高炉煤气深度精处理助力钢铁企业节能减排

陈璐

（福建中琉环保科技有限公司）

摘  要：高炉煤气是长流程钢铁企业重要的二次能源，产量大、成分复杂，既有可用于燃烧、化工的CO、H₂、CH₄，也有性质稳定的CO₂、N₂，还有硫化物、H₂O、HCl、粉尘等降低燃料品质、造成后端腐蚀的有害物质。对这些物质经行分类精处理，可以大大提高高炉煤气利用效率。

关键词：高炉煤气；源头治理；钢化联产

1  引言

高炉煤气是长流程钢铁企业重要的二次能源：利用煤气余压余能进行高炉煤气余压透平发电（TRT 或 BPRT）；采取高炉煤气富化措施，高炉煤气可作为燃料使用；将高炉煤气提纯可替代天然气用于轧钢退火炉，或采用高纯高炉煤气作为羧基合成原料合成化工产品；高炉炉顶煤气提纯后作为还原性气体用于高炉喷吹，实现低碳炼铁。^[1,2]

但因高炉煤气中CO含量低，致使发热量低、燃烧温度低，燃烧效果较差，另外惰性气体高、难作为化工原料实现规模生产，高炉煤气杂质多、受高炉原料影响成分复杂，这些都影响了高炉煤气品质。若将高炉煤气进行深度处理，提高煤气热值、减少其中的惰性气体、有害成分，将大大提高高炉煤气的利用效率、助理钢铁企业节能减排。本文对分析高炉煤气中的各种成分，并探讨深度精处理后为钢铁企业带来的节能减排效益。

2高炉煤气成分及利用/处理措施

高炉煤气的主要化学成分及含量如下：

按利用价值分类如下：

①可燃组分：CO、H₂、CH₄、O₂，这些组分都可以参与燃烧，作为燃料燃烧也是现阶段高炉煤气利用的主要途径，一方面解决了富余煤气放散的问题，另一方面减少了外购电的比例，降低了企业的生产成本。

但目前钢铁企业的富余煤气采取发电的方式并不能实现煤气中有价成分的最大价值，煤气燃烧发电的效率一般都低于40％，副产煤气中宝贵的CO、H₂用于燃烧热值并不高，煤气中的有价成分并未得到充分利用。将钢铁生产过程中副产的煤气制成化工产品可以延长钢铁生产的产业链，增加钢铁企业抵御行业发展波动的能力，同时可大量减少气体污染物排放。大力发展钢化联产还可以起到弥补中国油气资源短缺，减少直接煤化工产量，利用两个产业之间用煤方式的互补性构建钢铁－化工生态产业，从而减少中国总煤炭消耗量的作用。^[4]

②惰性气体：CO₂、N₂，这两种气体性质较为稳定、无毒无害，但其中的二氧化碳是导致温室效应的主要气体，目前尚未实现大规模收集处理。若对钢铁高炉煤气进行碳捕集，一方面可以降低钢铁行业碳排放，另一方面，高炉煤气经过碳捕集后CO、H₂等可燃组分增加，产生高附加值的煤气，经碳捕集后的高炉煤气可以重新注入高炉进行炼铁，还可与氢气合成高附加值的化工原料，高炉煤气碳捕集在未来钢铁行业低碳发展进程中将发挥至关重要的作用。

目前，可应用于钢铁高炉煤气碳捕集技术包括化学吸收法、低温深冷法、物理吸附法和膜分离法等。早期的高炉煤气碳捕集技术实验主要采用化学吸收法和低温深冷法，但是能耗和成本较高。随着新型 CO₂分离膜材料和吸附剂的研发和应用，物理吸附法和膜分离法逐渐受到广泛的重视。这两种工艺被认为是传统化学吸收法和低温深冷法的替代品，且它们可以集成到膜分离－吸附协同工艺中。^[5]

