“双碳”目标下 独立焦化企业一种碳减排技术路径

洪叶发*  方锦浩**

焦化企业在生产焦炭以及副产焦炉煤气等煤化工产品工艺过程中排放出大量二氧化碳，当前将富余焦炉煤气进行深加工综合利用的前提下，每生产1吨焦炭排放170～200千克二氧化碳(注：已有文献报道2015年独立焦化企业的碳排放系数为0.379tCO₂/t焦)。2019年全国焦炭生产量为4.7126亿吨，其中钢铁焦化联合型企业焦炭产量为1.1414亿吨，占比24.22%；独立焦化企业焦炭产量为3.5712亿吨，占比75.78%。由此测算得出：全国独立型焦化企业年排放CO₂量为6071万吨～7142万吨（按上述文献碳排放系数计算年CO₂ 排放为13535万吨）。

    依照国家发改委发布的《中国独立焦化企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》，发改办气候〔2014〕2920号 。调研分析核算得出独立焦化企业CO₂排放总量中，焦炉和自备热电站等热工设备燃料燃烧过程排放占比最大，约为80～90%，次之是炼焦生产过程排放，净购入电力热力可为负值。因此笔者提出在现阶段独立焦化企业焦炉和自备热电站等热工设备大都直接使用焦炉煤气作加热燃料，燃烧生成的CO₂捕集与利用工作尚未全面展开，国内外化石清洁能源天然气需求旺盛，且价格上涨的情景下，宜将炼焦副产的焦炉煤气全部（或大部分）进行综合利用制取天然气作为产品外售，使用得到的含富氢尾气（或称富氢燃料气）作为自备热电站和（或）焦炉等热工设备加热燃料，是独立焦化企业一种碳减排技术路径。如果国家相关部门将焦化行业被列入碳排放交易市场和实行碳配额管控，此项碳减排技术路径意义更大，能给焦化企业带来较大的经济效益。

      国内利用焦炉煤气（COG）制天然气工艺技术已十分成熟，有关统计数据显示焦炉煤气制天然气能力达60多亿立方米/年。焦炉煤气制天然气工艺主要有两类：一类是脱碳工艺（一种焦炉煤气联合净化分离制备天然气，典型工艺路线由中科院大连化物所开发）；另一类是甲烷化合成工艺（典型工艺路线由西南院开发），甲烷化又分为不补碳和补碳工艺。脱碳工艺是将焦炉煤气中的CO和CO₂直接脱除；而甲烷化合成工艺则是将焦炉煤气中含有的CO和CO₂与H₂反应，生产甲烷。考虑到炼焦炉若采用富氢燃料气加热可能会影响焦饼高向加热、燃料燃烧生成NO_x量以及加热工艺系统有所变化等因素，不宜优先选用甲烷化合成工艺。

    富氢燃料气（主要成分为氢气、少量的CH₄、CO、CO₂等含碳化合物和N₂等）可直接作为焦化企业自备热电站加热燃料（注：热工设备采用的烧嘴装置性能须符合富氢燃料气燃烧技术特性）；也可直接或采用掺混一定比例焦炉煤气作为带有废气循环＋多段加热组合低NO_x燃烧技术的炼焦炉加热燃料，或增设焦炉烟道废气外循环技术，或考虑新开发设计适应富氢燃料气加热燃烧的焦炉炉体结构燃烧室以及地下室加热工艺设备系统，以解决焦饼高向加热均匀和加热燃料燃烧生成NO_x增量等工艺问题。

    现以一座年产焦炭能力为320万吨焦化企业举例，测算燃料燃烧碳减排情况。

    一、基础数据

    1、年产焦炭能力320万吨干全焦；

    2、吨焦耗干煤量 1.33吨/吨焦；

    3、吨干煤产生焦炉煤气量 330标立方米/吨干煤；

    4、标准耗热量2310kj/kg（顶装焦炉一级标准，加热燃气种类：焦炉煤气），数据来源：《焦炉等级标准》，团标T/CCIA005一2021；

 5、焦炉煤气低位发热量167.460GJ/万标立方米，（或16746.0kj/标立方米），数据来源：中国独立焦化企业温室气体核算方法与报告指南（试行），附录二: 表2－1常见化石燃料特性参数缺省值；

    6、焦炉煤气单位热值含碳量 13.60×10^-3 吨碳/GJ，数据来源：同上。

    二、焦化企业燃料燃烧二氧化碳排放量测算

    1、炼焦耗干煤量 320×1.33＝425.6万吨/年

    2、炼焦耗湿煤量（含7%水分）425.6+（425.6×7%）＝455.4万吨/年

    3、焦炉煤气产量  425.6×330＝14.0448亿立方米/年

 4、焦炉煤气制天然气产量估算

    焦炉煤气中含有甲烷23～27%（体积百分数，下同）；氢气55～58%；一氧化碳5～8%；C_mH_n2～4%（一般按80%C₂H₂和20%C₆H₆计）；还含有不可燃成分二氧化碳、氮气等。

