合工藝而言，主流思路可以歸集為三種路線，即甲醇路線、LNG路線和耦合煤液化或煤氣化路線。

1 三種路線的工藝流程比較

1) 甲醇路線。即焦化煤氣生產甲醇聯產合成氨，需經甲烷轉化，氣體中的CO、CO2和H2均為合成甲醇的有效氣體成分，甲醇合成主要反應為：CO + 2H2=CH3OH ， CO2+ 3H2=CH3OH + H2O。新鮮合成氣中氫碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=2.05～2.15。基本流程見圖1。

圖1 焦化煤氣生產甲醇工藝流程

2) LNG路線。即焦化煤氣生產液化天然氣(LNG)副產氫氣，需經過甲烷化，將氣體中的CO 和CO2轉化成甲烷，氣體中的CO、CO2和H2也均為合成甲烷的有效氣體成分，甲烷合成主要反應為：CO+3H2=CH4+H2O，CO2+4H2=CH4+2H2O。新鮮合成氣中氫碳比需符合(H2-CO2)/(CO+CO2)=3.1～3.3。基本流程見圖2。

圖2 焦化煤氣生產液化天然氣工藝流程

3) 關于耦合煤液化或煤氣化路線，主要是焦化煤氣運用于費托合成。以潞安集團具有知識產權的鈷基固定床費托合成工藝為例，該工藝依托潞安集團與兄弟單位共同研發，生產費托蠟，其產品石蠟經過異構脫蠟后為潤滑油基礎油。主要化學反應包括F-T 合成的主反應和一些主要副反應。具體是生成烷烴nCO+(2n+1)H2=CnH2(n+1)+2nH2O；生成烯烴nCO+(2n)H2=CnH2n+nH2O；生成甲烷CO+3H2=CH4+H2O；生成甲醇CO+2H2=CH3OH；生成乙醇2CO+4H2=C2H5OH+ H2O；積炭反應2CO =C+CO2。除了以上 6 個反應以外，還有生成更高碳鏈的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物的次要副反應。基本流程見圖3。

通過上述工藝流程比較，可以看出，LNG副產氫氣路線流程最短，工藝最簡單。

2 經濟比較

按10萬Nm3/h焦爐煤氣的處理量以及目前產品價格計算，比較三種路線的投入產出比，見表2。

由表2可以看出：路線一，甲醇聯產合成氨，甲醇為基礎化工原料，應用領域在不斷擴大，價格相對穩定，但投資較大，投入產出比相對較高。路線二，LNG副產氫氣投資最小，效益最好，投入產出比相對最低，能獲得低成本氫，如果配合山西省氫能源規劃，下游配套加氫站，經濟效益比較明顯。路線三，鈷基費托蠟聯產合成氨，全球范圍內僅有3家公司掌握該技術，潞安集團就是其中一家，且潞安集團也正在積極推廣該技術，該方案除項目自身經濟效益較優外，對潞安費托蠟技術的推廣也有很大促進作用，但投資較大，投入產出比相對較高，就焦爐煤氣的使用而言，LNG路線更具工藝簡潔性和經濟效益可期性。

表2 三種路線的投入產出比

圖3 耦合煤液化或煤氣化工藝流程

綜上所述，焦爐煤氣的化學加工，在目前氫能源如火如荼的發展形勢下，第二種方案比較有市場傾向性。特別需要說明的是，氫的熱值高(140.4 MJ/kg)，是同質量液化石油氣的2.5倍、汽油的3倍、焦炭的4.5倍，可以高效地轉化為其他形式的能量，是極佳的儲能介質，大大提高了能源系統的靈活性。且與其他燃料相比，氫能源是最清潔的，燃燒產物只有水，而水又可以利用錯峰棄電電解生成氫氣，實現能源利用的可循環和全周期的綠色清潔。因此，氫作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源或儲能介質，是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想互聯媒介，也是實現交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇，氫能逐漸成為全球能源技術革命的重要方向，焦化產業對接氫能產業鏈具有廣闊的前景。

3 結 語

對焦化企業，焦爐煤氣化學加工，走LNG副產氫氣路線是不錯的選擇。在LNG路線中提取的氫氣，屬于副產品回收利用，相對于其他制氫方式而言，是一種低成本高利潤的制氫方式，不但在氫能源發展的道路上將有明顯的社會經濟效益，而且能對焦化企業經營效益起到托底性作用，既能保證焦爐煤氣化學加工利用，又能使焦化企業隨著加氫站建設、氫燃料電池技術發展及整個氫能產業鏈的逐步形成，逐漸融入氫能市場體系。