鋼廠煤氣資源化利用技術(shù)進(jìn)展

□ 李京社 郭 皓

我國是世界鋼鐵生產(chǎn)的超級大國，生鐵和粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一，目前生鐵和粗鋼產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上。近年來，我國鋼鐵行業(yè)遇到了發(fā)展瓶頸，出現(xiàn)了鋼鐵產(chǎn)能過剩、利潤率降低、資源能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。因此，我國鋼鐵企業(yè)升級節(jié)能減排技術(shù)、優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)施業(yè)務(wù)多元轉(zhuǎn)型的需要已迫在眉睫[1]。以高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣為代表的鋼廠煤氣是鋼鐵企業(yè)重要的二次能源，約占鋼鐵生產(chǎn)總能量的1/3，同時(shí)也是鋼鐵企業(yè)主要?dú)鈶B(tài)污染物的排放源頭，鋼廠煤氣的資源化利用對于鋼鐵企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、鋼廠煤氣利用發(fā)展的過程和問題

鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中消耗大量的煤炭等化石燃料，同時(shí)也產(chǎn)生大量的副產(chǎn)煤氣，副產(chǎn)的鋼廠煤氣除一部分自用外，其余均為過剩。隨著鋼鐵工業(yè)幾十年的發(fā)展，這部分過剩的鋼廠煤氣也經(jīng)歷了無序放散、TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）、鍋爐余熱發(fā)電、雙超（超高壓超高溫）、CCPP（燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組）發(fā)電的歷史階段，這是從資源浪費(fèi)到物有所用的過程。

第一階段（1949—1978年），1949年建國后我國重建了鞍鋼，并新建了武鋼和包鋼等聯(lián)合鋼廠，鋼鐵產(chǎn)量總計(jì)只有幾十萬噸，煉鋼主流采用平爐煉鋼技術(shù)，直到1978年我國的鋼鐵產(chǎn)量突破了3 000萬噸，在此期間鋼廠副產(chǎn)煤氣基本處于放散狀態(tài)，極少得到利用。

第二階段（1978—2000年），1978年后，轉(zhuǎn)爐煉鋼逐漸取代了平爐煉鋼，高爐的利用系數(shù)也不斷提高，1996年中國鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量首次突破1億噸大關(guān)[2]，這22年間，以首鋼1983年TRT發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)為標(biāo)志[3]，鋼廠煤氣發(fā)電也逐漸開始發(fā)展。

第三階段（2000—2013年），2000年以后，我國鋼鐵工業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，鋼鐵產(chǎn)量每年上一個臺階，2012年已突破7億噸，中國鋼鐵逐漸占據(jù)世界的半壁江山，鋼廠煤氣TRT和余熱發(fā)電也開始迅速普及，1995—2007年，TRT的普及率從6.9%提高到80%[4]。

第四階段（2013年至今），2013年以來，我國鋼鐵工業(yè)逐漸由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，為了更大限度地利用鋼廠煤氣價(jià)值，雙超、CCPP發(fā)電技術(shù)也逐漸得到我國鋼鐵企業(yè)的重視和應(yīng)用。

鋼廠煤氣的利用與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，但是鋼廠煤氣的利用方式始終局限在“燃燒”的瓶頸中，發(fā)電效率和專業(yè)電廠存在差距，而且后續(xù)需要應(yīng)對燃燒后粉塵、二氧化硫、氮氧化物的污染治理問題，同時(shí)增加了二氧化碳的排放。如何以高效、經(jīng)濟(jì)、綠色的形式利用鋼廠煤氣，一直是國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)研發(fā)的重要方向，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)環(huán)境、構(gòu)建生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。

二、鋼廠煤氣深度利用的制約因素

除燃燒利用外，鋼廠煤氣的深度利用還有另一種形式，即化工合成。在我國，除鋼鐵工業(yè)外，化工工業(yè)也是一項(xiàng)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在化工工業(yè)中，一氧化碳和氫氣是化工合成的基礎(chǔ)原料[5]，很多化工企業(yè)需要通過各種途徑獲取這部分氣源。如果能夠利用鋼廠煤氣中的一氧化碳和氫氣進(jìn)行化工合成，生產(chǎn)例如甲醇、乙醇、乙二醇類的化工品，實(shí)現(xiàn)鋼化聯(lián)產(chǎn)的綠色生產(chǎn)模式，可產(chǎn)生比燃燒利用更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

由于鋼化聯(lián)產(chǎn)需要的一氧化碳純度大于98.5%、氫氣純度大于99.9%，所以鋼廠煤氣深度利用的關(guān)鍵在于凈化提純。鋼廠煤氣有利用價(jià)值的成分主要是一氧化碳、氫氣和甲烷，具體成分如表1所示。

