鋼鐵企業(yè)煤氣在非冶金行業(yè)的綜合利用

趙紅++賈燕

[摘要]鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣資源約占企業(yè)耗能總量的40%，合理利用煤氣資源不僅可以提高煤氣利用效率，減少污染排放，還可以節(jié)約能源成本。煤氣資源的綜合利用對鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗有著重要意義。文章從不同角度闡述了鋼鐵企業(yè)煤氣（焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣）在非冶金行業(yè)的綜合利用現(xiàn)狀，并且對現(xiàn)有的新技術(shù)新工藝進(jìn)行論述，分析了煤氣綜合利用的廣闊前景。

[關(guān)鍵詞]煤氣；非冶金行業(yè)；綜合利用；鋼鐵企業(yè)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.23.052

1引言

在目前市場低迷，鋼鐵行業(yè)進(jìn)入微利時代甚至虧損的大環(huán)境下，降本增效、深挖企業(yè)自身潛力是各企業(yè)的必修課，對于企業(yè)的生存與發(fā)展更具有特別重要的意義。作為鋼鐵企業(yè)重要的二次能源——副產(chǎn)煤氣資源，近年來在回收技術(shù)、綜合利用方面都取得了長足的進(jìn)步，多數(shù)鋼鐵廠煤氣利用率逐年提高，放散現(xiàn)象得到改善。

鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣的50%～80%用于各工序燃燒或爐窯加熱，剩余部分供自備電廠，多余部分放散，煤氣資源占到企業(yè)總能耗的比例達(dá)到40%左右，是影響生產(chǎn)成本和利潤的重要因素。如何做好節(jié)能降耗，合理利用能源資源及保護環(huán)境等工作，是當(dāng)前鋼鐵企業(yè)必須解決的問題。

2鋼鐵企業(yè)煤氣利用現(xiàn)狀

2.1煤氣種類

鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣資源主要包括焦?fàn)t煤氣（Coke Oven Gas，COG）、高爐煤氣（Blast Furnace Gas，BFG）和轉(zhuǎn)爐煤氣（Lindz-Donawitz Gas，LDG），由于產(chǎn)生工藝不同，這三種煤氣的成分和發(fā)熱值存在較大差異。

2.2煤氣利用途徑

（1）根據(jù)各用戶對燃料熱值要求，將大部分高、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣直接或經(jīng)過混合、加壓后送廠內(nèi)焦?fàn)t、熱風(fēng)爐、工業(yè)爐窯等工藝生產(chǎn)用戶加熱。

（2）少量焦?fàn)t煤氣經(jīng)過凈化裝置制取凈化焦?fàn)t煤氣送各切割用戶，或經(jīng)過變壓吸附裝置制取氫氣送冷軋車間作保護氣。

（3）各工藝用戶使用后，富余的煤氣送發(fā)電裝置（鍋爐、CCPP等）。

（4）少數(shù)企業(yè)將焦?fàn)t煤氣用于生產(chǎn)甲醇、合成氨等。

2.3煤氣利用效率

傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)煤氣都作為燃料使用，其中焦?fàn)t煤氣因其發(fā)生穩(wěn)定、熱值較高，燃燒后煙氣能夠達(dá)到較高的溫度，作為各用戶優(yōu)先使用的介質(zhì)，經(jīng)常出現(xiàn)焦?fàn)t煤氣量不足的情況。近年來隨著蓄熱式爐窯技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、低發(fā)熱值煤氣發(fā)電技術(shù)等節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，焦?fàn)t煤氣用量大幅下降，很多廠有大量剩余。

剩余煤氣采用常規(guī)的發(fā)電機組利用，其能源轉(zhuǎn)化率只有～32%，采用發(fā)電效率較高的超高壓發(fā)電機組、CCPP后發(fā)電效率可以適當(dāng)提高37%～42%。

