高爐煤氣變壓吸附凈化系統(tǒng)的工藝研究

劉茜

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555）

一氧化碳是重要的化工基礎(chǔ)原料，通常由煤、石油或天然氣經(jīng)造氣凈化所得，主要用于合成化工產(chǎn)品。高爐煤氣是鋼鐵企業(yè)重要的二次能源，其主要有效氣成分為一氧化碳。高爐煤氣產(chǎn)生量很大，每噸焦炭產(chǎn)高爐煤氣3500～3600m3，換算為一氧化碳量為850～1000m3。現(xiàn)鋼鐵廠生產(chǎn)的高爐煤氣，除去用作熱風(fēng)爐的燃料，剩余的大部分用于發(fā)電，產(chǎn)生大量二氧化碳。利用高爐煤氣提純一氧化碳技術(shù)，可有效減少碳排放。同時，生產(chǎn)出的高純度一氧化碳產(chǎn)品，用于進一步鋼化聯(lián)產(chǎn)，經(jīng)濟效益顯著提高。

1 高爐煤氣變壓吸附凈化系統(tǒng)

高爐煤氣中含有粉塵、酸性介質(zhì)和水蒸氣等雜質(zhì)。因此需經(jīng)過除塵脫水處理后才能使用。近年來，全干法布袋除塵技術(shù)憑借除塵率高，污染少等諸多優(yōu)點，成為高爐煤氣除塵的首選。但使用全干法除塵技術(shù)，高爐煤氣溫度過高，無法直接進入變壓吸附凈化系統(tǒng)。為此，本系統(tǒng)加入了煤氣冷凝器，對煤氣降溫后再進行脫水，以滿足變壓吸附凈化系統(tǒng)對煤氣溫度和含濕量的要求。凈化系統(tǒng)加壓機入口的煤氣溫度需降至常溫，且溫度越低，加壓機效率越高。同時，煤氣含濕量對加壓機的效率也影響較大。因此，需進一步降低煤氣溫度及濕度，以提高加壓機效率。高爐煤氣經(jīng)初步除塵箱、布袋除塵器及TRT/BPRT后，一部分去往熱風(fēng)爐作為燃料；剩余部分進入冷凝器降溫，之后進入脫水器干燥，最后進入變壓吸附凈化系統(tǒng)，生成CO產(chǎn)品。本系統(tǒng)進一步降低了煤氣溫度，同時降低了煤氣含濕量。高爐煤氣經(jīng)降溫脫水后，可以直接供給變壓吸附凈化系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括初步除塵箱、布袋除塵器、TRT/BPRT、減壓閥組、冷凝器、脫水器和變壓吸附凈化系統(tǒng)。

1.1 初步除塵箱

隨著高爐利用系數(shù)的不斷提高，煤氣量和含塵量都增大，現(xiàn)有重力除塵器的除塵效率明顯降低。針對目前重力除塵器存在的結(jié)構(gòu)單一，塵粒不能有效沉降等問題，提出了頂端進氣、加擋板的方法。高爐煤氣粗除塵采用初步除塵箱，使用重力除塵與旋風(fēng)除塵結(jié)合的方法，利用塵粒的慣性力將固體顆粒從氣體中分離出來。初步除塵箱頂部設(shè)有斜向下的進氣管，側(cè)面設(shè)有出氣管。由于進氣方式的改變，含塵氣體在除塵器內(nèi)部產(chǎn)生旋流，很好的結(jié)合了旋風(fēng)除塵的除塵方法，使除塵率提高。初步除塵箱內(nèi)設(shè)有斜向下的金屬篩板，金屬篩板的一側(cè)與初步除塵箱的進氣管相對，初步除塵箱底板上設(shè)有積塵槽。積塵槽設(shè)于金屬篩板底端下方，初步除塵箱的出氣管位于金屬篩板的另一側(cè)，布袋除塵器的進氣口與初步除塵箱的出氣管連接。有金屬篩板的重力除塵器，含塵氣流沖擊在擋板上，氣流方向發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離。通過沖擊擋板捕集較粗粒子，通過改變氣流方向捕集較細粒子，除塵效率更高。

1.2 布袋除塵器

煤氣精除塵主要有靜電除塵器和布袋除塵器。由于高爐粉煤灰中Al2O3和SiO2含量較多，為此煤氣的電阻較大，若采用靜電除塵工藝，其除塵效果不會達到理論除塵效率。故此次采用布袋除塵器。本系統(tǒng)采用低壓脈沖除塵，具有設(shè)備簡單，反吹力度大，低耗能，濾袋排列緊密，安全性好等優(yōu)點。

1.3 冷凝器

高爐煤氣經(jīng)布袋除塵后，溫度約160℃或更高，煤氣管道中幾乎沒有冷凝水。高溫高壓煤氣經(jīng)TRT/BPRT減溫減壓后，煤氣溫度基本在60～90℃，煤氣中會有大量飽和水析出，酸性介質(zhì)隨即溶于水中，形成酸液。因此，需在高爐煤氣進入凈化系統(tǒng)前進行降溫，脫除其中冷凝水。冷凝器的煤氣出口溫度需低于環(huán)境溫度，冷凝后的煤氣立即進入脫水器脫去析出的飽和水，以達到在凈化的過程中減少冷凝水析出的效果。目前的煤氣脫水裝置只能脫除煤氣中以霧滴形態(tài)存在的機械水，不能脫除飽和水。因此，盡管大多煤氣系統(tǒng)有脫水裝置，但經(jīng)脫水后的高爐煤氣中仍存在大量的飽和水。

