利用钢厂尾气合成化工产品技术

摘要：

钢厂尾气作为燃料利用效率低和放散量大是钢铁企业单位能耗高的主要原因，本文提出了一种新的综合利用钢厂尾气的技术路线，即将钢厂尾气中有用组分纯化后作为化工合成的原料气，可以大幅度减少钢厂尾气的放散，提高尾气的利用效率，从而增加企业的经济效益。

关键词：钢厂尾气 综合利用 化工合成

1 前言

随着我国钢铁行业的发展，钢铁产量大幅度提高，钢厂尾气的产量相应增长，如何合理利用钢厂尾气成为钢铁企业减少碳排放及提高经济效益的重要问题。因此，将钢厂尾气作为化工生产的原料成为钢厂尾气综合热利用的一条新途径。一般认为钢厂尾气包括三种煤气：焦炉气、转炉气、高炉气。

1.1 焦炉气及其应用情况

焦炉气，又称焦炉煤气，是指用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。焦炉气是混合物，其产率和组成因炼焦用煤质量和焦化过程条件不同而有所差别，每生产一吨焦炭副产90～420立方米焦炉气。其主要成分为氢气（55%~60%）和甲烷（23%~27%），另外还含有少量的一氧化碳（5%~8%）、C₂以上不饱和烃（2%~4%）、二氧化碳（1.5%~3%）、氧气（0.3%~0.8%）、氮气（3%~7%）。其中氢气、甲烷、一氧化碳、C₂以上不饱和烃为可燃组分，二氧化碳、氮气、氧气为不可燃组分。焦炉气是钢厂三种尾气中利用率最高的尾气，由于焦炉气相对其它两种尾气热值较高，热值约为4200Kcal/Nm³，因此其可直接作为高温工业炉的燃料和城市煤气；另外焦炉气含氢气量高，分离后用于冷轧钢的保护气。目前许多焦炭厂生产的焦炉气通过转化可作为合成甲醇的原料气，还有部分焦炭厂家利用焦炉气生产液化天然气，剩余的气体用于合成化工产品。在钢铁厂焦炉气中重组分焦油、芳烃等被分离作为产品销售，而剩余的甲烷、氢气和一氧化碳作为化工合成原料的则很少。

1.2 转炉气及其应用情况

转炉炼钢过程中，铁水中的碳在高温下与吹入的氧生成一氧化碳和少量二氧化碳的混合气体。每生产出一吨钢副产40～100立方米转炉气，全国一年若以5亿吨钢产量来计算，将会产生约500亿立方米的转炉气。回收的顶吹氧转炉气含一氧化碳60～80%，二氧化碳15～20%，以及氮、氢和微量氧。转炉气的热值约为1800 Kcal/Nm³。转炉气的发生量在一个冶炼过程中并不均衡，成分也有变化。通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个储气柜，混匀后再输送给用户作为燃气使用。

1.3 高炉气及其应用情况

高炉气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为：CO、CO₂、N₂、H₂、CH₄等，其中可燃成分CO含量约占25%左右，H₂、CH₄的含量很少，CO₂和 N₂的含量分别占15%、55%，高炉气的热值约为800Kcal/Nm³。高炉气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，但所产的高炉气热值更低，增加了利用难度。高炉气中的CO₂、N₂既不参与燃烧产生热量，也不能助燃，相反还吸收大量的燃烧过程中产生的热量，导致高炉气的理论燃烧温度偏低。高炉气的着火点并不高，表面上不存在着火的障碍，但在实际燃烧过程中，受各种因素的影响，混合气体的温度必须远大于着火点，才能确保燃烧的稳定性。高炉气的理论燃烧温度低，参与燃烧的高炉气的量很大，导致混合气体的升温速度缓慢，温度不高，燃烧稳定性不好。每生产出一吨生铁副产1700～2000立方米高炉气，全国一年若以5亿吨生铁产量来计算，将会产生约1万亿立方米的高炉气。目前随着蓄热式轧钢加热炉技术及高炉气蒸汽联合循环发电技术的推广，钢厂中高炉气放散量逐渐减少，但对于一些中小型钢厂仍有大量高炉气放散，另外高炉气作为燃烧气使用仍存在热效率低的缺点。

综上所述，在钢厂中无论是焦炉气、转炉气还是高炉气的利用，几乎全部是作为燃烧气使用，而实践中除焦炉气作为燃烧气使用时具有较高的热效率外，转炉气和高炉气作为燃烧气使用则存在热效率低、二氧化碳大量排放等缺点，这不仅增加了全球的温室效应，危害了环境，还造成资源的严重浪费。

2 技术路线

分析焦炉气、转炉气和高炉气组成可以发现，焦炉气中含有大约60%的氢气，转炉气和高炉气中则含有大量的一氧化碳，而氢气和一氧化碳则是化工合成的基本原料。目前化工企业需将大量的煤转化为一氧化碳和氢气，煤制气的投资约占化工厂投资三分之一以上，因此如能将钢厂尾气中的一氧化碳和氢气分离提纯后作为化工合成的原料，不仅可以省略造气的投资，同时可大幅度降低化工合成的成本，另外也可以减少二氧化碳的排放，为钢铁企业创造额外利润。

本文提出的钢厂尾气综合利用技术路线如下：

通过深冷技术与变压吸附技术结合分离焦炉气中的氢气，焦炉气中高热值组分CH₄可以液化作液化天然气产品，也可以与高炉气掺混，配制成各种合格的燃料气体供钢铁企业内部使用，氢气作为化工合成的原料。高炉气或转炉气则可通过变压吸附制取高纯度一氧化碳作为化工合成原料，剩余气体排空。

图1钢厂尾气综合利用技术路线图

3 产品应用

通过本技术路线能够得到氢气产品气、一氧化碳产品气、甲烷产品气，其中氢气产品气和一氧化碳产品气可作为合成化工原料的原料气，甲烷产品气可液化为天然气或作为燃料使用。产品气CO和H₂目前可以实现合成的化工产品包括甲醇、合成氨、尿素、醋酸、乙二醇、丁辛醇、TDI（甲苯二异氰酸酯）、MDI(二甲苯烷二异氰酸酯) 、碳酸二甲酯、DMF(N,N-二甲基甲酰胺) 、甲酸、二甲醚、醋酐、甲胺和甲酰胺等。

4 小结

    本技术路线能够综合利用焦炉气、转炉气、高炉气，实现钢厂尾气的平衡利用，提纯焦炉气中氢气，浓缩高炉气和转炉气中一氧化碳，为实现钢厂尾气转化为化工产品迈出了关键一步。能够为钢铁企业实现“节能减排、低碳炼钢”的企业目标做出巨大贡献。