3鋼鐵企業(yè)煤氣在非冶金行業(yè)的利用

就目前來看，國內(nèi)煤氣用于燃燒外的另外一個利用途徑就是作為化工原料。實際生產(chǎn)過程中，這種利用途徑又可以具體劃分為多種不同的利用方式。下面我們將對鋼鐵企業(yè)煤氣作為燃料使用外，在非冶金行業(yè)的主要利用方向以及發(fā)展現(xiàn)狀作具體分析。

燃料油

3.1制取氫氣

焦?fàn)t煤氣組分本身含有氫氣50%以上，是制取氫氣的理想原料。焦?fàn)t煤氣制取氫氣的方法主要有深冷法和變壓吸附（PSA）法，兩種技術(shù)均成熟可靠，特別是變壓吸附（PSA）法，通過簡單的吸附分離就可以獲得氫氣，純度可達(dá)99.99%以上，制氫成本僅相當(dāng)于電解水成本的1/3～1/4。

國內(nèi)各大鋼廠相繼建成了焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫裝置，氫氣主要用于冷軋罩式爐或連續(xù)退火爐，獨立焦化企業(yè)制取的氫氣多用于粗苯加氫精制工藝、煤焦油加氫工藝，以廠內(nèi)自用為主，用量有限。此外，氫燃料電池是氫氣利用的一個重要方向，在日本高純氫氣經(jīng)液化供應(yīng)給燃料電池行業(yè)，但該產(chǎn)業(yè)目前國內(nèi)尚未發(fā)展成熟，氫氣的廣泛應(yīng)用受到一定限制。

3.2制取天然氣

從焦?fàn)t煤氣的組成看，氫多碳少，從能量利用率看，利用焦?fàn)t煤氣甲烷化制取天然氣，能量利用率可達(dá)80%。特別是焦?fàn)t煤氣分離出H2后，剩余氣體中CH4含量提高，熱值也提高，使用價值更高。天然氣（CNG）可作為汽車代用燃料，在公交車和出租車領(lǐng)域，具有很大的吸引力。近年來焦?fàn)t煤氣制LNG技術(shù)逐漸興起，以目前的市場價格分析，汽油價格走低，焦?fàn)t氣制天然氣的效益減小，但長期來看，油價仍將上行。

國外代表性的工藝技術(shù)有丹麥托普索甲烷化、英國戴維甲烷化和日本焦?fàn)t煤氣制LNG技術(shù)等。國內(nèi)在此方面開展工作的有西南化工研究設(shè)計院、大連凱特利、上海華西、新奧科技等，全套工藝可全部國產(chǎn)化。

3.3合成氨

我國以非無煙塊煤為原料合成氨能耗平均水平約1554千克標(biāo)煤/噸氨，傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制合成氨能耗約1250千克標(biāo)煤/噸氨，近年來焦?fàn)t煤氣制合成氨節(jié)能工藝技術(shù)的發(fā)展，能耗可降至1142千克標(biāo)煤/噸氨。

焦?fàn)t煤氣制合成氨具有資源利用合理、項目投資少、運行費用低、單位產(chǎn)品成本低等特點，是其他煤制合成氨路線難以比擬的。制取的合成氨可用來制造化學(xué)肥料，也作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料，除液氨本身可作為化學(xué)肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥、含氮混合肥和復(fù)合肥，都以氨為原料。此外，新工藝還可回收合成弛放氣中的氫氣，成為制取氫氣的最優(yōu)方法之一。

3.4制取一氧化碳

放散高爐煤氣可用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)，使其再資源化[1]，利用吸附劑提純高爐煤氣。回收利用其CO和CO2等有效成分、減少碳排放，必須考慮各種元素的組成和狀態(tài)，使C、O等元素最優(yōu)配置，達(dá)到最大減排。

高爐煤氣中的CO含量低，N2含量高，二者的沸點相近，采用變壓吸附法PSA（Pressure Swing Adsorption），提純高爐煤氣中的CO時需要研制專門的吸附劑，目前，我國的科研工作者已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。北大先鋒設(shè)計的國內(nèi)首個低熱值高爐煤氣綜合利用工程，可得到純度70%以上的CO產(chǎn)品氣。日本神戶制鋼所在加古川廠和神戶廠建成的轉(zhuǎn)爐煤氣變壓吸附法提純工廠，所產(chǎn)CO濃度高于99%。[2]

