高爐煤氣深度精處理助力鋼鐵企業節能減排
陳璐
（福建中琉環?？萍加邢薰荆?/span>
摘 要：高爐煤氣是長流程鋼鐵企業重要的二次能源，產量大、成分復雜，既有可用于燃燒、化工的CO、H2、CH4，也有性質穩定的CO2、N2，還有硫化物、H2O、HCl、粉塵等降低燃料品質、造成后端腐蝕的有害物質。對這些物質經行分類精處理，可以大大提高高爐煤氣利用效率。
關鍵詞：高爐煤氣；源頭治理；鋼化聯產
1 引言
高爐煤氣是長流程鋼鐵企業重要的二次能源：利用煤氣余壓余能進行高爐煤氣余壓透平發電（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品；高爐爐頂煤氣提純后作為還原性氣體用于高爐噴吹，實現低碳煉鐵。[1,2]
但因高爐煤氣中CO含量低，致使發熱量低、燃燒溫度低，燃燒效果較差，另外惰性氣體高、難作為化工原料實現規模生產，高爐煤氣雜質多、受高爐原料影響成分復雜，這些都影響了高爐煤氣品質。若將高爐煤氣進行深度處理，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、助理鋼鐵企業節能減排。本文對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帶來的節能減排效益。
2高爐煤氣成分及利用/處理措施
高爐煤氣的主要化學成分及含量如下：
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化學成分 |
體積分數/% |
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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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按利用價值分類如下：
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題，另一方面減少了外購電的比例，降低了企業的生產成本。
但目前鋼鐵企業的富余煤氣采取發電的方式并不能實現煤氣中有價成分的最大價值，煤氣燃燒發電的效率一般都低于40％，副產煤氣中寶貴的CO、H2用于燃燒熱值并不高，煤氣中的有價成分并未得到充分利用。將鋼鐵生產過程中副產的煤氣制成化工產品可以延長鋼鐵生產的產業鏈，增加鋼鐵企業抵御行業發展波動的能力，同時可大量減少氣體污染物排放。大力發展鋼化聯產還可以起到彌補中國油氣資源短缺，減少直接煤化工產量，利用兩個產業之間用煤方式的互補性構建鋼鐵－化工生態產業，從而減少中國總煤炭消耗量的作用。[4]
②惰性氣體：CO2、N2，這兩種氣體性質較為穩定、無毒無害，但其中的二氧化碳是導致溫室效應的主要氣體，目前尚未實現大規模收集處理。若對鋼鐵高爐煤氣進行碳捕集，一方面可以降低鋼鐵行業碳排放，另一方面，高爐煤氣經過碳捕集后CO、H2等可燃組分增加，產生高附加值的煤氣，經碳捕集后的高爐煤氣可以重新注入高爐進行煉鐵，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鋼鐵行業低碳發展進程中將發揮至關重要的作用。
目前，可應用于鋼鐵高爐煤氣碳捕集技術包括化學吸收法、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實驗主要采用化學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和應用，物理吸附法和膜分離法逐漸受到廣泛的重視。這兩種工藝被認為是傳統化學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硫和無機硫2大類，有機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；無機硫主要成分有硫化氫(H2S) [6]。由于現階段大部分高爐煤氣最后都是通過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。近年來隨著環保要求的日益嚴格，2019年生態環保部等五部委聯合發布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(以下簡稱《意見》)，《意見》中對鋼鐵生產各個環節的二氧化硫排放質量濃度做了更加嚴苛的要求，同時也提出高爐煤氣應實施前端源頭治理。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帶來如下收益：
①可以代替分散的末端煙氣脫硫、降低管理難度和運營成本；
②每1Nm3高爐煤氣燃燒后產生1.7Nm3煙氣，同時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，配套用戶煙氣側的節能改造，用戶端利用效率可以提高4%，節能潛力巨大；
④某些煤氣用戶側沒有煙氣排放口，污染物排放難以監測、也難以集中處理，在前端煤氣脫硫可以實現這些煙氣的排放達標。
水本身是無害的，但在高爐煤氣中，當高爐煤氣溫度低于露點溫度時，高爐煤氣中大量的 Cl離子溶于煤氣冷凝水造成酸露點腐蝕。此外，水分存在還會降低煤氣熱值，同時煤氣燃燒過程中，水分會消耗大量的氣化潛熱與顯熱，過多的水分會造成燃燒器熄火。降低高爐煤氣含水量，使其露點溫度低于大氣常溫，可有效解決管道腐蝕問題，同時提高煤氣熱值，提高熱風爐風溫等，產生一系列的節能降耗作用，有研究表明，其脫濕能力在50%，可提高高爐鼓風溫度 40~80 ℃，降低高爐焦比約 10 kg/tFe，按焦炭3000元一噸計算，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 離子含量的常見方法包括濕法噴淋、干法吸附，濕法堿液噴淋脫氯會增加煤氣中的水分、同時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，工藝較為成熟，現在多數排放要求5mg/m3，以遠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利用價值，對高爐煤氣中粉塵排放控制要更為精準。
3總結
高爐煤氣產量大、成分復雜，同時也是現有鋼鐵工藝中重要的燃料，也是未來與化工產業實現鋼化聯產的關鍵工質，對高爐煤氣進行精處理，去除其中的有害物質，可為實現高爐煤氣的高價值應用提供良好基礎。
參考文獻
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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可行性研究[J].冶金動力,2014(10):17-20.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2014.10.008.
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[5] 李颯. 膜分離-變壓吸附協同捕集高爐煤氣CO_2技術經濟性分析[D].華北電力大學(北京),2021.DOI:10.27140/d.cnki.ghbbu.2021.001176.
[6] 郭玉華.高爐煤氣凈化提質利用技術現狀及未來發展趨勢[J].鋼鐵研究學報,2020,32(07):525-531.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20190274.
[7] 施萬玲,吳炳成,夏朝暉.熱風爐煙氣使高爐煤氣脫濕的研究[J].冶金動力,2018(04):21-23.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2018.04.007.