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钢铁副产煤气资源化利用技术及效益分析

何相君 ,  雷婧 ,  彭宝祥 ,  程义安 ,  项裕桥

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (6) : 252 -256.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (6) : 252-256. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.06.039
工业技术

钢铁副产煤气资源化利用技术及效益分析

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Technologies and comprehensive benefit analysis for resource utilization of steel by-product gases

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摘要

探讨了钢铁行业副产煤气的资源化利用路径，提出“钢化联产”的绿色产业链构建方案。针对年产1 000万t钢焦融合企业，通过煤气平衡测算得出可优化转炉煤气13亿m3/a、焦炉煤气16亿m3/a。研究设计了以副产煤气为原料生产甲醇、醋酸、双氧水和乙二醇的技术路线，并进行了成本效益分析。数据显示，焦炉煤气制甲醇较煤制甲醇成本降低24%，转炉煤气制乙二醇成本较煤制降低1 010元/t，醋酸及双氧水成本分别降低318、145元/t，典型项目投资回收期在1~2 a间，展现了显著的经济优势。研究验证了钢化联产模式在资源整合、成本控制和环境效益方面的多重价值，为钢铁企业提升产品附加值提供了可行路径。

Abstract

This study explores the resource utilization pathways of by-product gases in the steel industry，proposing a green industrial chain construction scheme through “steel-chemical integrated processes”.Targeting an integrated steel-coking company with an annual output of 10 million tons of steel，gas balance calculations reveal optimizable resources of 1.3 and 1.6 billion Nm3/year converter gas and coke oven gas，respectively.A technical route utilizing these gases to produce methanol，acetic acid，hydrogen peroxide，and ethylene glycol was designed，accompanied by cost analysis.Data indicate that methanol production from coke oven gas reduces costs by 24% compared to coal-based method.For ethylene glycol derived from converter gas，the cost reduction reaches 1 010 CNY/ton versus coal-based routes.Similarly，cost savings for acetic acid and hydrogen peroxide stand at 318 CNY/ton and 145 CNY/ton，respectively.Typical projects demonstrate a payback period of 1-2 years，highlighting significant economic advantages.The research validates the multidimensional value of steel-chemical co-production in resource integration，cost control，and environmental benefits，providing a viable pathway for steel enterprises to enhance product added value.

Graphical abstract

关键词

钢化联产 / 副产煤气 / 甲醇 / 乙二醇 / 成本分析

Key words

steel-chemical co-production / by-product gases / methanol / ethylene glycol / cost analysis

Author summay

何相君（1985-），男，硕士，高级工程师，研究方向为煤气及天然气净化，合成气制合成氨、甲醇、乙二醇等，。

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何相君,雷婧,彭宝祥,程义安,项裕桥. 钢铁副产煤气资源化利用技术及效益分析[J]. 现代化工, 2026, 46(6): 252-256 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.06.039

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钢铁行业作为国民经济的基础性产业，市场规模十分庞大。中国的钢铁产量长期稳居世界首位，据世界钢铁协会数据，2023年中国粗钢产量达10.191亿t，在全球占比高达53.86%[1-2]。不过近年来，该行业面临着国内经济增速放缓带来的市场需求不足、环保政策趋严、原材料价格波动等多重挑战，导致行业整体经济效益出现下滑。
在企业效益整体下滑的条件下，如何挖掘企业潜力，提高钢铁企业的产品附加值、实现可持续耦合发展、推动钢铁企业副产煤气的高效资源化利用，已成为国内化工领域研究者亟待攻克的关键课题。在2020年9月政府提出“碳达峰”和“碳中和”双碳目标后，钢铁行业作为碳减排的重要领域，投入大量研发力量聚焦低碳冶炼技术创新，力图推动行业绿色转型。2021年10月国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出了“推广先进适用技术，深挖节能降碳潜力，鼓励钢化联产”，明确了“钢化联产”是钢铁行业破解发展瓶颈、推动绿色低碳转型的关键路径，也是响应国家“双碳”战略、践行钢化联产与节能减排要求的核心课题，更是实现钢铁工业与新能源、新材料产业协同融合，迈向高质量可持续发展的必然选择[3-4]。