表1 鋼廠尾氣中主要組分的含量 單位/%

由表1可以看出，高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣中有用組分主要是一氧化碳，同時(shí)伴隨有大量的氮?dú)夂投趸?。如果想深度利用，需要將其中的一氧化碳提純?8.5%以上。二氧化碳的去除較為容易，但由于氮?dú)夂鸵谎趸加邢嗤姆肿恿浚ㄒ姳?）、相近的沸點(diǎn)、相近的分子動力學(xué)直徑，用普通PSA（變壓吸附）或深冷分離的方法都不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分離，因此一氧化碳和氮?dú)獾姆蛛x一直是個世界性的難題。

表2 氮?dú)夂鸵谎趸嫉男再|(zhì)對比

焦?fàn)t煤氣中的有用組分主要是氫氣和甲烷，甲烷屬于高附加值能源，由于其中的氮?dú)夂鸵谎趸己枯^少，可以通過冷箱深冷分離的方式，將其中的氫氣和甲烷分離提純，得到99.9%的氫氣和LNG（液化天然氣）產(chǎn)品。目前，深冷分離技術(shù)比較成熟，而且有較多應(yīng)用案例。

鋼廠煤氣最環(huán)保和高效的深度利用方式是鋼化聯(lián)產(chǎn)，鋼化聯(lián)產(chǎn)最關(guān)鍵的問題是鋼廠煤氣中一氧化碳和氫氣的分離提純，分離提純過程最困難的環(huán)節(jié)是高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣中一氧化碳和氮?dú)獾姆蛛x，因此一氧化碳和氮?dú)獾姆蛛x技術(shù)是鋼廠煤氣深度利用的制約因素。

三、鋼廠煤氣深度利用——鋼化聯(lián)產(chǎn)模式的技術(shù)突破

鋼化聯(lián)產(chǎn)是指以鋼鐵企業(yè)高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣為原料，經(jīng)過一系列的凈化分離工藝，提取出一氧化碳、氫氣和甲烷等有價(jià)值的原料氣組分，進(jìn)一步化工合成生產(chǎn)甲醇、乙醇、乙二醇、LNG、燃料氫等高附加的化工產(chǎn)品的過程。

1.鋼化聯(lián)產(chǎn)模式的出現(xiàn)

鋼化聯(lián)產(chǎn)的概念，于20世紀(jì)90年代由日本和歐洲國家提出，但由于一直無法從高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣中高效提純一氧化碳，鋼化聯(lián)產(chǎn)的課題就一直被擱置，直到21世紀(jì)初，高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣中提純一氧化碳的技術(shù)瓶頸被我國技術(shù)突破后，鋼化聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目開始在國內(nèi)開展。

2.鋼化聯(lián)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)突破

從高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣的高氮?dú)夥諊?，以?jīng)濟(jì)的方式分離提純一氧化碳的課題，在國內(nèi)已被北京北大先鋒科技有限公司突破，利用一氧化碳和一價(jià)銅離子分子篩的絡(luò)合特性，通過變壓吸附的方式成功地將一氧化碳和氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)高效分離，并且已有成熟工業(yè)運(yùn)行的案例，為鋼化聯(lián)產(chǎn)、鋼廠煤氣資源化利用的實(shí)施提供了可行性和經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)。

3.鋼化聯(lián)產(chǎn)的意義

(1) 增加經(jīng)濟(jì)效益

甲醇、乙醇、乙二醇都是國家重要的化工產(chǎn)品，尤其是燃料乙醇，添加到汽油當(dāng)中可減少化石能源的使用，定價(jià)為汽油的0.91倍，售價(jià)穩(wěn)定，需求旺盛。此外，LNG和燃料氫，都可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）源頭減少碳排放

鋼化聯(lián)產(chǎn)將原本用于燃燒的一氧化碳，通過與氫氣的合成反應(yīng)，固載到化工品中，不再燃燒產(chǎn)生二氧化碳，從源頭減少了碳排放。

（3）減少有害物質(zhì)排放

鋼廠煤氣在燃燒過程中會產(chǎn)生大量粉塵、二氧化硫和氮氧化物等有害物質(zhì)，鋼化聯(lián)產(chǎn)以化工合成取代了燃燒，有害物質(zhì)大大減少。

（4）提高企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力

鋼化聯(lián)產(chǎn)可以延長鋼鐵企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，以鋼廠煤氣為原料生產(chǎn)的化工品，在成本上遠(yuǎn)優(yōu)于煤化工、石油化工和天然氣化工，當(dāng)鋼鐵主業(yè)市場低迷時(shí)，化工品利潤可以提高企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

（5）提前布局能源戰(zhàn)略

燃料乙醇、LNG和燃料氫是國家未來能源布局的重要組成部分，對減少化石燃料消耗、減少國外能源依賴具有深遠(yuǎn)意義。鋼化聯(lián)產(chǎn)模式使鋼鐵企業(yè)參與到能源戰(zhàn)略之中，走在了其他行業(yè)的前列。

