摘  要：高爐煤氣由于熱值和燃燒效率低而被大量放散，采用Cu系吸附劑變壓吸附工藝提純高爐煤氣中的CO，提高其熱值和燃燒效率，用于下游生產(chǎn)，對(duì)于節(jié)能降耗和保護(hù)環(huán)境有著非常重要的意義。

 關(guān)鍵詞：高爐煤氣  銅吸附劑  熱值

前言

我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，近年來(lái)生鐵產(chǎn)量呈逐年上升趨勢(shì)。目前, 鋼鐵工業(yè)總能耗已占全國(guó)工業(yè)總能耗的15%左右, 而鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的能源有效率僅為30%左右。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，高爐煉鐵又是高能耗的環(huán)節(jié)。鋼鐵工業(yè)的節(jié)能主要包括減少浪費(fèi)和增加回收兩個(gè)方面，其中大力回收生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二次能源（例如副產(chǎn)煤氣等）是一個(gè)非常重要的途徑。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)煤氣資源包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。其中高爐煤氣排放量約占64 %, 焦?fàn)t氣約占29 % , 轉(zhuǎn)爐氣約占7 %, 因此高爐煤氣的有效利用是鋼廠節(jié)能降耗的重中之重。

高爐煤氣是高爐煉鐵過(guò)程中的副產(chǎn)煤氣，是一種無(wú)色、無(wú)味、有毒的低熱值氣體燃料。主要成分為CO、CO₂、N₂ 、H₂O、及少量H₂，各成分的含量與高爐所用燃料、生鐵品種和冶煉工藝密切相關(guān)，其常見(jiàn)的組成如表1所示。

表1 常見(jiàn)高爐氣的組成

其中具有二次利用價(jià)值的CO含量?jī)H為25-30%，而惰性組分CO₂和N₂約占70%，使得高爐煤氣的熱值很低，一般僅為730-800×4.18 KJ/Nm³左右，而燃料熱值只有達(dá)到2200×4.18KJ／Nm³左右，才能滿足工業(yè)爐理論燃燒溫度的要求。

目前，高爐煤氣的利用并不充分，大部分冶金工廠高熱值煤氣緊缺，而高爐煤氣富余，存在不同程度的高爐煤氣放散現(xiàn)象，達(dá)不到煤氣111的有效利用。很多鋼鐵聯(lián)合企業(yè)一方面在放散高爐煤氣，一方面又要購(gòu)入重油、天然氣或者燒自產(chǎn)焦油等作為能源補(bǔ)充。高爐自身熱風(fēng)爐會(huì)用掉40 %～50 % 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中，將會(huì)造成環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)。國(guó)家計(jì)委、經(jīng)貿(mào)委、科委頒發(fā)的《中國(guó)節(jié)能技術(shù)大綱》中要求, 冶金重點(diǎn)企業(yè)高爐煤氣排放損失率應(yīng)為4 %以下。

目前，在冶金聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)中, 高爐煤氣可以用于熱風(fēng)爐、煉焦、加熱爐和發(fā)電等，具體利用途徑如下：1）高爐煤氣用于軋鋼加熱爐，采用蓄熱式燃燒技術(shù)。應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù), 將高爐煤氣與助燃空氣雙預(yù)熱到1000 ℃ 以上, 使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達(dá)到2200 ℃ 以上，熱效率高于常規(guī)加熱爐約30%。蓄熱式燃燒爐難以控制供氣、爐壓穩(wěn)定和燃燒穩(wěn)定，改造時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)成本高。2）高爐煤氣與高熱值氣體燃料混合，配成滿足加熱爐使用要求的次高熱燃料?？膳c焦?fàn)t煤氣、天然氣、液化石油氣等混合, 作為均熱爐、加熱爐、熱處理爐等爐子的燃料, 并可用于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火、加熱熱軋的鋼錠、預(yù)熱鋼水包等。3）高爐煤氣用于燒鍋爐，滿足工廠用蒸汽的同時(shí)再發(fā)電。高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(簡(jiǎn)稱CCPP)效率高, 成本低, 但建設(shè)投資巨大；供應(yīng)給其它企業(yè)則不夠經(jīng)濟(jì)。4）單獨(dú)預(yù)熱高爐煤氣，提高軋鋼的入爐溫度。

北大先鋒于2012年為華菱衡鋼設(shè)計(jì)建成PSA高爐煤氣提濃CO裝置，采用變壓吸附技術(shù)，利用Cu系吸附劑從高爐煤氣中分離提純CO。變壓吸附法具有投資少、操作彈性大、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而Cu系吸附劑相比常規(guī)變壓吸附使用的5A分子篩，對(duì)于CO和N₂有更大的分離系數(shù)，尤其適合從氮?dú)夂扛叩母郀t煤氣中將CO提純出來(lái)。