1 钢化联产工艺路线分析

为实现钢铁行业升级转型，提出“钢化联产”技术创新模式，核心思路为：针对钢铁企业副产煤气资源利用率低、产品附加值不足的痛点，通过重构生产流程实现能源梯级利用。钢化联产即钢铁与化工耦合发展，在钢铁生产中，会产生大量副产煤气：高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，这些煤气资源在钢铁企业二次能源总量中占比约40%，是重要的能源介质[3]。目前，钢铁企业的副产煤气主要用于燃烧加热和发电，热效率不高仅为30%~40%，根据表1副产煤气组成可知其含有大量碳氢元素，这些元素是合成化工产品的重要原料[5-6]。
钢铁行业副产煤气通过分离提取得到氢气、CO、CO2、氮气等低成本高价值原材料，继而可生产甲醇、乙二醇、LNG、乙醇、氨、双氧水、醋酸、DMO、尿素等化工品（图1）。但在很长一段时间，钢铁行业副产煤气分离提取成为难题。首先，由于杂质干扰严重，气体中含有硫（H2S、COS）、粉尘、焦油、萘、氨等杂质，这些物质会腐蚀设备、堵塞管道，或使催化剂中毒，需复杂的预处理工艺。其次，低浓度碳氢的分离成本较高，高炉煤气中碳氢化合物浓度低，传统吸附、膜分离技术的能耗和成本较高，经济性差。而转炉煤气中碳氢元素含量极少，提取价值低，更倾向于利用其CO能量而非碳氢。因此，针对钢化联产这一技术密集型产业链，需要在分离提纯净化工序上做好相关工作。
经过多年的发展及相关科研人员的研究，目前，国内钢厂副产煤气的分离提纯技术已取得一定的突破。华菱衡钢高炉煤气提浓CO项目：2012年设计建成PSA高炉煤气提浓CO装置，利用Cu系吸附剂从高炉煤气中分离提纯CO。装置设计收得率92%，CO产品气浓度在60%~70%可调[7]；鞍钢焦炉煤气制LNG联产氢气项目：通过分离提纯焦炉煤气制取高纯度氢气和LNG，每年可生产2 400万m3氢气和12.5万t LNG，实现了焦炉煤气的高附加值利用；石横特钢转炉煤气制甲酸项目：采用变压吸附分离一氧化碳技术，将副产的45 000 m3/h转炉煤气经除尘、压缩、脱硫等工序后，得到18 200 m3/h纯度为98.5%的CO产品气，用于生产甲酸、草酸等化工产品[8]。
虽然分离提纯技术及后续生产化工品各项技术本身已经成熟，化工产品种类及规模可根据各产品市场行情及工厂实际情况进行调整，在将煤气中CO和H2充分利用的基础上，以最大效益提高煤气附加值为目标，即可实现安全、稳定长周期运行[9]。但真正实施还有一定的难度，核心难点在于成分复杂波动、杂质处理、低浓度分离经济性及与原有系统的适配性。本文中根据掌握了解的行业动态及技术特点，结合以前所做项目的相关数据资料，整理出了一套钢化联产路径，并论述其优势，为传统工业转型提供一种参考。

2 钢化联产实例方案

以年产1 000万t的钢焦融合企业为实证对象，首先建立煤气平衡模型测算出可开发资源量，继而设计“煤气净化-催化转化-多联产加工”技术链，构建甲醇、醋酸、双氧水、乙二醇4类化工代表性产品的耦合生产体系（图2）。采用对比分析法，系统论证煤气制化工品相较于传统煤化工的成本优势：通过建立全流程成本模型，揭示焦炉煤气制甲醇、转炉煤气制乙二醇成本下降的机理，并量化投资回收期等关键指标。最终形成“流程耦合-资源循环-多能互补”的产业协同范式，验证了政策导向下钢铁企业培育新质生产力的可行路径。
经煤气平衡测算，可优化出转炉煤气13亿m3/a（162 500 m3/h）、焦炉煤气16.38亿m3/a（204 750 m3/h）[10]。采用以上优化出的转炉煤气和焦炉煤气，经净化、压缩、变压吸附、合成等工艺，生成高价值化工品：甲醇、醋酸、双氧水、乙二醇。工艺流程示意图如图3所示。
204 750 m3/h焦炉煤气经净化压缩后，进入精脱硫装置进行深度脱硫、水碳比调节后送至纯氧二段炉进行转化反应，将焦炉煤气中的CH4尽可能地转化为CO、CO2和H2，之后废热回收至40℃去除合成气中的水分，送至压缩机升压后进入甲醇合成回路，经过分离、精馏得到甲醇，其中85.2 t/h甲醇送入醋酸装置的羰化单元与转炉煤气单元提取的 64 810 m3/h CO经羰化、精馏反应得到醋酸产品2，剩余17.175 t/h为甲醇产品1。甲醇合成回路排放的弛放气进入PSA-H2单元，分离出的15 937.5 m3/h H2送入双氧水装置氢化工序，与界外2-乙基蒽醌（EAQ）、磷酸三辛酯（TOP）、重芳烃（AR）、四丁基脲（TBU）、2-甲基环己醇（2-MCH）工作液经氢化、氧化、萃取、净化得到双氧水产品3，另一部分 35 659.5 m3/h H2送入乙二醇装置草酸二甲酯加氢单元，同时PSA-H2单元的解析气去燃料气管网。
162 500 m3/h转炉煤气经净化预处理后进入压缩机提压，提压后经过脱硫脱碳处理，然后进入PSA装置提取CO，分离出的64 810 m3/h CO送醋酸装置羰化单元后生产醋酸产品4，另一部分18 042 m3/h CO送入乙二醇装置羰化单元，来自界外的氧气、精馏返回的甲醇和羰化反应生成的氮氧化物反应生成亚硝酸甲酯（MN），含亚硝酸甲酯（MN）的气相经过甲醇洗涤后进入羰化反应，与转炉煤气制备来的一氧化碳气相合成粗草酸二甲酯（DMO），通过精馏分离得到精草酸二甲酯（DMO）后送加氢反应，与甲醇驰放气PSA-H2提取来的35 659.5 m3/h H2气相加氢合成粗乙二醇（EG），通过精馏得到聚酯级乙二醇（EG）产品4。

