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。
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)，高爐煉鐵又是能耗最高的環(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煤氣約占29 % , 轉(zhuǎn)爐煤氣約占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。
其中最具有二次利用價(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(mǎn)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：一是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。二是高爐煤氣與高熱值氣體燃料混合，配成滿(mǎn)足加熱爐使用要求的次高熱燃料。可與焦?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。三是高爐煤氣用于燒鍋爐，滿(mǎn)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(chēng)CCPP)效率高, 成本低, 但建設(shè)投資巨大；供應(yīng)給其他企業(yè)則不夠經(jīng)濟(jì)。四是單獨(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)。
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(hù)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。
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(zhuān)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(hù)要求壓力，外送至用戶(hù)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(mǎn)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。
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(chē)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(mǎn)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。
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50ppm~120ppm之間波動(dòng)，預(yù)處理工序可通過(guò)溫度的適當(dāng)調(diào)整能完全脫除COS。
高爐煤氣中CO含量的設(shè)計(jì)值為24%，但實(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)，完全滿(mǎn)足衡鋼下游工段的熱值需求，節(jié)能效果顯著。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。
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。
作者：顧光臨
