变压吸附浓缩高炉煤气的经济性分析

摘  要： 目前高炉煤气由于热值和燃烧效率低而导致大量放散，本文提出采用变压吸附技术浓缩高炉煤气可以提高其热值和燃烧效率，并进行了燃烧效率和工程及技术经济性分析，认为高炉煤气浓缩是钢铁行业利用高炉煤气最有效节能的方式，具有广阔应用前景。

关键词： 高炉煤气  变压吸附 经济性

The Combustion Economy of Purifying CO from Blast Furnace Gas by Pressure Swing Adsorption

( Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd, Beijing, 10080 )

Abstract: Owning to its low calorific value and combustion efficiency, a lot of blast furnace gas (BFG) is wasted in China. In this paper, Pressure swing adsorption (PSA) technology was applied to purify BFG, which can improve the calorific value and combustion efficiency significantly. The technical feasibility, combustion efficiency and engineering economy analysis showed that BFG purifying by PSA was the most effective way for energy saving and had a broad application prospect.

Key words: Blast Furnace Gas, Pressure swing adsorption, combustion economy.

1、前言

高炉煤气（Blast Furnace Gas，BFG）是高炉炼铁过程中的副产品，其排放量在钢铁企业的副产煤气中所占比重最高。它的主要成分包括N2、CO、CO2、H2、CH4等，具体组成如表1中所示。由于高炉煤气的热值一般仅有3000~3800 kJ/Nm3左右，不能满足工业炉理论燃烧温度对热值的要求。大部分钢铁厂高炉煤气富余，存在不同程度的放散现象，造成了环境的污染和能源的浪费。

近年来，由于国家对钢铁企业节能减排技术的重视，企业中高炉气的放散有所减少。高炉煤气的利用方式以燃烧为主，主要用途有：1）直接使用在高炉热风炉；2）直接使用在复热式炼焦炉；3）与高热值气体混合用在加热炉、均热炉等；4）采用蓄热式燃烧技术用于轧钢加热炉；5）纯烧高炉煤气的锅炉发电；6）高炉煤气作为主要燃料的燃气轮机、蒸汽轮机联合循环发电(CCPP)。

表1 常见高炉气的主要组成

若能将高炉煤气中的有效组分CO提浓后加以利用，不仅能大大降低放散率，而且可以节省燃料费用，甚至提供化工产品的生产原料。将CO提浓至65%~70%，燃烧值可达8200~9000 kJ/Nm3，产品气能够作为高热值燃料直接燃烧[1]，或者作为高炉喷吹的还原气体[2]。将CO提浓至98.5%以上，高纯的CO产品气可进一步用于生产高附加值的化工产品[3]。

2、变压吸附提纯衡钢高炉煤气

衡阳华菱钢管有限公司（以下简称“衡钢”）是具备年生产100万吨铁、120万吨钢、150万吨管的生产能力专业化无缝钢管生产企业。高炉煤气年产量约为21×108 m3，主要用于热风炉（约35%）、烧结炉（约2%）、与天然气混合用于轧钢加热炉（约38%），剩余部分大都放散掉；高炉煤气的放散率最高可达29%，最低也只能降至23%左右[4]。为了满足高热值燃料的需求，衡钢需外购天然气，与高炉煤气掺烧，以提高高炉煤气的热值，供轧钢加热炉使用。这就造成了衡钢对高热值燃气大量需求与低热值煤气得不到有效利用的严重矛盾。将高炉煤气提纯得到高热值燃气，成为衡钢节能增效的明智选择。

2012年，北大先锋与华菱衡钢达成设计建设高炉煤气提纯CO装置的合作协议，目前装置已经顺利投产，运行稳定，各项指标优异，平均原料气消耗量达到60000 Nm3/h，平均产品气量为18000 Nm3/h，CO收率在93%左右。产品气中CO的浓度可根据需要在60%~70%范围内调节，产品气完全满足衡钢下游用户的热值需求，节能增收效果显著。装置的平均气体组分和气量如表2中所示。

表2 平均气体组分及气量

3、经济效益分析

3.1成本核算

采用PSA-CO装置提纯高炉煤气的成本是用户关注的首要问题。PSA-CO产品气成本包含固定成本与可变成本。按照高炉煤气原料气价格为每立方米0.04元、产品气气量18000 Nm3/h、装置设计运行期为10年、年开工率为94%进行计算，PSA-CO产品气固定成本计算结果列于表3，可变成本见表4，产品气综合成本合计约为0.5225元/Nm3。如果不计高炉煤气原料气成本，PSA-CO产品气的总成本为0.3921元/Nm3。

