摘  要：高炉煤气由于热值和燃烧效率低而被大量放散，采用Cu系吸附剂变压吸附工艺提纯高炉煤气中的CO，提高其热值和燃烧效率，用于下游生产，对于节能降耗和保护环境有着非常重要的意义。

关键词：高炉煤气  铜吸附剂  热值

前言

我国是钢铁生产大国，近年来生铁产量呈逐年上升趋势。目前, 钢铁工业总能耗已占全国工业总能耗的15%左右, 而钢铁企业生产过程中的能源有效率仅为30%左右。在钢铁联合企业，高炉炼铁又是能耗最高的环节。钢铁工业的节能主要包括减少浪费和增加回收两个方面，其中大力回收生产过程中产生的二次能源（例如副产煤气等）是一个非常重要的途径。钢铁生产过程中的副产煤气资源包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。其中高炉煤气排放量约占64 %, 焦炉气约占29 % , 转炉气约占7 %, 因此高炉煤气的有效利用是钢厂节能降耗的重中之重。

高炉煤气是高炉炼铁过程中的副产煤气，是一种无色、无味、有毒的低热值气体燃料。主要成分为CO、CO2、N2 、H2O、及少量H2，各成分的含量与高炉所用燃料、生铁品种和冶炼工艺密切相关，其常见的组成如表1所示。

表1 常见高炉气的组成

其中最具有二次利用价值的CO含量仅为25-30%，而惰性组分CO2和N2约占70%，使得高炉煤气的热值很低，一般仅为730-800×4.18 KJ/Nm3左右，而燃料热值只有达到2200×4.18KJ／Nm3左右，才能满足工业炉理论燃烧温度的要求。

目前，高炉煤气的利用并不充分，大部分冶金工厂高热值煤气紧缺，而高炉煤气富余，存在不同程度的高炉煤气放散现象，达不到煤气111的有效利用。很多钢铁联合企业一方面在放散高炉煤气，一方面又要购入重油、天然气或者烧自产焦油等作为能源补充。高炉自身热风炉会用掉40 %～50% 的高炉煤气, 其余大部分如果放散到大气中，将会造成环境的污染和能源的浪费。国家计委、经贸委、科委颁发的《中国节能技术大纲》中要求, 冶金重点企业高炉煤气排放损失率应为4 %以下。

目前，在冶金联合企业生产中, 高炉煤气可以用于热风炉、炼焦、加热炉和发电等，具体利用途径如下：

1）高炉煤气用于轧钢加热炉，采用蓄热式燃烧技术。应用高温空气燃烧技术，将高炉煤气与助燃空气双预热到1000 ℃ 以上，使单一高炉煤气的理论燃烧温度达到2200 ℃ 以上，热效率高于常规加热炉约30%。蓄热式燃烧炉难以控制供气、炉压稳定和燃烧稳定，改造时间长、维护成本高。

2）高炉煤气与高热值气体燃料混合，配成满足加热炉使用要求的次高热燃料。可与焦炉煤气、天然气、液化石油气等混合, 作为均热炉、加热炉、热处理炉等炉子的燃料, 并可用于烧结机点火、加热热轧的钢锭、预热钢水包等。

3）高炉煤气用于烧锅炉，满足工厂用蒸汽的同时再发电。高炉煤气蒸汽联合循环发电(简称CCPP)效率高, 成本低, 但建设投资巨大；供应给其它企业则不够经济。

4）单独预热高炉煤气，提高轧钢的入炉温度。

银河集团:198net于2012年为华菱衡钢设计建成PSA高炉煤气提浓CO装置，采用变压吸附技术，利用Cu系吸附剂从高炉煤气中分离提纯CO。变压吸附法具有投资少、操作弹性大、自动化程度高、操作简单等优点，而Cu系吸附剂相比常规变压吸附使用的5A分子筛，对于CO和N2有更大的分离系数，尤其适合从氮气含量高的高炉煤气中将CO提纯出来。

