高爐煤氣深度精處理助力鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排
陳璐
（福建中琉環(huán)保科技有限公司）
摘 要：高爐煤氣是長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)重要的二次能源，產(chǎn)量大、成分復(fù)雜，既有可用于燃燒、化工的CO、H2、CH4，也有性質(zhì)穩(wěn)定的CO2、N2，還有硫化物、H2O、HCl、粉塵等降低燃料品質(zhì)、造成后端腐蝕的有害物質(zhì)。對(duì)這些物質(zhì)經(jīng)行分類(lèi)精處理，可以大大提高高爐煤氣利用效率。
關(guān)鍵詞：高爐煤氣；源頭治理；鋼化聯(lián)產(chǎn)
1 引言
高爐煤氣是長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)重要的二次能源：利用煤氣余壓余能進(jìn)行高爐煤氣余壓透平發(fā)電（TRT 或 BPRT）；采取高爐煤氣富化措施，高爐煤氣可作為燃料使用；將高爐煤氣提純可替代天然氣用于軋鋼退火爐，或采用高純高爐煤氣作為羧基合成原料合成化工產(chǎn)品；高爐爐頂煤氣提純后作為還原性氣體用于高爐噴吹，實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵。[1,2]
但因高爐煤氣中CO含量低，致使發(fā)熱量低、燃燒溫度低，燃燒效果較差，另外惰性氣體高、難作為化工原料實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，高爐煤氣雜質(zhì)多、受高爐原料影響成分復(fù)雜，這些都影響了高爐煤氣品質(zhì)。若將高爐煤氣進(jìn)行深度處理，提高煤氣熱值、減少其中的惰性氣體、有害成分，將大大提高高爐煤氣的利用效率、助理鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排。本文對(duì)分析高爐煤氣中的各種成分，并探討深度精處理后為鋼鐵企業(yè)帶來(lái)的節(jié)能減排效益。
2高爐煤氣成分及利用/處理措施
高爐煤氣的主要化學(xué)成分及含量如下：
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化學(xué)成分 |
體積分?jǐn)?shù)/% |
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CO |
22-27 |
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CO2 |
13-19 |
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H2 |
1-4 |
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CH4 |
0.2-0.4 |
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N2 |
54-58 |
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O2 |
0.06-0.4 |
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硫化物 |
80-200 mg/m3 |
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H2O |
30-80 g/m3 |
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HCl【3】 |
10-200 mg/m3 |
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粉塵 |
10-50000 mg/m3 |
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油 |
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按利用價(jià)值分類(lèi)如下：
①可燃組分：CO、H2、CH4、O2，這些組分都可以參與燃燒，作為燃料燃燒也是現(xiàn)階段高爐煤氣利用的主要途徑，一方面解決了富余煤氣放散的問(wèn)題，另一方面減少了外購(gòu)電的比例，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
但目前鋼鐵企業(yè)的富余煤氣采取發(fā)電的方式并不能實(shí)現(xiàn)煤氣中有價(jià)成分的最大價(jià)值，煤氣燃燒發(fā)電的效率一般都低于40％，副產(chǎn)煤氣中寶貴的CO、H2用于燃燒熱值并不高，煤氣中的有價(jià)成分并未得到充分利用。將鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)的煤氣制成化工產(chǎn)品可以延長(zhǎng)鋼鐵生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈，增加鋼鐵企業(yè)抵御行業(yè)發(fā)展波動(dòng)的能力，同時(shí)可大量減少氣體污染物排放。大力發(fā)展鋼化聯(lián)產(chǎn)還可以起到彌補(bǔ)中國(guó)油氣資源短缺，減少直接煤化工產(chǎn)量，利用兩個(gè)產(chǎn)業(yè)之間用煤方式的互補(bǔ)性構(gòu)建鋼鐵－化工生態(tài)產(chǎn)業(yè)，從而減少中國(guó)總煤炭消耗量的作用。[4]
②惰性氣體：CO2、N2，這兩種氣體性質(zhì)較為穩(wěn)定、無(wú)毒無(wú)害，但其中的二氧化碳是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模收集處理。若對(duì)鋼鐵高爐煤氣進(jìn)行碳捕集，一方面可以降低鋼鐵行業(yè)碳排放，另一方面，高爐煤氣經(jīng)過(guò)碳捕集后CO、H2等可燃組分增加，產(chǎn)生高附加值的煤氣，經(jīng)碳捕集后的高爐煤氣可以重新注入高爐進(jìn)行煉鐵，還可與氫氣合成高附加值的化工原料，高爐煤氣碳捕集在未來(lái)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展進(jìn)程中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