1 采用Cu系吸附劑變壓吸附法提純高爐煤氣中CO工藝

    本文以投產(chǎn)的湖南衡鋼百達(dá)先鋒能源科技有限公司高爐煤氣變壓吸附提純CO裝置為例，介紹了采用北大先鋒變壓吸附技術(shù)分離CO的應(yīng)用情況。裝置設(shè)計(jì)收率92%，CO產(chǎn)品氣濃度根據(jù)用戶需要在60%~70%范圍內(nèi)可調(diào)，產(chǎn)品氣作為燃料用于鋼管加工。設(shè)計(jì)流程圖、原料氣組成及產(chǎn)品氣要求如圖1、表2、表3所示。

圖 1 工藝流程框圖

表2 原料氣組成

表3 產(chǎn)品氣要求

2 工藝流程

由于高爐煤氣中含有微量的COS、O₂等雜質(zhì)，而且含量不穩(wěn)定，本工藝設(shè)計(jì)了預(yù)處理工序。該工序采用脫硫和除氧工藝，脫硫塔和除氧塔中裝填北大先鋒科技有限公司專有的脫硫劑和除氧劑，使高爐煤氣中的總硫在進(jìn)入變壓吸附工序之前被脫除至1ppm以下， O₂被脫除至5ppm以下。

脫硫工藝采用干法脫硫，主要包括常溫水解、粗脫硫、精脫硫三個(gè)步驟。在水解步驟中，大部分的COS被水解成H₂S，水解率大于95%；水解后的氣體經(jīng)過(guò)粗脫硫后，絕大部分H₂S被脫硫劑吸附；剩余的COS和H₂S經(jīng)過(guò)精脫硫吸收后，總硫脫除至1ppm以下。除氧工藝采用北大先鋒自主研制開(kāi)發(fā)的PU-5除氧劑，在CO氛圍下，催化微量O₂和CO進(jìn)行反應(yīng)，將O₂脫除至5ppm以下。

PSA-CO工序采用變壓吸附分離工藝，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的潔凈氣體在PSA-CO工序中經(jīng)過(guò)吸附、均壓降壓、順?lè)?、抽真空、均壓升壓、終充壓循環(huán)過(guò)程分離提純CO。CO作為產(chǎn)品氣常壓析出，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮到用戶要求壓力，外送至用戶使用處。PSA-CO工序采用了北大先鋒開(kāi)發(fā)的分離CO高效吸附劑，在未使用置換步驟的前提下，不但滿足CO產(chǎn)品的高純度要求，同時(shí)節(jié)省了一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用，流程相對(duì)簡(jiǎn)化，操作變得簡(jiǎn)單易控。

3 裝置實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析

    該高爐煤氣提純CO裝置從2013年6月8日一次性開(kāi)車成功后一直運(yùn)行穩(wěn)定，而且在高爐生產(chǎn)波動(dòng)較大時(shí)也能滿足各種工況下的使用要求。實(shí)際運(yùn)行72小時(shí)測(cè)得平均產(chǎn)品氣規(guī)格（氣相色譜外標(biāo)法）如下。

表4 產(chǎn)品氣組分

實(shí)際運(yùn)行中，高爐煤氣中的COS濃度經(jīng)常發(fā)生變化，在50~120ppm之間波動(dòng)，預(yù)處理工序可通過(guò)溫度的適當(dāng)調(diào)整能*脫除COS。

高爐煤氣中CO含量的設(shè)計(jì)值為24%，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中只有18~22%，在這種濃度范圍內(nèi)，CO產(chǎn)品氣中的CO含量還能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)原料氣中CO濃度>20%時(shí)，產(chǎn)品氣中CO濃度>72%。

平均高爐煤氣消耗量60000Nm³/h，CO產(chǎn)品氣量18000Nm³/h，，收率在93%左右，產(chǎn)品純度可根據(jù)需要在60%~70%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，*衡鋼下游工段的熱值需求，節(jié)能*。按照產(chǎn)品氣與天然氣的熱值計(jì)算，CO產(chǎn)品氣每小時(shí)可代替天然氣4537m³，年代替量達(dá)到3974*10⁴m³，相當(dāng)于衡鋼原來(lái)約1/3的天然氣用量，很大程度上緩解了衡鋼用氣緊張的局面。

4 總結(jié)

    高爐煤氣中含有豐富的CO氣體，具有很高的利用價(jià)值。利用北大先鋒的Cu系吸附劑變壓吸附工藝分離提純高爐煤氣中CO氣體，將高爐氣中CO組分含量從22%（熱值731Kcal/Nm³）提純到70%（熱值2200Kcal/Nm³），作為燃料氣用于鋼管加工，在節(jié)能降耗方面有著重要意義。另外，利用該項(xiàng)技術(shù)還能將高爐煤氣中的CO提濃至98.5%以上，從而用于化工生產(chǎn)，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，這不但實(shí)現(xiàn)了鋼鐵和化工兩個(gè)行業(yè)的資源整合，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，還有助于降低鋼鐵和化工企業(yè)整體的一次能源使用量，從而降低二氧化碳排放量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)耦合，推動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。