钢厂煤气资源化利用技术进展

2020-05-15李京社

冶金经济与管理 2020年1期

□ 李京社郭皓

我国是世界钢铁生产的超级大国，生铁和粗钢产量已连续多年位居世界第一，目前生铁和粗钢产量占世界总产量的50%以上。近年来，我国钢铁行业遇到了发展瓶颈，出现了钢铁产能过剩、利润率降低、资源能源短缺、环境污染严重等问题。因此，我国钢铁企业升级节能减排技术、优化调整产品结构、提高综合经济效益、实施业务多元转型的需要已迫在眉睫[1]。以高炉、转炉和焦炉煤气为代表的钢厂煤气是钢铁企业重要的二次能源，约占钢铁生产总能量的1/3，同时也是钢铁企业主要气态污染物的排放源头，钢厂煤气的资源化利用对于钢铁企业的发展具有重要意义。

一、钢厂煤气利用发展的过程和问题

钢铁企业在生产过程中消耗大量的煤炭等化石燃料，同时也产生大量的副产煤气，副产的钢厂煤气除一部分自用外，其余均为过剩。随着钢铁工业几十年的发展，这部分过剩的钢厂煤气也经历了无序放散、TRT（高炉煤气余压透平发电装置）、锅炉余热发电、双超（超高压超高温）、CCPP（燃气蒸汽联合循环发电机组）发电的历史阶段，这是从资源浪费到物有所用的过程。

第一阶段（1949—1978年），1949年建国后我国重建了鞍钢，并新建了武钢和包钢等联合钢厂，钢铁产量总计只有几十万吨，炼钢主流采用平炉炼钢技术，直到1978年我国的钢铁产量突破了3 000万吨，在此期间钢厂副产煤气基本处于放散状态，极少得到利用。

第二阶段（1978—2000年），1978年后，转炉炼钢逐渐取代了平炉炼钢，高炉的利用系数也不断提高，1996年中国钢铁行业粗钢产量首次突破1亿吨大关[2]，这22年间，以首钢1983年TRT发电机组投产为标志[3]，钢厂煤气发电也逐渐开始发展。

第三阶段（2000—2013年），2000年以后，我国钢铁工业进入了加速发展阶段，钢铁产量每年上一个台阶，2012年已突破7亿吨，中国钢铁逐渐占据世界的半壁江山，钢厂煤气TRT和余热发电也开始迅速普及，1995—2007年，TRT的普及率从6.9%提高到80%[4]。

第四阶段（2013年至今），2013年以来，我国钢铁工业逐渐由高速增长转向高质量发展，随着国家经济结构和产业结构的转型升级，为了更大限度地利用钢厂煤气价值，双超、CCPP发电技术也逐渐得到我国钢铁企业的重视和应用。

钢厂煤气的利用与钢铁工业的发展息息相关，但是钢厂煤气的利用方式始终局限在“燃烧”的瓶颈中，发电效率和专业电厂存在差距，而且后续需要应对燃烧后粉尘、二氧化硫、氮氧化物的污染治理问题，同时增加了二氧化碳的排放。如何以高效、经济、绿色的形式利用钢厂煤气，一直是国内外钢铁企业研发的重要方向，对提高企业经济效益、保护环境、构建生态产业链具有重要意义。

二、钢厂煤气深度利用的制约因素

除燃烧利用外，钢厂煤气的深度利用还有另一种形式，即化工合成。在我国，除钢铁工业外，化工工业也是一项重要的支柱产业，在化工工业中，一氧化碳和氢气是化工合成的基础原料[5]，很多化工企业需要通过各种途径获取这部分气源。如果能够利用钢厂煤气中的一氧化碳和氢气进行化工合成，生产例如甲醇、乙醇、乙二醇类的化工品，实现钢化联产的绿色生产模式，可产生比燃烧利用更高的经济效益和社会效益。

由于钢化联产需要的一氧化碳纯度大于98.5%、氢气纯度大于99.9%，所以钢厂煤气深度利用的关键在于净化提纯。钢厂煤气有利用价值的成分主要是一氧化碳、氢气和甲烷，具体成分如表1所示。

表1 钢厂尾气中主要组分的含量单位/%

由表1可以看出，高炉、转炉煤气中有用组分主要是一氧化碳，同时伴随有大量的氮气和二氧化碳。如果想深度利用，需要将其中的一氧化碳提纯到98.5%以上。二氧化碳的去除较为容易，但由于氮气和一氧化碳有相同的分子量（见表2）、相近的沸点、相近的分子动力学直径，用普通PSA（变压吸附）或深冷分离的方法都不能实现经济高效的分离，因此一氧化碳和氮气的分离一直是个世界性的难题。

表2 氮气和一氧化碳的性质对比

焦炉煤气中的有用组分主要是氢气和甲烷，甲烷属于高附加值能源，由于其中的氮气和一氧化碳含量较少，可以通过冷箱深冷分离的方式，将其中的氢气和甲烷分离提纯，得到99.9%的氢气和LNG（液化天然气）产品。目前，深冷分离技术比较成熟，而且有较多应用案例。