3.5制取二氧化碳

焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣含有高達(dá)60%的合成氣成分，只需采用成熟的PSA（Pressure Swing Adsorption）變壓吸附工藝，就可將H2和CO分離并提純出來。轉(zhuǎn)爐煤氣在變壓吸附分離CO時還可以得到CO2氣體產(chǎn)品，CO2用途非常廣泛，可用于食品加工業(yè)、糧食果蔬儲存、氣肥、超臨界萃取劑等。

回收高爐產(chǎn)生的CO2并加以有效利用，從而達(dá)到減排效果。國內(nèi)寶鋼開展了采用回收的CO2替代氬氣用于轉(zhuǎn)爐底吹的研究，也開始了對回收的CO2進(jìn)行固存的技術(shù)研究。[3]

3.6制取甲醇和乙醇

轉(zhuǎn)爐煤氣中CO+CO2含量接近80%，在焦?fàn)t煤氣純氧轉(zhuǎn)化制甲醇工藝中補充部分轉(zhuǎn)爐煤氣可以改善合成氣氫碳比，提高轉(zhuǎn)化效果和甲醇產(chǎn)量。2009年四川達(dá)鋼集團在我國首次成功實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煤氣制甲醇，將轉(zhuǎn)爐煤氣凈化后用于10萬t/a焦?fàn)t煤氣制甲醇的補炭，年消耗轉(zhuǎn)爐煤氣0.26億m3， 甲醇生產(chǎn)成本降低了10%，產(chǎn)量提高了20%。

新西蘭LanzaTech公司開發(fā)出轉(zhuǎn)爐煤氣制乙醇技術(shù)，將轉(zhuǎn)爐煤氣處灰塵和氧氣后，可以直接在發(fā)酵罐中利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，不受轉(zhuǎn)爐煤氣中CO濃度變化及N2、CO2成分的影響。2008年在新西蘭鋼鐵公司建成中試廠，2010年該公司與寶鋼金屬公司、中國科學(xué)院簽訂了利用鋼廠尾氣生產(chǎn)燃料乙醇項目合作框架。

3.7其他方面

因為焦?fàn)t煤氣主要成分是氫氣、一氧化碳和甲烷，是優(yōu)質(zhì)的化工合成原料氣，經(jīng)簡單轉(zhuǎn)化，即可成為生產(chǎn)甲酸、尿素、醋酸以及粗苯等基礎(chǔ)化工原料。焦?fàn)t煤氣合成的甲醇進(jìn)一步可以合成甲醛、烯烴等。

轉(zhuǎn)爐煤氣含CO 較高，是一種優(yōu)質(zhì)的化工原料。國內(nèi)萊鋼等企業(yè)已經(jīng)開始研究轉(zhuǎn)爐煤氣用于甲酸等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此對于轉(zhuǎn)爐煤氣富裕的企業(yè)，將其用于化工生產(chǎn)也是一個很有潛力的利用途徑。

4結(jié)論

鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣的充分回收、合理利用，不僅有利于鋼鐵廠降低單位產(chǎn)品能耗和污染排放，還可以擴展資源化利用途徑，制取清潔燃料、化工合成等，與非冶金行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈，為企業(yè)尋找到新的經(jīng)濟增長點。

近年來，我國對焦?fàn)t煤氣的回收利用越來越關(guān)注，除了直接用作工業(yè)燃料氣、城市燃?xì)馔?，各鋼鐵企業(yè)根據(jù)所在地區(qū)的生產(chǎn)成本、產(chǎn)品價格等因素，充分發(fā)揮焦?fàn)t煤氣的資源潛能，積極采用新技術(shù)和新工藝，使焦?fàn)t煤氣向著產(chǎn)品附加值高、經(jīng)濟效益好、多聯(lián)產(chǎn)方向發(fā)展。

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[4]范文虎，劉翠玲.山西焦?fàn)t煤氣綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀[J].煤炭加工與綜合利用，2012（5）：46-50.