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),，對于節(jié)能降耗和保護環(huán)境有著非常重要的意義。

前  言

　　我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，近年來生鐵產(chǎn)量呈逐年上升趨勢,。目前, 鋼鐵工業(yè)總能耗已占全國工業(yè)總能耗的15%左右,。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，高爐煉鐵又是能耗***高的環(huán)節(jié),。鋼鐵工業(yè)的節(jié)能主要包括減少浪費和增加回收兩個方面,，其中大力回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二次能源（例如副產(chǎn)煤氣等）是一個非常重要的途徑。鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)煤氣資源包括高爐煤氣,、焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。其中高爐煤氣排放量約占64%, 焦爐煤氣約占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程中的副產(chǎn)煤氣,，是一種無色、無味,、有毒的低熱值氣體燃料,。其主要成分為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),，其常見的組成如表1所示。

　　其中***具有二次利用價值的CO含量僅為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,，而燃料熱值只有達到2200×4.18kJ／Nm3左右,，才能滿足工業(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,，一方面又要購入重油,、天然氣或者燒自產(chǎn)焦油等作為能源補充。高爐自身熱風(fēng)爐會用掉40 %～50 % 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中,，將會造成環(huán)境的污染和能源的浪費,。***有關(guān)部門頒發(fā)的《中國節(jié)能技術(shù)政策大綱》中要求, 冶金重點企業(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,，改造時間長,、維護成本高。二是高爐煤氣與高熱值氣體燃料混合,，配成滿足加熱爐使用要求的次高熱值燃料,。高爐煤氣可與焦爐煤氣、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)機點火,、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,，滿足工廠用蒸汽的同時再發(fā)電,。高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡稱CCPP）效率高、成本低, 但建設(shè)投資巨大,。四是單獨預(yù)熱高爐煤氣,，提高軋鋼的入爐溫度。

　　北京北大先鋒科技有限公司于2012年為華菱衡鋼設(shè)計建成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,、自動化程度高、操作簡單等優(yōu)點,，而Cu系吸附劑相比常規(guī)變壓吸附使用的***分子篩,，對于CO和N2有更大的分離系數(shù)，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

　　本文以投產(chǎn)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)計收率92%，CO產(chǎn)品氣濃度根據(jù)用戶需要在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專有的脫硫劑和除氧劑，使高爐煤氣中的總硫在進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)過粗脫硫后,，絕大部分H2S被脫硫劑吸附；剩余的COS和H2S經(jīng)過精脫硫吸收后,，總硫脫除至1ppm以下,。除氧工藝采用北大先鋒自主研制開發(fā)的PU-5除氧劑，在CO氛圍下,，催化微量O2和CO進行反應(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)過預(yù)處理后的潔凈氣體在PSA-CO工序中經(jīng)過吸附,、均壓降壓、順放,、抽真空,、均壓升壓、終充壓循環(huán)過程分離提純CO,。CO作為產(chǎn)品氣常壓析出,，經(jīng)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(fā)的分離CO高效吸附劑,，在未使用置換步驟的前提下,，不但滿足CO產(chǎn)品的高純度要求，同時節(jié)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(jié)果分析

　　該高爐煤氣提純CO裝置從2013年6月8日一次性開車成功后一直運行穩(wěn)定,，而且在高爐生產(chǎn)波動較大時也能滿足各種工況下的使用要求,。實際運行72小時測得平均產(chǎn)品氣規(guī)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(jīng)常發(fā)生變化,，在50ppm~120ppm之間波動，預(yù)處理工序通過溫度的適當(dāng)調(diào)整能完全脫除COS,。

　　高爐煤氣中CO含量的設(shè)計值為24%,，但實際運行過程中只有18%~22%，在這種濃度范圍內(nèi),，CO產(chǎn)品氣中的CO含量還能達到設(shè)計要求,。當(dāng)原料氣中CO濃度>20%時，產(chǎn)品氣中CO濃度>72%,。

　　平均高爐煤氣消耗量為60000Nm3/h,，CO產(chǎn)品氣量為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),，完全滿足衡鋼下游工序的熱值需求，節(jié)能效果顯著,。按照產(chǎn)品氣與天然氣的熱值計算,，CO產(chǎn)品氣每小時可代替天然氣4537m3，年代替量達到3974×104m3,，相當(dāng)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。

總  結(jié)

　　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,，利用該項技術(shù)還能將高爐煤氣中的CO濃度提至98.5%以上,，從而用于化工生產(chǎn),，合成乙二醇、碳酸二甲酯,、醋酸,、甲醇、TDI,、DMF等,，這不但實現(xiàn)了鋼鐵和化工兩個行業(yè)的資源整合，具有良好的經(jīng)濟效益,，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，促進產(chǎn)業(yè)耦合,，推動行業(yè)實現(xiàn)綠色,、低碳、可持續(xù)發(fā)展,。

 

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