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焦炉、高炉、转炉煤气利用途径

2022/11/17

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近年来,我国钢铁工业迅猛发展,钢铁冶金技术不断进步,使得钢铁厂富产煤气资源量越来越多。焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气是钢铁企业生产过程中的副产品,煤气资源占到企业总能耗的比例达到40%左右,是影响生产成本和利润的重要因素。因此,实现煤气的充分回收、合理利用,对于钢铁厂降低成本、发挥其能源转化作用具有重要的意义。

一、     煤气利用途径

煤气资源受煤种配比、原料结构等影响,焦炉、转炉、高炉煤气热值在可控范围内波动,按照煤气结构调整和煤气热值调整的要求,根据煤气种类和工艺划分,煤气资源合理利用可参照以下原则:

1、 高炉煤气首先应考虑供给焦炉、高炉热风炉、锅炉以及轧钢等用户,其中焦化工序尽量以高炉煤气替代焦炉煤气,实现以高炉煤气为主,焦炉煤气为辅;置换出的焦炉煤气可以用于发电效率达45%的燃气——蒸汽联合循环发电上。

2、 焦炉煤气产量相对稳定,各种参数波动小,热值高,毒性较小,主要考虑用在热值要求高的设备上,如烧结点火炉等,还可与高炉煤气、转炉煤气混合供轧钢等用户,高热值的煤气可有效减少加热时间,降低铸坯烧损。

3、 转炉煤气应优先炼钢工序自用,比如钢包烘烤、合金烘烤、混铁炉保温、在线烘烤、连铸中间包烘烤等,然后供给低压锅炉或直接供给轧钢加热炉,最后再供给对燃料要求不严的用户或当使用转炉煤气时对车间生产影响小的用户,例如石灰车间、初轧车间等。同时要考虑转炉煤气用量的最大化,以提高转炉煤气回收量,置换出更多的高炉煤气、焦炉煤气。

大部分钢铁企业煤气都作为燃料使用,其中焦炉煤气因其发生稳定、热值较高,燃烧后烟气能够达到较高的温度,作为各用户优先使用的介质,经常出现焦炉煤气量不足的情况。剩余煤气采用常规的发电机组利用,其能源转化率只有32%左右,采用发电效率较高的超高压发电机组、蒸汽联合循环发电后发电效率可以适当提高37%~42%

二、      煤气在非冶金行业的利用

国内煤气用于燃烧外的另外一个利用途径就是作为化工原料,实际生产过程中,这种途径又可以具体划分为多种不同的利用方式。

1、        制取氢气

焦炉煤气组分本身含有氢气50%以上,是制取氢气的理想原料。焦炉煤气制取氢气的方法主要是变压吸附法(PSA),通过简单的吸附分离就可以获得氢气,纯度可达99.99%以上。

国内各大钢厂相继建成了焦炉煤气变压吸附制氢装置,氢气主要用于冷轧罩式炉或连续退火炉,独立焦化企业制取的氢气多用于粗苯加氢精制工艺、煤焦油加氢工艺,以厂内自用为主,用量有限。因此,氢燃料电池也是氢气利用的一个重要方向。

2、        制取天然气

从焦炉煤气的组成看,氢多碳少,从能量利用率看,利用焦炉煤气甲烷化制取天然气,能量利用率可达80%。特别是焦炉煤气分离出H2后,剩余气体中CH4含量提高,热值也提高,使用价值更高。

3、        合成氨

我国以非无烟块煤为原料合成氨能耗平均水平约1554kg标煤/吨氨,传统焦炉煤气制合成氨能耗约1250kg标煤/吨氨,近年来焦炉煤气制合成氨节能工艺技术的发展,能耗可降至1142kg标煤/吨氨。

焦炉煤气制合成氨具有资源利用合理、项目投资少、运行费用低、单位产品成本低等特点,是其他煤制合成氨路线难以比拟的。制取的合成氨可用来制造化学肥料,也作为生产其他化工产品的原料,除液氨本身可作为化学肥料外,农业上使用的氮肥、含氮混合肥和复合肥,都是氨为原料。此外,新工艺还可回收合成驰放气中的氢气,成为制取氢气的最优方法之一。

4、        制取一氧化碳

放散高炉煤气可用于化工产品生产,使其再资源化,利用吸附剂提纯高炉煤气,回收利用其COCO2等有效成分、减少碳排放,必须考虑各种元素的组成和状态,使CO等元素最优配置,达到最大减排。高炉煤气中的CO含量低,N2含量高,二者的沸点相近,研究表明,采用变压吸附法PSA,提纯高炉煤气中的CO时需要研制专门的吸附剂。

5、        制取二氧化碳

焦炉煤气和转炉煤气含有高达60%的合成气成分,只需采用成熟的PSA变压吸附工艺,就可将H2CO分离并提纯出来。转炉煤气在变压吸附分离CO时还可以得到CO2气体产品,CO2用途非常广泛,可用于食品加工业、粮食果蔬储存、气肥、超临界萃取剂等。

6、        制取甲醇和乙醇

转炉煤气中CO+CO2含量接近80%,在焦炉煤气纯氧转化制甲醇工艺中补充部分转炉煤气可以改善合成气氢碳比,提高转化效果和甲醇产量。

转炉煤气制乙醇技术是将转炉煤气处灰尘和氧气后,可以直接在发酵罐中利用微生物发酵生产乙醇,不受转炉煤气中CO浓度变化及N2CO2成分影响。

结语

焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气不仅可用作工业燃料气,还可用作制取清洁燃料,化工合成等的。煤气的充分回收、合理利用, 有利于钢铁厂降低单位产品能耗和污染排放,还可以扩展资源化利用途径,与非钢铁冶金行业形成工业生态链提高煤气的附加值,使煤气利用向多联产方向发展。

钢铁煤气(焦炉、高炉、转炉煤气)的创新利用,首先需要抛弃一烧了之的粗放模式,要将煤气中有价值的组分用在刀刃上,就需要先将煤气净化分离。北大先锋专注煤气净化分离二十余年,能够高效、低成本地将钢铁煤气中COCO2H2CH4等有价值组分分离提纯,后续可进行钢化联产高炉顶煤气循环炼铁

双碳目标提出之前,钢铁煤气经历了从“无用放散”到“物有所用”的发展历程;双碳目标提出之后,钢铁煤气亟需从“物有所用”到“物尽其用”的转型升级。其中钢化联产就是一条被实践证实了的储碳固碳、降本增效的可行之路,而高炉顶煤气循环炼铁是钢铁行业一种极具可行性的“自产自销”创新利用模式。