（6）促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級

由于自身生產(chǎn)特點(diǎn)，傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)屬于較為“粗獷”的行業(yè)領(lǐng)域，鋼化聯(lián)產(chǎn)促使鋼鐵企業(yè)向“精細(xì)化”轉(zhuǎn)型，既是低碳綠色的轉(zhuǎn)變，又是降本增效的提升。

（7）耦合產(chǎn)業(yè)發(fā)展

鋼鐵和化工是我國兩個傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)，一個屬于“高溫低壓”，一個屬于“低溫高壓”，之前交集很少，鋼化聯(lián)產(chǎn)模式在鋼鐵和化工兩個行業(yè)之間架起一座橋梁，以鋼鐵副產(chǎn)物為化工原料，實(shí)現(xiàn)了兩大行業(yè)的耦合發(fā)展。

四、鋼化聯(lián)產(chǎn)模式的案例分析

1.山東石橫特鋼-阿斯德科技（首套轉(zhuǎn)爐煤氣制甲酸裝置）

山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司原來將轉(zhuǎn)爐煤氣用于燃燒發(fā)電，不僅效率低，且產(chǎn)生大量溫室氣體二氧化碳。在我國大力推進(jìn)碳減排和鋼鐵去產(chǎn)能背景下，企業(yè)為了進(jìn)一步降低碳排放并尋求新的利潤增長點(diǎn)，決定成立山東阿斯德科技有限公司，以轉(zhuǎn)爐煤氣作為原料生產(chǎn)甲酸產(chǎn)品。該項(xiàng)目將石橫特鋼副產(chǎn)的45 000 m3/h轉(zhuǎn)爐煤氣，經(jīng)除塵、壓縮、脫硫、脫水、除氧及PSA等工序后得到產(chǎn)品氣（18 200m3/h，一氧化碳含量98.5%），輸送到阿斯德進(jìn)行化工生產(chǎn)，每年可生產(chǎn)20萬噸甲酸、5萬噸草酸及下游甲酰胺、甲酸鉀、甲酸鈣等產(chǎn)品，同時(shí)實(shí)現(xiàn)年減排二氧化碳30萬噸，已于2018年4月開車投產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行至今。項(xiàng)目流程如圖1所示。

圖1 石橫特鋼鋼化聯(lián)產(chǎn)流程

2.山西立恒鋼鐵-沃能化工（首套轉(zhuǎn)爐+焦?fàn)t煤氣制乙二醇聯(lián)產(chǎn)LNG裝置）

山西立恒鋼鐵集團(tuán)股份有限公司（簡稱“立恒鋼鐵”）于2012年引進(jìn)4臺燃?xì)廨啓C(jī)及整套發(fā)電設(shè)備將剩余的鋼廠尾氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，投入運(yùn)行后每年發(fā)電約4.8×108kW，蒸汽90多萬噸，在比較鋼廠煤氣用于化工合成和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的效益后，決定成立山西沃能化工科技有限公司，將轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t煤氣用于鋼化聯(lián)產(chǎn)。該項(xiàng)目從副產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣中提純得到一氧化碳?xì)怏w（32 000m3/h，一氧化碳含量98.5%）和氫氣（64 000m3/h，氫氣含量99.9%），每年生產(chǎn)30萬噸乙二醇，聯(lián)產(chǎn)15萬噸LNG。目前，該項(xiàng)目正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2020年4月開車投產(chǎn)，投產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)年減排二氧化碳45萬噸。項(xiàng)目流程如圖2所示。

圖2 立恒鋼鐵鋼化聯(lián)產(chǎn)流程

五、鋼化聯(lián)產(chǎn)模式的前景展望

目前，我國年產(chǎn)7.7億噸生鐵、9億噸粗鋼、4.3億噸焦炭，高爐-轉(zhuǎn)爐流程所副產(chǎn)的高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣數(shù)量巨大，鋼廠煤氣經(jīng)歷了無序放散、TRT、鍋爐余熱發(fā)電、雙超和CCPP發(fā)電的歷史階段后，未來必將迎來革命性的創(chuàng)新綠色應(yīng)用時(shí)代，鋼化聯(lián)產(chǎn)就是其中的一條創(chuàng)新道路。

“綠水青山就是金山銀山”，在國家日益嚴(yán)峻的環(huán)保高壓態(tài)勢下，鋼鐵和化工兩個高污染、高耗能的傳統(tǒng)工業(yè)，需要探尋一條綠色轉(zhuǎn)型的發(fā)展之路，將鋼廠煤氣變?yōu)榛S原料氣，是一個大膽而又跨界的創(chuàng)新模式，山東石橫特鋼和山西立恒鋼鐵的工業(yè)案例證明了這種模式的可行性，鋼化聯(lián)產(chǎn)符合國家綠色可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略。

能源是國家工業(yè)發(fā)展進(jìn)步的基石，鋼鐵企業(yè)若能通過鋼化聯(lián)產(chǎn)模式，為國家提供燃料乙醇、燃料氫和LNG的補(bǔ)充能源，對國家能源安全體系的構(gòu)建具有深遠(yuǎn)意義。