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 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,用于下遊生産,對于節能降耗和保護環境有著非常重要的意義。
前  言
  我国是钢铁生产大国,近年来生铁产量呈逐年上升趋势。目前, 钢铁工业总能耗已占全国工业总能耗的15%左右。在钢铁联合企业,高炉炼铁又是能耗最高的环节。钢铁工业的节能主要包括减少浪费和增加回收两个方面,其中大力回收生产过程中产生的二次能源(例如副产煤气等)是一个非常重要的途径。钢铁生产过程中的副产煤气资源包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。其中高炉煤气排放量约占64%, 焦炉煤气约占29 % , 转炉煤气约占7%, 因此高炉煤气的有效利用是钢厂节能降耗的重中之重。
  高炉煤气是高炉炼铁过程中的副产煤气,是一种无色、无味、有毒的低热值气体燃料。其主要成分为CO、CO2、N2 、H2O及少量H2,各成分的含量与高炉所用燃料、生铁品种和冶炼工艺密切相关,其常见的组成如表1所示。
  其中最具有二次利用价值的CO含量仅为25%~30%,而惰性组分CO2和N2约占70%,使得高炉煤气的热值很低,一般仅为(730~800)×4.18 kJ/Nm3左右,而燃料热值只有达到2200×4.18kJ/Nm3左右,才能满足工业炉理论燃烧温度的要求。
  目前,高炉煤气的利用并不充分,大部分冶金工厂高热值煤气紧缺,而高炉煤气富余,存在不同程度的高炉煤气放散现象,达不到煤气的有效利用。很多钢铁联合企业一方面在放散高炉煤气,一方面又要购入重油、天然气或者烧自产焦油等作为能源补充。高炉自身热风炉会用掉40 %~50 % 的高炉煤气, 其余大部分如果放散到大气中,将会造成环境的污染和能源的浪费。国家有关部门颁发的《中国节能技术政策大纲》中要求, 冶金重点企业高炉煤气排放损失率应为4 %以下。
  目前,在冶金联合企业生产中,高炉煤气可以用于热风炉、炼焦、加热炉和发电等,具体利用途径如下:一是高炉煤气用于轧钢加热炉,采用蓄热式燃烧技术。应用高温空气燃烧技术, 将高炉煤气与助燃空气双预热到1000 ℃ 以上, 使单一高炉煤气的理论燃烧温度达到2200 ℃ 以上,热效率高于常规加热炉约30%。蓄热式燃烧炉难以控制供气、炉压稳定和燃烧稳定,改造时间长、维护成本高。二是高炉煤气与高热值气体燃料混合,配成满足加热炉使用要求的次高热值燃料。高炉煤气可与焦炉煤气、天然气、液化石油气等混合, 作为均热炉、加热炉、热处理炉等炉子的燃料, 并可用于烧结机点火、加热热轧的钢锭、预热钢水包等。三是高炉煤气用于烧锅炉,满足工厂用蒸汽的同时再发电。高炉煤气蒸汽联合循环发电(简称CCPP)效率高、成本低, 但建设投资巨大。四是单独预热高炉煤气,提高轧钢的入炉温度。
  北京北大先鋒科技有限公司于2012年爲華菱衡鋼設計建成PSA高爐煤氣提濃CO裝置,采用變壓吸附技術,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、自動化程度高、操作簡單等優點,而Cu系吸附劑相比常規變壓吸附使用的5A分子篩,對于CO和N2有更大的分離系數,尤其適合從氮氣含量高的高爐煤氣中將CO提純出來。
采用Cu系吸附劑變壓吸附法
提純高爐煤氣中CO工藝
  本文以投産的湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司高爐煤氣變壓吸附提純CO裝置爲例,介紹了采用北大先鋒變壓吸附技術分離CO的應用情況。裝置設計收率92%,CO産品氣濃度根據用戶需要在60%~70%範圍內可調,産品氣作爲燃料用于鋼管加工。設計流程圖、原料氣組成及産品氣要求如圖1、表2、表3所示。
工藝流程
  由于高炉煤气中含有微量的COS、O2等杂质,而且含量不稳定,本工艺设计了预处理工序。该工序采用脱硫和除氧工艺,脱硫塔和除氧塔中装填北大先锋专有的脱硫剂和除氧剂,使高炉煤气中的总硫在进入变压吸附工序之前被脱除至1ppm以下, O2被脱除至5ppm以下。
  脫硫工藝采用幹法脫硫,主要包括常溫水解、粗脫硫、精脫硫三個步驟。在水解步驟中,大部分的COS被水解成H2S,水解率大于95%;水解後的氣體經過粗脫硫後,絕大部分H2S被脫硫劑吸附;剩余的COS和H2S經過精脫硫吸收後,總硫脫除至1ppm以下。除氧工藝采用北大先鋒自主研制開發的PU-5除氧劑,在CO氛圍下,催化微量O2和CO進行反應,將O2脫除至5ppm以下。
  PSA-CO工序采用變壓吸附分離工藝,經過預處理後的潔淨氣體在PSA-CO工序中經過吸附、均壓降壓、順放、抽真空、均壓升壓、終充壓循環過程分離提純CO。CO作爲産品氣常壓析出,經過壓縮機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發的分離CO高效吸附劑,在未使用置換步驟的前提下,不但滿足CO産品的高純度要求,同時節省了一次性投資和運行費用,流程相對簡化,操作變得簡單易控。
裝置實際運行結果分析
  該高爐煤氣提純CO裝置從2013年6月8日一次性開車成功後一直運行穩定,而且在高爐生産波動較大時也能滿足各種工況下的使用要求。實際運行72小時測得平均産品氣規格(氣相色譜外標法)如下。
  實際運行中,高爐煤氣中的COS濃度經常發生變化,在50ppm~120ppm之間波動,預處理工序通過溫度的適當調整能完全脫除COS。
  高爐煤氣中CO含量的設計值爲24%,但實際運行過程中只有18%~22%,在這種濃度範圍內,CO産品氣中的CO含量還能達到設計要求。當原料氣中CO濃度>20%時,産品氣中CO濃度>72%。
  平均高爐煤氣消耗量爲60000Nm3/h,CO産品氣量爲18000Nm3/h,收率在93%左右,産品純度可根據需要在60%~70%範圍內調節,完全滿足衡鋼下遊工序的熱值需求,節能效果顯著。按照産品氣與天然氣的熱值計算,CO産品氣每小時可代替天然氣4537m3,年代替量達到3974×104m3,相當于衡鋼原來約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。
总  结
  高爐煤氣中含有豐富的CO氣體,具有很高的利用價值。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),作爲燃料氣用于鋼管加工,在節能降耗方面有著重要意義。另外,利用該項技術還能將高爐煤氣中的CO濃度提至98.5%以上,從而用于化工生産,合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等,這不但實現了鋼鐵和化工兩個行業的資源整合,具有良好的經濟效益,還有助于降低鋼鐵和化工企業整體的一次能源使用量,從而降低二氧化碳排放量,促進産業耦合,推動行業實現綠色、低碳、可持續發展。
 

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