變壓吸附濃縮高爐煤氣的經濟性分析

陳 莎   萬 博   伍 科

（北京北大先鋒科技有限公司  北京  100080）

摘  要： 目前高爐煤氣由于熱值和燃燒效率低而導致大量放散，本文提出采用變壓吸附技術濃縮高爐煤氣可以提高其熱值和燃燒效率，并進行了燃燒效率和工程及技術經濟性分析，認為高爐煤氣濃縮是鋼鐵行業利用高爐煤氣最有效節能的方式，具有廣闊應用前景。

關鍵詞： 高爐煤氣  變壓吸附 經濟性

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

高爐煤氣（Blast Furnace Gas，BFG）是高爐煉鐵過程中的副產品，其排放量在鋼鐵企業的副產煤氣中所占比重最高。它的主要成分包括N₂、CO、CO₂、H₂、CH₄等，具體組成如表1中所示。由于高爐煤氣的熱值一般僅有3000~3800 kJ/Nm³左右，不能滿足工業爐理論燃燒溫度對熱值的要求。大部分鋼鐵廠高爐煤氣富余，存在不同程度的放散現象，造成了環境的污染和能源的浪費。

近年來，由于國家對鋼鐵企業節能減排技術的重視，企業中高爐氣的放散有所減少。高爐煤氣的利用方式以燃燒為主，主要用途有：1）直接使用在高爐熱風爐；2）直接使用在復熱式煉焦爐；3）與高熱值氣體混合用在加熱爐、均熱爐等；4）采用蓄熱式燃燒技術用于軋鋼加熱爐；5）純燒高爐煤氣的鍋爐發電；6）高爐煤氣作為主要燃料的燃氣輪機、蒸汽輪機聯合循環發電(CCPP)。

表1 常見高爐氣的主要組成

若能將高爐煤氣中的有效組分CO提濃后加以利用，不僅能大大降低放散率，而且可以節省燃料費用，甚至提供化工產品的生產原料。將CO提濃至65%~70%，燃燒值可達8200~9000 kJ/Nm³，產品氣能夠作為高熱值燃料直接燃燒^[1]，或者作為高爐噴吹的還原氣體^[2]。將CO提濃至98.5%以上，高純的CO產品氣可進一步用于生產高附加值的化工產品^[3]。

2、變壓吸附提純衡鋼高爐煤氣

衡陽華菱鋼管有限公司（以下簡稱“衡鋼”）是具備年生產100萬噸鐵、120萬噸鋼、150萬噸管的生產能力專業化無縫鋼管生產企業。高爐煤氣年產量約為21×10⁸ m³，主要用于熱風爐（約35%）、燒結爐（約2%）、與天然氣混合用于軋鋼加熱爐（約38%），剩余部分大都放散掉；高爐煤氣的放散率最高可達29%，最低也只能降至23%左右^[4]。為了滿足高熱值燃料的需求，衡鋼需外購天然氣，與高爐煤氣摻燒，以提高高爐煤氣的熱值，供軋鋼加熱爐使用。這就造成了衡鋼對高熱值燃氣大量需求與低熱值煤氣得不到有效利用的嚴重矛盾。將高爐煤氣提純得到高熱值燃氣，成為衡鋼節能增效的明智選擇。

2012年，北大先鋒與華菱衡鋼達成設計建設高爐煤氣提純CO裝置的合作協議，目前裝置已經順利投產，運行穩定，各項指標優異，平均原料氣消耗量達到60000 Nm³/h，平均產品氣量為18000 Nm³/h，CO收率在93%左右。產品氣中CO的濃度可根據需要在60%~70%范圍內調節，產品氣完全滿足衡鋼下游用戶的熱值需求，節能增收效果顯著。裝置的平均氣體組分和氣量如表2中所示。

表2 平均氣體組分及氣量

3、經濟效益分析

3.1成本核算

采用PSA-CO裝置提純高爐煤氣的成本是用戶關注的首要問題。PSA-CO產品氣成本包含固定成本與可變成本。按照高爐煤氣原料氣價格為每立方米0.04元、產品氣氣量18000 Nm³/h、裝置設計運行期為10年、年開工率為94%進行計算，PSA-CO產品氣固定成本計算結果列于表3，可變成本見表4，產品氣綜合成本合計約為0.5225元/Nm³。如果不計高爐煤氣原料氣成本，PSA-CO產品氣的總成本為0.3921元/Nm³。