根據(jù)道爾頓分壓定律，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，混合氣體在不同溫度下存在相對應(yīng)的水蒸氣飽和分壓。據(jù)此可以計算出高爐煤氣在各種溫度下相應(yīng)的含水量。隨著溫度的升高，飽和水蒸氣分壓逐漸升高，含水量也逐漸增加。一般情況下，高爐煤氣溫度由30℃升至35℃時，每立煤氣含水量約增加10g；而煤氣溫度由40℃升高至45℃時，每立煤氣含水量約增加20g。因此，考慮到經(jīng)濟因素，冷凝器出口煤氣溫度應(yīng)控制在35℃以下，之后進入脫水器。

脫水器脫除機械水后的高爐煤氣不會再析出大量的機械水，從而有效減少高爐煤氣在變壓吸附的過程中的冷凝水析出。同時，當(dāng)環(huán)境溫度小于-5℃的情況下，冷凝器可采用風(fēng)冷冷水箱作為冷源。利用低溫空氣與循環(huán)冷水換熱，可節(jié)約低溫冷卻水的能耗。

冷凝器分為進口管、冷凝腔和出口管。冷凝腔內(nèi)豎直設(shè)有若干冷凝管，冷凝腔的側(cè)壁上設(shè)有冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液進口和冷卻液出口與外部的冷卻液循環(huán)裝置連接。冷凝腔內(nèi)的冷卻液為液態(tài)水。冷凝器內(nèi)煤氣流速約3～4m/s，阻力 0.5～1kPa。

冷凝器入口煤氣溫度為60～90℃，最大可達150℃（TRT/BPRT不運行時）。考慮到25℃以下的煤氣含水量隨溫度變化進一步減小，出口溫度冬季可控制在25℃以下，夏季由于環(huán)境溫度偏高，可控制在35℃以下。當(dāng)夏季運行時，循環(huán)水入口溫度為20℃，循環(huán)水出口溫度為30℃。不需要低溫冷卻水。當(dāng)冬季運行時，循環(huán)水入口溫度為10℃，循環(huán)水出口溫度為20℃。此時可使用風(fēng)冷冷水箱作為冷源，取空氣進氣溫度為-5℃，出氣溫度為10℃，冷水入口溫度為15℃，出口溫度為10℃。采用風(fēng)冷冷水箱作為冷源，可節(jié)約制取低溫冷卻水的能耗。

1.4 脫水器

經(jīng)冷凝后的高爐煤氣，通過旋流板脫水器進行脫水。高爐煤氣通過它時，產(chǎn)生旋流，使煤氣中的水霧在離心力的作用下，被甩向管壁，從而達到氣水分離的目的。

1.5 PSA-CO變壓吸附凈化系統(tǒng)

脫水后的高爐煤氣采用PSA（變壓吸附）工藝分離一氧化碳技術(shù)。變壓吸附法是基于吸附劑在不同的壓力下對不同物質(zhì)的吸附能力的差異來分離一氧化碳的。吸附凈化系統(tǒng)主要具有以下技術(shù)特點及優(yōu)勢。（1）產(chǎn)品一氧化碳成本低：裝置工藝先進、產(chǎn)品回收率高、配套設(shè)備負(fù)荷小、生產(chǎn)成本低。（2）一氧化碳質(zhì)量高：產(chǎn)品一氧化碳純度高（最高可達99%）、雜質(zhì)含量小，對下游生產(chǎn)非常有利，可帶來明顯的經(jīng)濟效益。（3）占地少、建設(shè)周期短、投資后收回成本時間短、環(huán)境友好。

高爐煤氣含CO約25%，長期以來，高爐煤氣的利用方式以燃燒或間接作為燃燒氣（如蓄熱爐、發(fā)電等）為主。經(jīng)過變壓吸附工藝分離一氧化碳技術(shù)，富含CO的產(chǎn)品氣一是可以作為高熱值燃料，減少煤、天然氣的使用量；二是可作為高爐噴吹的還原氣體，減少煤、焦的使用量；三是可生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品，如生產(chǎn)乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI等。由于CO造氣成本低，生產(chǎn)的化工產(chǎn)品更具競爭力，將為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。

在鋼鐵廠中，通過高爐煤氣提純得到的富一氧化碳氣體，可替代一部分天然氣供給加熱爐使用，也可替代焦?fàn)t煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣作為高熱值燃料。對于鋼鐵產(chǎn)能集中地區(qū)，利用鋼化聯(lián)產(chǎn)可以利用更便宜的原料來生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品，它比傳統(tǒng)化工生產(chǎn)的產(chǎn)品成本低，市場競爭優(yōu)勢明顯。

2 能源評價

高爐煤氣變壓吸附凈化系統(tǒng)生產(chǎn)CO產(chǎn)品，可有效避免剩余煤氣發(fā)電產(chǎn)生的大量二氧化碳排放，對于節(jié)能減排效果顯著。高爐煤氣變壓吸附凈化系統(tǒng)，可顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴大高爐煤氣的應(yīng)用，大幅度降低能耗、節(jié)約水資源，杜絕污水、粉塵等對環(huán)境的污染。

3 結(jié)語

最早設(shè)計的變壓吸附凈化系統(tǒng)已穩(wěn)定運行近10年，該技術(shù)的穩(wěn)定性和先進性確保了裝置長期運行的經(jīng)濟性。為此，研究高爐煤氣的變壓吸附工藝，可改善鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加鋼鐵企業(yè)效益。