    现设定提取CH₄ 量占焦炉煤气产量的22%（体积）计，则制取天然气产量为：14.0448×22%＝3.0898亿立方米/年

5、富氢燃料气特性参数缺省值求算

（1）焦炉煤气制天然气过程中驰放富氢、氮尾气和驰放碳尾气等气体的混合气亦称为富氢燃料气。

     现设定富氢燃料气成分（标体积%）如下：

  H2  75.8；CH4  5.0；CO 7.8；

  CmHn  2.6（假定C6H6在焦炉煤气制天然气工艺过程的净化工序已全部脱除）；CO2  3.0； N2 5.3；O2  0.5 。

 注:富氢燃料气成分随选择应用的焦炉煤气制天然气工艺而定。

（2）富氢燃料气低位发热量（Q）

     Q＝（10840×75.8+35840×5.0+12730×7.8+71180×2.6）/100＝12852.3kj/标立方米（换算为128.523GJ/万标立方米）

（3）富氢燃料气单位热值含碳量

     V_co2＝0.01（3.0+7.8+5.0+2×2.6）＝0.21m³/m³（或0.419KgCO₂/m³干富氢燃料气燃烧生成的二氧化碳）。

     单位热值含碳量 0.419×12/44×10000/128.523＝8.89Kg/GJ（或8.89×10^-3 吨碳/GJ）

    6、用焦炉煤气作为焦炉加热燃料燃烧需耗焦炉煤气量的求算

   （1）吨湿煤标准耗热量

    2310×1000/1000000＝2.31GJ/吨湿煤

   （2）焦炉加热燃料燃烧耗焦炉煤气量

    2.31×4554000/167.460＝62819.42万标立方米/年（约占焦炉煤气产量的45%）

    7、用富氢燃料气作为焦炉加热燃料燃烧需耗富氢燃料气量

    2.31×4554000/128.523＝81851.03万标立方米/年（约占富氢燃料气总量的74% ，或约占焦炉煤气产量的58%）

    8、按照上文《指南》焦炉燃烧室燃料燃烧CO₂排放计算公式

   （1）用焦炉煤气作为燃料时

 ECO₂（机顶装焦炉）＝62819.42×2.277456×0.99×44/12＝519335吨CO₂/年

   （2）用富氢燃料气作为燃料时

    *ECO₂（机顶装焦炉）＝81851.03×1.142569×0.99×44/12＝339479吨CO₂/年

 9、企业自备热电站等其它燃烧设备燃料燃烧CO₂排放计算

    （1）用焦炉煤气作燃料时

     富余焦炉煤气量 140448-62879.42＝77628.58万标立方米/年

     EZCO₂＝77628.58×2.277456×0.99×44/12＝641768吨CO₂/年

    （2）用富氢燃料气作燃料时

     剩余的富氢燃料气量 140488-81851.03-30898＝27698.97万标立方米/年

     *EZCO₂＝27698.97×1.142569×0.99×44/12＝114882吨CO₂/年

     10、企业燃料燃烧排放CO₂量

    （1）用焦炉煤气时 519335+641768＝116.11万吨/年

    （2）用富氢燃料气时

     339479+114882＝45.44万吨/年

    （3）企业燃料燃烧减排CO₂量

     116.11-45.44＝约70.7万吨/年

     11、企业燃料燃烧碳排放系数

    （1）用焦炉煤气时（注：富余的焦炉煤气没有进行深加工产品综合利用） 1161100/3200000＝0.362tCO₂/t焦

    （2）用富氢燃料气时

     454400/3200000＝0.142tCO₂/t焦

     三、天然气是国内外公认的最清洁化石能源，焦化企业利用炼焦副产品焦炉煤气进行加工综合利用，每年可外售天然气3亿立方米供城镇居民或工业使用，这不仅使企业能获得十分可观的经济效益，而且能替代煤炭作燃料，可减少煤炭燃料燃烧时CO₂及污染物大量排放。

 *第一作者简介   洪叶发  焦化专业高级工程师  先后任职多家国有和民营（股份）煤焦化公司总顾问、总工程师、副总工程师和技术科长等岗位。目前重点关注焦化企业节能碳减排工艺过程。

  **第二作者简介  方锦浩  助理工程师   硕士    曾任备煤、炼焦和化产车间主任，现任公司生产部部长，目前主要从事焦化生产技术及管理工作。

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