钢厂煤气最环保和高效的深度利用方式是钢化联产，钢化联产最关键的问题是钢厂煤气中一氧化碳和氢气的分离提纯，分离提纯过程最困难的环节是高炉、转炉煤气中一氧化碳和氮气的分离，因此一氧化碳和氮气的分离技术是钢厂煤气深度利用的制约因素。

三、钢厂煤气深度利用——钢化联产模式的技术突破

钢化联产是指以钢铁企业高炉、转炉和焦炉煤气为原料，经过一系列的净化分离工艺，提取出一氧化碳、氢气和甲烷等有价值的原料气组分，进一步化工合成生产甲醇、乙醇、乙二醇、LNG、燃料氢等高附加的化工产品的过程。

1.钢化联产模式的出现

钢化联产的概念，于20世纪90年代由日本和欧洲国家提出，但由于一直无法从高炉和转炉煤气中高效提纯一氧化碳，钢化联产的课题就一直被搁置，直到21世纪初，高炉和转炉煤气中提纯一氧化碳的技术瓶颈被我国技术突破后，钢化联产项目开始在国内开展。

2.钢化联产的关键技术突破

从高炉、转炉煤气的高氮气氛围中，以经济的方式分离提纯一氧化碳的课题，在国内已被北京北大先锋科技有限公司突破，利用一氧化碳和一价铜离子分子筛的络合特性，通过变压吸附的方式成功地将一氧化碳和氮气实现高效分离，并且已有成熟工业运行的案例，为钢化联产、钢厂煤气资源化利用的实施提供了可行性和经济性基础。

3.钢化联产的意义

(1) 增加经济效益

甲醇、乙醇、乙二醇都是国家重要的化工产品，尤其是燃料乙醇，添加到汽油当中可减少化石能源的使用，定价为汽油的0.91倍，售价稳定，需求旺盛。此外，LNG和燃料氢，都可以为企业带来可观的经济效益。

（2）源头减少碳排放

钢化联产将原本用于燃烧的一氧化碳，通过与氢气的合成反应，固载到化工品中，不再燃烧产生二氧化碳，从源头减少了碳排放。

（3）减少有害物质排放

钢厂煤气在燃烧过程中会产生大量粉尘、二氧化硫和氮氧化物等有害物质，钢化联产以化工合成取代了燃烧，有害物质大大减少。

（4）提高企业抗风险能力

钢化联产可以延长钢铁企业产业链条，以钢厂煤气为原料生产的化工品，在成本上远优于煤化工、石油化工和天然气化工，当钢铁主业市场低迷时，化工品利润可以提高企业的抗风险能力。

（5）提前布局能源战略

燃料乙醇、LNG和燃料氢是国家未来能源布局的重要组成部分，对减少化石燃料消耗、减少国外能源依赖具有深远意义。钢化联产模式使钢铁企业参与到能源战略之中，走在了其他行业的前列。

（6）促进企业转型升级

由于自身生产特点，传统钢铁行业属于较为“粗犷”的行业领域，钢化联产促使钢铁企业向“精细化”转型，既是低碳绿色的转变，又是降本增效的提升。

（7）耦合产业发展

钢铁和化工是我国两个传统工业行业，一个属于“高温低压”，一个属于“低温高压”，之前交集很少，钢化联产模式在钢铁和化工两个行业之间架起一座桥梁，以钢铁副产物为化工原料，实现了两大行业的耦合发展。

四、钢化联产模式的案例分析

1.山东石横特钢-阿斯德科技（首套转炉煤气制甲酸装置）

山东石横特钢集团有限公司原来将转炉煤气用于燃烧发电，不仅效率低，且产生大量温室气体二氧化碳。在我国大力推进碳减排和钢铁去产能背景下，企业为了进一步降低碳排放并寻求新的利润增长点，决定成立山东阿斯德科技有限公司，以转炉煤气作为原料生产甲酸产品。该项目将石横特钢副产的45 000 m3/h转炉煤气，经除尘、压缩、脱硫、脱水、除氧及PSA等工序后得到产品气（18 200m3/h，一氧化碳含量98.5%），输送到阿斯德进行化工生产，每年可生产20万吨甲酸、5万吨草酸及下游甲酰胺、甲酸钾、甲酸钙等产品，同时实现年减排二氧化碳30万吨，已于2018年4月开车投产，稳定运行至今。项目流程如图1所示。

图1 石横特钢钢化联产流程

2.山西立恒钢铁-沃能化工（首套转炉+焦炉煤气制乙二醇联产LNG装置）

山西立恒钢铁集团股份有限公司（简称“立恒钢铁”）于2012年引进4台燃气轮机及整套发电设备将剩余的钢厂尾气用于热电联产，投入运行后每年发电约4.8×108kW，蒸汽90多万吨，在比较钢厂煤气用于化工合成和燃气轮机发电的效益后，决定成立山西沃能化工科技有限公司，将转炉、焦炉煤气用于钢化联产。该项目从副产的转炉和焦炉煤气中提纯得到一氧化碳气体（32 000m3/h，一氧化碳含量98.5%）和氢气（64 000m3/h，氢气含量99.9%），每年生产30万吨乙二醇，联产15万吨LNG。目前，该项目正在建设中，预计2020年4月开车投产，投产后可实现年减排二氧化碳45万吨。项目流程如图2所示。