摘 要：高爐煤氣由于熱值和燃燒效率低而被大量放散，采用Cu系吸附劑變壓吸附工藝提純高爐煤氣中的CO，提高其熱值和燃燒效率，用于下游生產，對于節能降耗和保護環境有著非常重要的意義。
前言
我國是鋼鐵生產大國，近年來生鐵產量呈逐年上升趨勢。目前, 鋼鐵工業總能耗已占全國工業總能耗的15%左右, 而鋼鐵企業生產過程中的能源有效率僅為30%左右。在鋼鐵聯合企業，高爐煉鐵又是能耗最高的環節。鋼鐵工業的節能主要包括減少浪費和增加回收兩個方面，其中大力回收生產過程中產生的二次能源（例如副產煤氣等）是一個非常重要的途徑。鋼鐵生產過程中的副產煤氣資源包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣。其中高爐煤氣排放量約占64%, 焦爐煤氣約占29 % , 轉爐煤氣約占7%, 因此高爐煤氣的有效利用是鋼廠節能降耗的重中之重。
高爐煤氣是高爐煉鐵過程中的副產煤氣，是一種無色、無味、有毒的低熱值氣體燃料。主要成分為CO、CO2、N2 、H2O及少量H2，各成分的含量與高爐所用燃料、生鐵品種和冶煉工藝密切相關，其常見的組成如表1所示。
其中最具有二次利用價值的CO含量僅為25%~30%，而惰性組分CO2和N2約占70%，使得高爐煤氣的熱值很低，一般僅為730~800×4.18 KJ/Nm3左右，而燃料熱值只有達到2200×4.18KJ／Nm3左右，才能滿足工業爐理論燃燒溫度的要求。
目前，高爐煤氣的利用并不充分，大部分冶金工廠高熱值煤氣緊缺，而高爐煤氣富余，存在不同程度的高爐煤氣放散現象，達不到煤氣的有效利用。很多鋼鐵聯合企業一方面在放散高爐煤氣，一方面又要購入重油、天然氣或者燒自產焦油等作為能源補充。高爐自身熱風爐會用掉40 %～50 % 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中，將會造成環境的污染和能源的浪費。國家計委、經貿委、科委頒發的《中國節能技術大綱》中要求, 冶金重點企業高爐煤氣排放損失率應為4 %以下。
目前，在冶金聯合企業生產中, 高爐煤氣可以用于熱風爐、煉焦、加熱爐和發電等，具體利用途徑如下：一是高爐煤氣用于軋鋼加熱爐，采用蓄熱式燃燒技術。應用高溫空氣燃燒技術, 將高爐煤氣與助燃空氣雙預熱到1000 ℃ 以上, 使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達到2200 ℃ 以上，熱效率高于常規加熱爐約30%。蓄熱式燃燒爐難以控制供氣、爐壓穩定和燃燒穩定，改造時間長、維護成本高。二是高爐煤氣與高熱值氣體燃料混合，配成滿足加熱爐使用要求的次高熱燃料。可與焦爐煤氣、天然氣、液化石油氣等混合, 作為均熱爐、加熱爐、熱處理爐等爐子的燃料, 并可用于燒結機點火、加熱熱軋的鋼錠、預熱鋼水包等。三是高爐煤氣用于燒鍋爐，滿足工廠用蒸汽的同時再發電。高爐煤氣蒸汽聯合循環發電(簡稱CCPP)效率高, 成本低, 但建設投資巨大；供應給其他企業則不夠經濟。四是單獨預熱高爐煤氣，提高軋鋼的入爐溫度。
北大先鋒于2012年為華菱衡鋼設計建成PSA高爐煤氣提濃CO裝置，采用變壓吸附技術，利用Cu系吸附劑從高爐煤氣中分離提純CO。變壓吸附法具有投資少、操作彈性大、自動化程度高、操作簡單等優點，而Cu系吸附劑相比常規變壓吸附使用的5A分子篩，對于CO和N2有更大的分離系數，尤其適合從氮氣含量高的高爐煤氣中將CO提純出來。
采用Cu系吸附劑變壓吸附法提純高爐煤氣中CO工藝