3 钢化联产系统评价指标

钢化联产模式在资源整合、成本控制和环境效益方面展现出多重价值。本研究从甲醇、醋酸、双氧水、乙二醇4大化工品经济价值以及资源整合、环境效益方面探讨钢化联产的优势。

3.1 甲醇产品优势分析

目前，国内甲醇化工品产能稳步增长，产量也大幅提升。2024年，我国甲醇产能达109 77.6万t/a，同比增长3.4%；产量为9 182.2万t，净增865万t，同比增长10.4%，创下近7年来的最高纪录。从生产工艺来看，煤制甲醇产能占比78.3%、产量占比83.9%；而焦炉煤气制甲醇产能占比仅14.4%，产量占比11.3%，还具有较大的提升空间。
副产焦炉煤气中的CO、CO2组分通过催化加氢技术转化为甲醇等低碳醇类，是提升焦炉煤气附加值的关键路径之一。该工艺不仅契合资源高效利用的原则，还被视作一种缓解全球变暖、推动经济可持续发展的潜力方案[11-12]。焦炉煤气本身富含氢气这一特性，使其催化合成甲醇具有显著的先天优势。作为基础化工原料，甲醇可进一步深加工，转化为烯烃、芳烃乃至汽油等高价值化学品，展现出广阔的市场应用前景，并有效提升了钢铁生产全流程的资源综合利用率。
按钢铁企业焦炉煤气自产成本价0.313元/m3，表2对比了焦炉煤气制甲醇与煤制甲醇的生产成本。由表2可见，焦炉煤气制甲醇路线成本更低、总投资更省（无需建设煤气化装置）。主要优势体现在折旧和维护成本上，这源于煤制甲醇投资规模较大。按图3流程所示，以焦炉煤气为原料的80万t/a甲醇项目，总投资约8亿元（不含土地费用）。当前甲醇市场价格为2 300~2 500元/t，若仅生产甲醇而不延伸下游产品，基本可在1 a内收回全部成本（表3）。

3.2 乙二醇产品优势分析

乙二醇作为基础化工原料，其下游产业链十分丰富，聚酯纤维、聚酯瓶片等产品的市场需求持续增长，带动着乙二醇的市场需求不断上扬。近年乙二醇化工品生产呈现出蓬勃发展的态势，产能与产量稳步攀升，行业影响力不断增强。截至2024年，我国乙二醇产能已达2 822.5万t/a，较以往实现明显增长；产量则达到1 950万t，净增约273万t，同比增幅16.2%，产量及增长幅度均处于近年较高水平。在生产工艺上，煤制乙二醇与石油乙烯制乙二醇是2大主流路径。随着“钢化联产”、“固碳减排”等理念的持续推进，国内不少企业纷纷跟进布局。2020年7月1日，山西沃能化工科技有限公司综合尾气制乙二醇联产LNG项目建成投产，是目前国内较大的焦炉煤气、转炉煤气等综合尾气制乙二醇项目，产能30万t/a，符合CCUS技术路径要求，每年可减少碳排放136万t，于是煤气制乙二醇成为国内化工行业的热点。
表4对比了焦炉煤气、转炉煤气制乙二醇与煤制乙二醇的生产成本。数据显示，煤气制乙二醇成本更低、总投资更省（相比煤制乙二醇无需建设煤气化装置）。按原煤市场价估算，煤制乙二醇的主要原料H2价格约1.4元/m3，CO约0.5元/m3；而按钢铁企业自产焦炉煤气（0.313元/m3）、转炉煤气（约0.088元/m3）成本估算，煤气制乙二醇的H2价格约0.83元/m3，CO约0.37元/m3。由此核算，焦炉煤气、转炉煤气制乙二醇每吨成本比煤制低1 010元，按20万t/a规模计算，年增收约2.02亿元。
再看石油制乙二醇路线：原油价40美元/桶时，吨成本与煤制乙二醇接近；原油价60美元/桶且标煤价750元/t以下时，煤制乙二醇成本优势明显，但综合对比，钢铁联合企业副产煤气制乙二醇的价格优势仍更突出。