表3 單位立方米產品氣固定成本核算

表4 單位立方米產品氣能耗與運行成本

3.2 燃燒經濟性分析

由于高爐煤氣和提濃后的產品氣均作為燃料燃燒，對它們進行燃燒經濟性分析是十分必要的。CO濃度為22.4%的60000 Nm³/h的高爐煤氣的燃燒數據與18000 Nm³/h濃度為70%的富CO產品氣燃燒數據見表5。表5中計算依據如下三個限定條件：1）假定兩種燃氣都在絕熱條件下完全燃燒，并采用相同的燃燒爐；2）假定兩種燃氣均為干燃氣，空氣為干空氣；3）高爐煤氣和富CO產品氣的各組分含量按照表2中的數據計算，氧氣量近似為0。

表5 高爐煤氣和PSA-CO產品氣的燃燒過程計算

附注：H_i：燃氣中某一可燃組分的低熱值，kJ/Nm³，CO：12640 kJ/m³，H₂：18790 kJ/m³，CH₄：35880 kJ/m³；

r_i：燃氣中某一可燃組分的體積百分比；

x_i：煙氣中某一組分的體積百分比；

V_i：單位時間內干燃氣完全燃燒后所產生的某一組分體積，Nm³/h；

c_i，c_g，c_a：某組分氣體，燃氣，空氣由0~t_f ℃，0~t_g℃，0~t_a℃的平均體積定壓熱容，kJ/(Nm³·K)，數據可由表查得；

T_f，T_g，T_a：煙氣，燃氣，空氣的絕對溫度，K，分別為423K，313K，313K；

Q₄：煙氣中的CO₂和H₂O在高溫下分解所消耗的熱量，kJ/h，數據由表可查得。

從表5的燃燒過程計算結果可知，高爐煤氣的熱值3199 kJ/Nm³，理論燃燒溫度僅為1315 ℃；富CO產品氣的熱值為8970 kJ/Nm³，理論燃燒溫度達到了2095 ℃，滿足了衡鋼工業爐對燃料的要求，可以直接燃燒使用。

對比燃燒60000 Nm³/h的高爐煤氣和18000 Nm³/h的富CO產品氣產生的熱量可以發現，由于提純后CO的收率約為93%，且CH₄和H₂會有一部分損失，所以產品氣燃燒產生的熱量大約是高爐煤氣的84%；對比燃燒兩種氣體煙氣帶出的熱量可知，當排煙溫度為150℃時燃燒富CO產品氣的排煙損失率為16.3%，明顯低于高爐煤氣的排煙損失率27.5%（見圖1），燃燒效率明顯提高。

綜合以上計算分析可知，富CO產品氣比高爐煤具有更高的熱值、理論燃燒溫度和燃燒效率，因而具有更好的燃燒經濟性。

圖1 高爐煤氣和PSA-CO產品其的煙氣熱量損失

3.3 效益分析

2013年底項目完工后，衡鋼可把約60000 Nm³/h高爐煤氣提純得到的18000 Nm³/h 70%的CO產品氣直接輸送到加熱爐使用。根據燃燒熱量進行估算，可以得到PSA-CO產品氣的天然氣當量。根據PSA-CO產品氣的總成本和衡鋼地區天然氣價格，可計算出該提純裝置的年創收額；結果如表6中所示。

表6 PSA-CO產品氣的天然氣當量及經濟效益

由表6可以得到，PSA-CO產品氣每小時可替代天然氣約4537Nm³，年替代量達到3974×10⁴ Nm³，相當于衡鋼原來約1/3的天然氣用量，這將在很大程度上緩解衡鋼對天然氣的緊張需求。根據實際開工情況，扣除裝置的總成本后，該項目每年可為衡鋼直接創收約2946萬元。

4、展望

北大先鋒開發的高爐煤氣提純（富化）技術，解決了一直困擾我國鋼鐵企業高爐煤氣放散的難題，大幅減少了能源浪費，給企業創造了顯著的經濟效益。富化到70%左右的CO產品氣可以作為高熱值燃燒氣體或還原性氣體，減少煤、天然氣或煤、焦的使用量；富化到98.5%以上的CO還可進一步用于化工生產，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等。此項技術非常適用于高爐氣存在放散情況、且天然氣、液化氣等能源供應緊張的鋼鐵企業；尤其在鋼鐵市場競爭激烈、環境問題日益嚴重的今天，具有重要的社會效益和經濟效益。

 

參考文獻

1 耿云峰等，一種高爐煉鐵方法：CN 101463398 A

2 耿云峰等，一種高爐氣濃縮的工藝：CN102643681A

3 唐宏青，碳一化工新技術概論，北京：化學工業出版社，2009

4 周維漢等，衡鋼高爐煤氣利用現狀分析及對策措施，全國能源與熱工2010學術年會