钢铁企业煤气在非冶金行业的综合利用

赵红++贾燕

[摘要]钢铁企业副产煤气资源约占企业耗能总量的40%，合理利用煤气资源不仅可以提高煤气利用效率，减少污染排放，还可以节约能源成本。煤气资源的综合利用对钢铁企业节能降耗有着重要意义。文章从不同角度阐述了钢铁企业煤气（焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气）在非冶金行业的综合利用现状，并且对现有的新技术新工艺进行论述，分析了煤气综合利用的广阔前景。

[关键词]煤气；非冶金行业；综合利用；钢铁企业

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.23.052

1引言

在目前市场低迷，钢铁行业进入微利时代甚至亏损的大环境下，降本增效、深挖企业自身潜力是各企业的必修课，对于企业的生存与发展更具有特别重要的意义。作为钢铁企业重要的二次能源——副产煤气资源，近年来在回收技术、综合利用方面都取得了长足的进步，多数钢铁厂煤气利用率逐年提高，放散现象得到改善。

钢铁企业副产煤气的50%～80%用于各工序燃烧或炉窑加热，剩余部分供自备电厂，多余部分放散，煤气资源占到企业总能耗的比例达到40%左右，是影响生产成本和利润的重要因素。如何做好节能降耗，合理利用能源资源及保护环境等工作，是当前钢铁企业必须解决的问题。

2钢铁企业煤气利用现状

2.1煤气种类

钢铁企业副产煤气资源主要包括焦炉煤气（Coke Oven Gas，COG）、高炉煤气（Blast Furnace Gas，BFG）和转炉煤气（Lindz-Donawitz Gas，LDG），由于产生工艺不同，这三种煤气的成分和发热值存在较大差异。

2.2煤气利用途径

（1）根据各用户对燃料热值要求，将大部分高、焦、转炉煤气直接或经过混合、加压后送厂内焦炉、热风炉、工业炉窑等工艺生产用户加热。

（2）少量焦炉煤气经过净化装置制取净化焦炉煤气送各切割用户，或经过变压吸附装置制取氢气送冷轧车间作保护气。

（3）各工艺用户使用后，富余的煤气送发电装置（锅炉、CCPP等）。

（4）少数企业将焦炉煤气用于生产甲醇、合成氨等。

2.3煤气利用效率

传统的钢铁企业煤气都作为燃料使用，其中焦炉煤气因其发生稳定、热值较高，燃烧后烟气能够达到较高的温度，作为各用户优先使用的介质，经常出现焦炉煤气量不足的情况。近年来随着蓄热式炉窑技术、连铸连轧技术、低发热值煤气发电技术等节能技术的发展，焦炉煤气用量大幅下降，很多厂有大量剩余。

剩余煤气采用常规的发电机组利用，其能源转化率只有～32%，采用发电效率较高的超高压发电机组、CCPP后发电效率可以适当提高37%～42%。

3钢铁企业煤气在非冶金行业的利用

就目前来看，国内煤气用于燃烧外的另外一个利用途径就是作为化工原料。实际生产过程中，这种利用途径又可以具体划分为多种不同的利用方式。下面我们将对钢铁企业煤气作为燃料使用外，在非冶金行业的主要利用方向以及发展现状作具体分析。

燃料油

3.1制取氢气

焦炉煤气组分本身含有氢气50%以上，是制取氢气的理想原料。焦炉煤气制取氢气的方法主要有深冷法和变压吸附（PSA）法，两种技术均成熟可靠，特别是变压吸附（PSA）法，通过简单的吸附分离就可以获得氢气，纯度可达99.99%以上，制氢成本仅相当于电解水成本的1/3～1/4。

国内各大钢厂相继建成了焦炉煤气变压吸附制氢装置，氢气主要用于冷轧罩式炉或连续退火炉，独立焦化企业制取的氢气多用于粗苯加氢精制工艺、煤焦油加氢工艺，以厂内自用为主，用量有限。此外，氢燃料电池是氢气利用的一个重要方向，在日本高纯氢气经液化供应给燃料电池行业，但该产业目前国内尚未发展成熟，氢气的广泛应用受到一定限制。

3.2制取天然气

从焦炉煤气的组成看，氢多碳少，从能量利用率看，利用焦炉煤气甲烷化制取天然气，能量利用率可达80%。特别是焦炉煤气分离出H2后，剩余气体中CH4含量提高，热值也提高，使用价值更高。天然气（CNG）可作为汽车代用燃料，在公交车和出租车领域，具有很大的吸引力。近年来焦炉煤气制LNG技术逐渐兴起，以目前的市场价格分析，汽油价格走低，焦炉气制天然气的效益减小，但长期来看，油价仍将上行。

国外代表性的工艺技术有丹麦托普索甲烷化、英国戴维甲烷化和日本焦炉煤气制LNG技术等。国内在此方面开展工作的有西南化工研究设计院、大连凯特利、上海华西、新奥科技等，全套工艺可全部国产化。