3.3 醋酸、双氧水产品优势分析

醋酸、双氧水作为重要的化工品，备受行业关注，其中醋酸的下游应用极为广泛，涵盖PTA、醋酸乙烯、醋酸酯等多个领域。而双氧水主要应用于己内酰胺、造纸、环氧丙烷、磷酸铁等行业，这些主要下游行业的产能不断扩张，持续拉动着醋酸、双氧水的市场需求。
在生产工艺方面，甲醇羰基化法制备醋酸，蒽醌法制备双氧水作为2种化工品主流工艺，分别占据市场产能80%、85%，占据市场产量90%、92%。钢化联产焦炉煤气制甲醇可提供85.2 t/h甲醇与转炉煤气产乙二醇提取64 810 m3/h的CO采用羰基化法制备159.7 t/h的醋酸，原料甲醇及CO价格分别为1 500元/t、0.37元/m3，如按照煤制醋酸，原料甲醇及CO价格分别为2 000元/t、0.5元/m3（以上价格为生产成本），按表5所示，选取原料甲醇、CO产吨醋酸作对比分析，钢化联产煤气产吨醋酸可节约成本318元。
钢化联产焦炉煤气副产15 937.5 m3/h高纯氢气，作为原料与界外2-乙基蒽醌（EAQ）、磷酸三辛酯（TOP）、重芳烃（AR）、四丁基脲（TBU）、2-甲基环己醇（2-MCH）通过氢化、氧化、萃取净化得到62.5 t/h（体积分数35%）双氧水，其中H2原料价格为0.83元/m3，而采用其他路线法制双氧水，H2原料价格约为1.4元/m3（以上价格为生产成本），由于其他生产原料价格相同，不详述分析，因此如表6所示，合计钢化联产煤气产吨双氧水可节约成本145元。

3.4 资源整合、环境效益优势

钢化联产是整合资源利用、降低一次能源消耗、减少污染排放的高质量发展新模式。将钢铁厂与焦化厂近距离布局，副产煤气通过配套化工装置加工为高附加值产品，延伸产业链，提升了资源综合利用价值。同时可减少焦炭、煤气等物料的运输距离和费用，降低物流成本，还可共享公用设施，如供水、供电、污水处理系统，避免重复建设，节约固定资产投入和运营成本。且上下游生产计划协同，如根据钢铁产能调整焦炭产量，减少库存积压，提高资源周转效率。
环境方面，钢化联产可减少温室气体排放，能源梯级利用和高效循环（煤气替代煤炭）可降低单位产品的能耗，间接减少二氧化碳排放。部分联产项目可配套碳捕集利用设施，对焦化和钢铁生产中产生的高浓度二氧化碳进行回收，如用于化工合成、驱油等，助力“双碳”目标。

4 结论

综上所述，钢化联产构建甲醇、醋酸、双氧水、乙二醇生产体系，符合国家绿色发展规划及产业政策，该模式在经济效益与环保效益上具有双重竞争优势。从经济效益看，焦炉煤气制甲醇较传统煤制工艺成本降低约24%；转炉煤气制乙二醇成本每吨降低1 010元；醋酸和双氧水因原料成本下降，每吨分别节约318、145元；典型项目投资回收期缩短至1~2 a，显著优于传统煤化工项目。从环境效益看，该模式可实现显著碳减排，是碳中和的可选路径之一，其碳减排收益需结合未来钢铁行业碳市场价格估算[13]。通过构建“钢铁厂+化工厂+发电厂”三联产体系，不仅提升了煤气资源利用率，更形成能源梯级利用的闭环系统。建议企业根据市场需求动态调整产品结构，建立煤气资源价格联动机制，同时配套建设碳捕集设施以进一步提升环境效益。这种产业协同创新模式，为传统重工业绿色转型提供了可复制的解决方案。

参考文献

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