③有害成分：硫化物、H₂O、HCl、粉尘等。

高炉煤气中的硫化物包括有机硫和无机硫2大类，有机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；无机硫主要成分有硫化氢(H2S) [6]。由于现阶段大部分高炉煤气最后都是通过各种方式的燃烧利用，因此煤气中的硫最终都是以二氧化硫或三氧化硫的方式排放到大气中。近年来随着环保要求的日益严格，2019年生态环保部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(以下简称《意见》)，《意见》中对钢铁生产各个环节的二氧化硫排放质量浓度做了更加严苛的要求，同时也提出高炉煤气应实施前端源头治理。高炉煤气精脱硫主要包括干法吸附、湿法水解脱硫等工艺。高炉煤气脱硫后可为钢铁企业带来如下收益：

①可以代替分散的末端烟气脱硫、降低管理难度和运营成本；

②每1Nm³高炉煤气燃烧后产生1.7Nm³烟气，同时考虑烟气温度普遍高于煤气温度，高炉煤气脱硫处理工况体积不足烟气处理的一半，运行成本低；

③烟气温度因考虑烟气低温腐蚀通常需要在150℃以上，高炉煤气脱硫后，因烟气中不存在二氧化硫、也就不存在低温腐蚀，排烟温度可以降低至70℃，锅炉排烟温度每降低20℃，锅炉效率可以提高1%，高炉煤气脱硫后，配套用户烟气侧的节能改造，用户端利用效率可以提高4%，节能潜力巨大；

④某些煤气用户侧没有烟气排放口，污染物排放难以监测、也难以集中处理，在前端煤气脱硫可以实现这些烟气的排放达标。

水本身是无害的，但在高炉煤气中，当高炉煤气温度低于露点温度时，高炉煤气中大量的 Cl离子溶于煤气冷凝水造成酸露点腐蚀。此外，水分存在还会降低煤气热值，同时煤气燃烧过程中，水分会消耗大量的气化潜热与显热，过多的水分会造成燃烧器熄火。降低高炉煤气含水量，使其露点温度低于大气常温，可有效解决管道腐蚀问题，同时提高煤气热值，提高热风炉风温等，产生一系列的节能降耗作用，有研究表明，其脱湿能力在50%，可提高高炉鼓风温度 40~80 ℃，降低高炉焦比约 10 kg/tFe，按焦炭3000元一吨计算，吨铁成本可降低30元^[7]。降低煤气水分的方法包括干法吸附、冷凝脱湿等；降低Cl 离子含量的常见方法包括湿法喷淋、干法吸附，湿法碱液喷淋脱氯会增加煤气中的水分、同时也可能增加煤气中的碱性粉尘含量，干法吸附通常采用化学吸附剂，难以再生，成本较高。

粉尘是高炉煤气各成分中最早处理的杂质，工艺较为成熟，现在多数排放要求5mg/m³，以远低于高炉出口的烟气排放浓度，但若要提高高炉煤气中CO、H₂利用价值，对高炉煤气中粉尘排放控制要更为精准。

3总结

高炉煤气产量大、成分复杂，同时也是现有钢铁工艺中重要的燃料，也是未来与化工产业实现钢化联产的关键工质，对高炉煤气进行精处理，去除其中的有害物质，可为实现高炉煤气的高价值应用提供良好基础。

参考文献

 [1]  张波,薛庆斌,牛得草,罗思红,刘彦祥.高炉煤气利用现状及节能减排新技术[J].炼铁,2018,37(02):51-55.

[2]  刘文权,吴记全. 高炉煤气高效、高值和创新利用技术[C]//第十二届中国钢铁年会论文集——1.炼铁与原料.,2019:582-586.DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.058818.

[3]  贾彩清,胡堃,马作仿.新型高炉煤气干法除酸技术可行性研究[J].冶金动力,2014(10):17-20.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2014.10.008.

[4]  郭玉华,周继程.中国钢化联产发展现状与前景展望[J].中国冶金,2020,30(07):5-10.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20190617.

[5]  李飒. 膜分离-变压吸附协同捕集高炉煤气CO_2技术经济性分析[D].华北电力大学(北京),2021.DOI:10.27140/d.cnki.ghbbu.2021.001176.

[6]  郭玉华.高炉煤气净化提质利用技术现状及未来发展趋势[J].钢铁研究学报,2020,32(07):525-531.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20190274.

[7]  施万玲,吴炳成,夏朝晖.热风炉烟气使高炉煤气脱湿的研究[J].冶金动力,2018(04):21-23.DOI:10.13589/j.cnki.yjdl.2018.04.007.