3.3合成氨

我国以非无烟块煤为原料合成氨能耗平均水平约1554千克标煤/吨氨，传统焦炉煤气制合成氨能耗约1250千克标煤/吨氨，近年来焦炉煤气制合成氨节能工艺技术的发展，能耗可降至1142千克标煤/吨氨。

焦炉煤气制合成氨具有资源利用合理、项目投资少、运行费用低、单位产品成本低等特点，是其他煤制合成氨路线难以比拟的。制取的合成氨可用来制造化学肥料，也作为生产其他化工产品的原料，除液氨本身可作为化学肥料外，农业上使用的氮肥、含氮混合肥和复合肥，都以氨为原料。此外，新工艺还可回收合成弛放气中的氢气，成为制取氢气的最优方法之一。

3.4制取一氧化碳

放散高炉煤气可用于化工产品生产，使其再资源化[1]，利用吸附剂提纯高炉煤气。回收利用其CO和CO2等有效成分、减少碳排放，必须考虑各种元素的组成和状态，使C、O等元素最优配置，达到最大减排。

高炉煤气中的CO含量低，N2含量高，二者的沸点相近，采用变压吸附法PSA（Pressure Swing Adsorption），提纯高炉煤气中的CO时需要研制专门的吸附剂，目前，我国的科研工作者已经取得了一些进展。北大先锋设计的国内首个低热值高炉煤气综合利用工程，可得到纯度70%以上的CO产品气。日本神户制钢所在加古川厂和神户厂建成的转炉煤气变压吸附法提纯工厂，所产CO浓度高于99%。[2]

3.5制取二氧化碳

焦炉煤气和转炉煤气含有高达60%的合成气成分，只需采用成熟的PSA（Pressure Swing Adsorption）变压吸附工艺，就可将H2和CO分离并提纯出来。转炉煤气在变压吸附分离CO时还可以得到CO2气体产品，CO2用途非常广泛，可用于食品加工业、粮食果蔬储存、气肥、超临界萃取剂等。

回收高炉产生的CO2并加以有效利用，从而达到减排效果。国内宝钢开展了采用回收的CO2替代氩气用于转炉底吹的研究，也开始了对回收的CO2进行固存的技术研究。[3]

3.6制取甲醇和乙醇

转炉煤气中CO+CO2含量接近80%，在焦炉煤气纯氧转化制甲醇工艺中补充部分转炉煤气可以改善合成气氢碳比，提高转化效果和甲醇产量。2009年四川达钢集团在我国首次成功实现了转炉煤气制甲醇，将转炉煤气净化后用于10万t/a焦炉煤气制甲醇的补炭，年消耗转炉煤气0.26亿m3， 甲醇生产成本降低了10%，产量提高了20%。

新西兰LanzaTech公司开发出转炉煤气制乙醇技术，将转炉煤气处灰尘和氧气后，可以直接在发酵罐中利用微生物发酵生产乙醇，不受转炉煤气中CO浓度变化及N2、CO2成分的影响。2008年在新西兰钢铁公司建成中试厂，2010年该公司与宝钢金属公司、中国科学院签订了利用钢厂尾气生产燃料乙醇项目合作框架。

3.7其他方面

因为焦炉煤气主要成分是氢气、一氧化碳和甲烷，是优质的化工合成原料气，经简单转化，即可成为生产甲酸、尿素、醋酸以及粗苯等基础化工原料。焦炉煤气合成的甲醇进一步可以合成甲醛、烯烃等。

转炉煤气含CO 较高，是一种优质的化工原料。国内莱钢等企业已经开始研究转炉煤气用于甲酸等化工产品的生产。因此对于转炉煤气富裕的企业，将其用于化工生产也是一个很有潜力的利用途径。

4结论

钢铁企业副产煤气的充分回收、合理利用，不仅有利于钢铁厂降低单位产品能耗和污染排放，还可以扩展资源化利用途径，制取清洁燃料、化工合成等，与非冶金行业形成工业生态链，为企业寻找到新的经济增长点。

近年来，我国对焦炉煤气的回收利用越来越关注，除了直接用作工业燃料气、城市燃气外，各钢铁企业根据所在地区的生产成本、产品价格等因素，充分发挥焦炉煤气的资源潜能，积极采用新技术和新工艺，使焦炉煤气向着产品附加值高、经济效益好、多联产方向发展。

参考文献：

[1]王立新，李新，许志宏，等.钢铁厂煤气合理利用的探讨[J].过程工程学报，2001，1（2）：192-195.

[2]黄德中.塔式太阳能燃气轮机循环热发电技术[J].研究绍兴文理学院学报，2011，31（7）：38-41.

[3]胡俊鸽，张东丽，曲余玲.炼铁领域节能减排技术的发展[J].世界钢铁，2009（4）：26-31.

[4]范文虎，刘翠玲.山西焦炉煤气综合利用技术现状[J].煤炭加工与综合利用，2012（5）：46-50.