1 采用Cu系吸附剂变压吸附法提纯高炉煤气中CO工艺

本文以投产的湖南衡钢百达银河集团:198net能源科技有限公司高炉煤气变压吸附提纯CO装置为例，介绍了采用银河集团:198net变压吸附技术分离CO的应用情况。装置设计收率92%，CO产品气浓度根据用户需要在60%~70%范围内可调，产品气作为燃料用于钢管加工。设计流程图、原料气组成及产品气要求如图1、表2、表3所示。

图 1 工艺流程框图

表2 原料气组成

表3 产品气要求

2 工艺流程

由于高炉煤气中含有微量的COS、O2等杂质，而且含量不稳定，本工艺设计了预处理工序。该工序采用脱硫和除氧工艺，脱硫塔和除氧塔中装填银河集团:198net科技有限公司专有的脱硫剂和除氧剂，使高炉煤气中的总硫在进入变压吸附工序之前被脱除至1ppm以下， O2被脱除至5ppm以下。

脱硫工艺采用干法脱硫，主要包括常温水解、粗脱硫、精脱硫三个步骤。在水解步骤中，大部分的COS被水解成H2S，水解率大于95%；水解后的气体经过粗脱硫后，绝大部分H2S被脱硫剂吸附；剩余的COS和H2S经过精脱硫吸收后，总硫脱除至1ppm以下。除氧工艺采用银河集团:198net自主研制开发的PU-5除氧剂，在CO氛围下，催化微量O2和CO进行反应，将O2脱除至5ppm以下。

PSA-CO工序采用变压吸附分离工艺，经过预处理后的洁净气体在PSA-CO工序中经过吸附、均压降压、顺放、抽真空、均压升压、终充压循环过程分离提纯CO。CO作为产品气常压析出，经过压缩机压缩到用户要求压力，外送至用户使用处。PSA-CO工序采用了银河集团:198net开发的分离CO高效吸附剂，在未使用置换步骤的前提下，不但满足CO产品的高纯度要求，同时节省了一次性投资和运行费用，流程相对简化，操作变得简单易控。

3 装置实际运行结果分析

该高炉煤气提纯CO装置从2013年6月8日一次性开车成功后一直运行稳定，而且在高炉生产波动较大时也能满足各种工况下的使用要求。实际运行72小时测得平均产品气规格（气相色谱外标法）如下。

表4 产品气组分

实际运行中，高炉煤气中的COS浓度经常发生变化，在50~120ppm之间波动，预处理工序可通过温度的适当调整能完全脱除COS。

高炉煤气中CO含量的设计值为24%，但是实际运行过程中只有18~22%，在这种浓度范围内，CO产品气中的CO含量还能达到设计要求。当原料气中CO浓度>20%时，产品气中CO浓度>72%。

平均高炉煤气消耗量60000Nm3/h，CO产品气量18000Nm3/h，，收率在93%左右，产品纯度可根据需要在60%~70%范围内调节，完全满足衡钢下游工段的热值需求，节能效果显著。按照产品气与天然气的热值计算，CO产品气每小时可代替天然气4537m3，年代替量达到3974*104m3，相当于衡钢原来约1/3的天然气用量，很大程度上缓解了衡钢用气紧张的局面。

4 总结

高炉煤气中含有丰富的CO气体，具有很高的利用价值。利用银河集团:198net的Cu系吸附剂变压吸附工艺分离提纯高炉煤气中CO气体，将高炉气中CO组分含量从22%（热值731Kcal/Nm3）提纯到70%（热值2200Kcal/Nm3），作为燃料气用于钢管加工，在节能降耗方面有着重要意义。另外，利用该项技术还能将高炉煤气中的CO提浓至98.5%以上，从而用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，这不但实现了钢铁和化工两个行业的资源整合，具有良好的经济效益，还有助于降低钢铁和化工企业整体的一次能源使用量，从而降低二氧化碳排放量，促进产业耦合，推动行业实现绿色、低碳、可持续发展。