目前，可應(yīng)用于鋼鐵高爐煤氣碳捕集技術(shù)包括化學(xué)吸收法、低溫深冷法、物理吸附法和膜分離法等。早期的高爐煤氣碳捕集技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要采用化學(xué)吸收法和低溫深冷法，但是能耗和成本較高。隨著新型 CO2分離膜材料和吸附劑的研發(fā)和應(yīng)用，物理吸附法和膜分離法逐漸受到廣泛的重視。這兩種工藝被認(rèn)為是傳統(tǒng)化學(xué)吸收法和低溫深冷法的替代品，且它們可以集成到膜分離－吸附協(xié)同工藝中。[5]
③有害成分：硫化物、H2O、HCl、粉塵等。
高爐煤氣中的硫化物包括有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫2大類(lèi)，有機(jī)硫主要成分有羰基硫(COS)、二硫化碳 (CS2)、甲硫醇(CH4S)、乙硫醇(C2H6S)、噻吩 (C4H4S)等；無(wú)機(jī)硫主要成分有硫化氫(H2S) [6]。由于現(xiàn)階段大部分高爐煤氣最后都是通過(guò)各種方式的燃燒利用，因此煤氣中的硫最終都是以二氧化硫或三氧化硫的方式排放到大氣中。近年來(lái)隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，2019年生態(tài)環(huán)保部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》)，《意見(jiàn)》中對(duì)鋼鐵生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的二氧化硫排放質(zhì)量濃度做了更加嚴(yán)苛的要求，同時(shí)也提出高爐煤氣應(yīng)實(shí)施前端源頭治理。高爐煤氣精脫硫主要包括干法吸附、濕法水解脫硫等工藝。高爐煤氣脫硫后可為鋼鐵企業(yè)帶來(lái)如下收益：
①可以代替分散的末端煙氣脫硫、降低管理難度和運(yùn)營(yíng)成本；
②每1Nm3高爐煤氣燃燒后產(chǎn)生1.7Nm3煙氣，同時(shí)考慮煙氣溫度普遍高于煤氣溫度，高爐煤氣脫硫處理工況體積不足煙氣處理的一半，運(yùn)行成本低；
③煙氣溫度因考慮煙氣低溫腐蝕通常需要在150℃以上，高爐煤氣脫硫后，因煙氣中不存在二氧化硫、也就不存在低溫腐蝕，排煙溫度可以降低至70℃，鍋爐排煙溫度每降低20℃，鍋爐效率可以提高1%，高爐煤氣脫硫后，配套用戶煙氣側(cè)的節(jié)能改造，用戶端利用效率可以提高4%，節(jié)能潛力巨大；
④某些煤氣用戶側(cè)沒(méi)有煙氣排放口，污染物排放難以監(jiān)測(cè)、也難以集中處理，在前端煤氣脫硫可以實(shí)現(xiàn)這些煙氣的排放達(dá)標(biāo)。
水本身是無(wú)害的，但在高爐煤氣中，當(dāng)高爐煤氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，高爐煤氣中大量的 Cl離子溶于煤氣冷凝水造成酸露點(diǎn)腐蝕。此外，水分存在還會(huì)降低煤氣熱值，同時(shí)煤氣燃燒過(guò)程中，水分會(huì)消耗大量的氣化潛熱與顯熱，過(guò)多的水分會(huì)造成燃燒器熄火。降低高爐煤氣含水量，使其露點(diǎn)溫度低于大氣常溫，可有效解決管道腐蝕問(wèn)題，同時(shí)提高煤氣熱值，提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫等，產(chǎn)生一系列的節(jié)能降耗作用，有研究表明，其脫濕能力在50%，可提高高爐鼓風(fēng)溫度 40~80 ℃，降低高爐焦比約 10 kg/tFe，按焦炭3000元一噸計(jì)算，噸鐵成本可降低30元[7]。降低煤氣水分的方法包括干法吸附、冷凝脫濕等；降低Cl 離子含量的常見(jiàn)方法包括濕法噴淋、干法吸附，濕法堿液噴淋脫氯會(huì)增加煤氣中的水分、同時(shí)也可能增加煤氣中的堿性粉塵含量，干法吸附通常采用化學(xué)吸附劑，難以再生，成本較高。
粉塵是高爐煤氣各成分中最早處理的雜質(zhì)，工藝較為成熟，現(xiàn)在多數(shù)排放要求5mg/m3，以遠(yuǎn)低于高爐出口的煙氣排放濃度，但若要提高高爐煤氣中CO、H2利用價(jià)值，對(duì)高爐煤氣中粉塵排放控制要更為精準(zhǔn)。
3總結(jié)
高爐煤氣產(chǎn)量大、成分復(fù)雜，同時(shí)也是現(xiàn)有鋼鐵工藝中重要的燃料，也是未來(lái)與化工產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)鋼化聯(lián)產(chǎn)的關(guān)鍵工質(zhì)，對(duì)高爐煤氣進(jìn)行精處理，去除其中的有害物質(zhì)，可為實(shí)現(xiàn)高爐煤氣的高價(jià)值應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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[3] 賈彩清,胡堃,馬作仿.新型高爐煤氣干法除酸技術(shù)可行性研究[J].冶金動(dòng)力,2014(10):17-20.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2014.10.008.
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[6] 郭玉華.高爐煤氣凈化提質(zhì)利用技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2020,32(07):525-531.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20190274.
[7] 施萬(wàn)玲,吳炳成,夏朝暉.熱風(fēng)爐煙氣使高爐煤氣脫濕的研究[J].冶金動(dòng)力,2018(04):21-23.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2018.04.007.