表3 单位立方米产品气固定成本核算

表4 单位立方米产品气能耗与运行成本

3.2 燃烧经济性分析

由于高炉煤气和提浓后的产品气均作为燃料燃烧，对它们进行燃烧经济性分析是十分必要的。CO浓度为22.4%的60000 Nm3/h的高炉煤气的燃烧数据与18000 Nm3/h浓度为70%的富CO产品气燃烧数据见表5。表5中计算依据如下三个限定条件：1）假定两种燃气都在绝热条件下完全燃烧，并采用相同的燃烧炉；2）假定两种燃气均为干燃气，空气为干空气；3）高炉煤气和富CO产品气的各组分含量按照表2中的数据计算，氧气量近似为0。

表5 高炉煤气和PSA-CO产品气的燃烧过程计算

附注：Hi：燃气中某一可燃组分的低热值，kJ/Nm3，CO：12640 kJ/m3，H2：18790 kJ/m3，CH4：35880 kJ/m3；

ri：燃气中某一可燃组分的体积百分比；

xi：烟气中某一组分的体积百分比；

Vi：单位时间内干燃气完全燃烧后所产生的某一组分体积，Nm3/h；

ci，cg，ca：某组分气体，燃气，空气由0~tf ℃，0~tg℃，0~ta℃的平均体积定压热容，kJ/(Nm3·K)，数据可由表查得；

Tf，Tg，Ta：烟气，燃气，空气的绝对温度，K，分别为423K，313K，313K；

Q4：烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量，kJ/h，数据由表可查得。

从表5的燃烧过程计算结果可知，高炉煤气的热值3199 kJ/Nm3，理论燃烧温度仅为1315 ℃；富CO产品气的热值为8970 kJ/Nm3，理论燃烧温度达到了2095 ℃，满足了衡钢工业炉对燃料的要求，可以直接燃烧使用。

对比燃烧60000 Nm3/h的高炉煤气和18000 Nm3/h的富CO产品气产生的热量可以发现，由于提纯后CO的收率约为93%，且CH4和H2会有一部分损失，所以产品气燃烧产生的热量大约是高炉煤气的84%；对比燃烧两种气体烟气带出的热量可知，当排烟温度为150℃时燃烧富CO产品气的排烟损失率为16.3%，明显低于高炉煤气的排烟损失率27.5%（见图1），燃烧效率明显提高。

综合以上计算分析可知，富CO产品气比高炉煤具有更高的热值、理论燃烧温度和燃烧效率，因而具有更好的燃烧经济性。

图1 高炉煤气和PSA-CO产品其的烟气热量损失

3.3 效益分析

2013年底项目完工后，衡钢可把约60000 Nm3/h高炉煤气提纯得到的18000 Nm3/h 70%的CO产品气直接输送到加热炉使用。根据燃烧热量进行估算，可以得到PSA-CO产品气的天然气当量。根据PSA-CO产品气的总成本和衡钢地区天然气价格，可计算出该提纯装置的年创收额；结果如表6中所示。

表6 PSA-CO产品气的天然气当量及经济效益

由表6可以得到，PSA-CO产品气每小时可替代天然气约4537Nm3，年替代量达到3974×104 Nm3，相当于衡钢原来约1/3的天然气用量，这将在很大程度上缓解衡钢对天然气的紧张需求。根据实际开工情况，扣除装置的总成本后，该项目每年可为衡钢直接创收约2946万元。

4、展望

北大先锋开发的高炉煤气提纯（富化）技术，解决了一直困扰我国钢铁企业高炉煤气放散的难题，大幅减少了能源浪费，给企业创造了显著的经济效益。富化到70%左右的CO产品气可以作为高热值燃烧气体或还原性气体，减少煤、天然气或煤、焦的使用量；富化到98.5%以上的CO还可进一步用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等。此项技术非常适用于高炉气存在放散情况、且天然气、液化气等能源供应紧张的钢铁企业；尤其在钢铁市场竞争激烈、环境问题日益严重的今天，具有重要的社会效益和经济效益。

参考文献

1 耿云峰等，一种高炉炼铁方法：CN 101463398 A

2 耿云峰等，一种高炉气浓缩的工艺：CN102643681A

3 唐宏青，碳一化工新技术概论，北京：化学工业出版社，2009

4 周维汉等，衡钢高炉煤气利用现状分析及对策措施，全国能源与热工2010学术年会