本文以投產的湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司高爐煤氣變壓吸附提純CO裝置為例，介紹了采用北大先鋒變壓吸附技術分離CO的應用情況。裝置設計收率92%，CO產品氣濃度根據用戶需要在60%~70%范圍內可調，產品氣作為燃料用于鋼管加工。設計流程圖、原料氣組成及產品氣要求如圖1、表2、表3所示。
工藝流程
由于高爐煤氣中含有微量的COS、O2等雜質，而且含量不穩定，本工藝設計了預處理工序。該工序采用脫硫和除氧工藝，脫硫塔和除氧塔中裝填北大先鋒科技有限公司專有的脫硫劑和除氧劑，使高爐煤氣中的總硫在進入變壓吸附工序之前被脫除至1ppm以下， O2被脫除至5ppm以下。
脫硫工藝采用干法脫硫，主要包括常溫水解、粗脫硫、精脫硫三個步驟。在水解步驟中，大部分的COS被水解成H2S，水解率大于95%；水解后的氣體經過粗脫硫后，絕大部分H2S被脫硫劑吸附；剩余的COS和H2S經過精脫硫吸收后，總硫脫除至1ppm以下。除氧工藝采用北大先鋒自主研制開發的PU-5除氧劑，在CO氛圍下，催化微量O2和CO進行反應，將O2脫除至5ppm以下。
PSA-CO工序采用變壓吸附分離工藝，經過預處理后的潔凈氣體在PSA-CO工序中經過吸附、均壓降壓、順放、抽真空、均壓升壓、終充壓循環過程分離提純CO。CO作為產品氣常壓析出，經過壓縮機壓縮到用戶要求壓力，外送至用戶使用處。PSA-CO工序采用了北大先鋒開發的分離CO高效吸附劑，在未使用置換步驟的前提下，不但滿足CO產品的高純度要求，同時節省了一次性投資和運行費用，流程相對簡化，操作變得簡單易控。
裝置實際運行結果分析
該高爐煤氣提純CO裝置從2013年6月8日一次性開車成功后一直運行穩定，而且在高爐生產波動較大時也能滿足各種工況下的使用要求。實際運行72小時測得平均產品氣規格（氣相色譜外標法）如下。
實際運行中，高爐煤氣中的COS濃度經常發生變化，在50ppm~120ppm之間波動，預處理工序可通過溫度的適當調整能完全脫除COS。
高爐煤氣中CO含量的設計值為24%，但實際運行過程中只有18%~22%，在這種濃度范圍內，CO產品氣中的CO含量還能達到設計要求。當原料氣中CO濃度>20%時，產品氣中CO濃度>72%。
平均高爐煤氣消耗量60000Nm3/h，CO產品氣量18000Nm3/h，收率在93%左右，產品純度可根據需要在60%~70%范圍內調節，完全滿足衡鋼下游工段的熱值需求，節能效果顯著。按照產品氣與天然氣的熱值計算，CO產品氣每小時可代替天然氣4537m3，年代替量達到3974×104m3，相當于衡鋼原來約1/3的天然氣用量，很大程度上緩解了衡鋼用氣緊張的局面。
總結
高爐煤氣中含有豐富的CO氣體，具有很高的利用價值。利用北大先鋒的Cu系吸附劑變壓吸附工藝分離提純高爐煤氣中CO氣體，將高爐氣中CO組分含量從22%（熱值731Kcal/Nm3）提純到70%（熱值2200Kcal/Nm3），作為燃料氣用于鋼管加工，在節能降耗方面有著重要意義。另外，利用該項技術還能將高爐煤氣中的CO提濃至98.5%以上，從而用于化工生產，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，這不但實現了鋼鐵和化工兩個行業的資源整合，具有良好的經濟效益，還有助于降低鋼鐵和化工企業整體的一次能源使用量，從而降低二氧化碳排放量，促進產業耦合，推動行業實現綠色、低碳、可持續發展。
作者：顧光臨
