（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

引言

鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)煤氣，主要包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣，煤氣中富含大量的CO、CH4、H2等價值較高的成分。副產(chǎn)煤氣除供應(yīng)到鋼鐵生產(chǎn)各工序作為燃料外，目前剩余的副產(chǎn)煤氣主要用作燃氣發(fā)電，利用價值偏低，且增加了CO2的排放量。因此，剩余煤氣的高效資源化利用，具有重要的意義。

1 副產(chǎn)煤氣組成及特點[1]

典型的副產(chǎn)煤氣主要成分見表1。表中數(shù)據(jù)為體積含量。焦?fàn)t煤氣中H2含量接近60%，CH4含量約25%，還含有約10%的CO和CO2。

焦?fàn)t煤氣的典型主要雜質(zhì)含量見表2。

高爐煤氣中CO 和CO2含量約45%，含有少量的H2，其余主要為惰性氣體N2。高爐煤氣含有一定的硫、塵、HCN等雜質(zhì)。

轉(zhuǎn)爐煤氣中CO 含量在50%以上，還含有接近20%的CO2，轉(zhuǎn)爐煤氣還含有一定的硫、塵、磷、砷、氟等雜質(zhì)。

由各種副產(chǎn)煤氣的組成來看，焦?fàn)t煤氣利用價值最高，轉(zhuǎn)爐煤氣次之，高爐煤氣利用價值相對較低。本文主要討論焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的綜合利用。

表1 焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣干煤氣主要成分 %

表2 焦?fàn)t煤氣主要雜質(zhì)成分 mg/m

2 剩余煤氣綜合利用方案

除了煤氣發(fā)電，剩余副產(chǎn)煤氣的高效利用，主要有兩大方向：一是鋼化聯(lián)產(chǎn)，鋼鐵企業(yè)和化工企業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃，鋼鐵企業(yè)內(nèi)剩余煤氣凈化提純后供化工企業(yè)使用；二是在鋼鐵企業(yè)內(nèi)將剩余煤氣制成化工產(chǎn)品，如LNG、甲醇等。本文介紹幾種典型的煤氣綜合利用方式。

2.1 焦?fàn)t煤氣+轉(zhuǎn)爐煤氣制LNG

利用焦?fàn)t煤氣制LNG主要有如下幾種方式：

（1）焦?fàn)t煤氣直接提取甲烷制LNG

直接分離液化出焦?fàn)t煤氣中的CH4、C2H4、C3H6、C2H4等輕烴得到LNG，其余氣體作為預(yù)處理工序的再生氣源后返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

（2）焦?fàn)t煤氣甲烷化制LNG

焦?fàn)t煤氣中除了含有甲烷等烴類之外，還含有接近60%的H2和約10%的CO 和CO2，可通過甲烷化，將原料氣中的CO 和CO2與H2反應(yīng)生產(chǎn)甲烷和水，增加LNG 的產(chǎn)量，其余氣體作為預(yù)處理工序的再生氣源后返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

甲烷化反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，其反應(yīng)方程為：

通過甲烷化，可以提高LNG 的收率約30%。國內(nèi)外甲烷化技術(shù)主要有絕熱多段固定床循環(huán)工藝、絕熱多段固定床“一次通過”工藝、一段等溫甲烷化工藝等技術(shù)。

（3）焦?fàn)t煤氣+轉(zhuǎn)爐煤氣甲烷化制LNG[2]

由于焦?fàn)t煤氣中H2含量遠大于CO和CO2含量，即使通過甲烷化后，還剩余大量H2，采用向焦?fàn)t煤氣中補充CO 或CO2，可進一步提高LNG 的收率，甲烷化時CO 比CO2消耗的氫氣少，故最好補充CO 含量高的轉(zhuǎn)爐煤氣，當(dāng)無剩余轉(zhuǎn)爐煤氣時，也可補充高爐煤氣。下面的方案就以補充轉(zhuǎn)爐煤氣對40000 m3/h 焦?fàn)t煤氣甲烷化制LNG 流程進行說明，詳見圖1。

圖1 焦?fàn)t煤氣+轉(zhuǎn)爐煤氣甲烷化制LNG工藝流程簡圖

經(jīng)過粗脫硫的焦?fàn)t煤氣與經(jīng)過增壓、預(yù)處理的轉(zhuǎn)爐煤氣混合后經(jīng)煤氣壓縮機壓縮至約0.35 MPa，加壓后的混合煤氣進入預(yù)處理工序除去苯、萘、焦油、氨及其它重?zé)N化合物等。凈化后的混合煤氣再進入煤氣壓縮機壓縮至約1.5 MPa，然后進入加氫脫硫工序?qū)⒂袡C硫轉(zhuǎn)化為無機硫后一并脫除，自加氫脫硫工序來的原料氣進入甲烷化反應(yīng)器，在催化劑的作用下，CO、CO2與H2發(fā)生甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)屬于強放熱反應(yīng)，副產(chǎn)5.0 MPa 的飽和蒸汽。來自甲烷化工序的甲烷化氣進入干燥工序吸附水分干燥后進入深度凈化工序，將原料氣中可能含有的微量汞脫除，然后送液化工序進行液化分離，最終以LNG 形式出冷箱，通過低溫管道輸送至LNG 儲罐儲存，生產(chǎn)LNG 后剩余的排放氣作為預(yù)處理等工序的再生氣源，再生后的解析氣返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

2.2 焦?fàn)t煤氣+轉(zhuǎn)爐煤氣制LNG+甲醇

將焦?fàn)t煤氣CH4等輕烴分離液化出LNG，剩余的富氫氣送往甲醇合成工序，經(jīng)過合成和精餾得到甲醇。甲醇合成的反應(yīng)方程式為：

甲醇合成工藝分為高壓、中壓和低壓法，其中高壓法合成壓力約30 MPa，已逐步被淘汰；中壓法合成壓力為（8～10）MPa，適用于大規(guī)模甲醇合成裝置；低壓法合成壓力在6.0 MPa 左右，是國內(nèi)中小規(guī)模甲醇合成裝置普遍采用的方式，鋼鐵企業(yè)內(nèi)甲醇合成裝置一般規(guī)模不大，采用低壓法比較合適。

甲醇合成需要合理氫碳比例，體積比一般應(yīng)滿足：

(H2-CO2)/(CO+CO2)=2.05～2.15，可以采用轉(zhuǎn)爐煤氣進行補碳，達到合理的碳氫比。

下面的方案以補充轉(zhuǎn)爐煤氣對40000 m3/h焦?fàn)t煤氣制LNG聯(lián)產(chǎn)甲醇流程進行說明，詳見圖2。

圖2 焦?fàn)t煤氣+轉(zhuǎn)爐煤氣制LNG+甲醇工藝流程簡圖

加氫脫硫以前的工藝流程和與2.1 相同，經(jīng)過加氫脫硫后的原料氣中還含有不少CO2，在深冷過程中可能固化而堵塞設(shè)備及管道，由于沒有了甲烷化工序，設(shè)置MDEA 脫碳工序，脫除原料氣中的CO2。來自脫碳工序的原料氣進入干燥工序吸附水分干燥后進入深度凈化工序，將原料氣中可能含有的微量汞脫除，然后送液化工序進行液化分離，最終一部分以LNG 形式出冷箱，通過低溫管道輸送至LNG 儲罐儲存。生產(chǎn)LNG 后剩余的富氫氣與經(jīng)過預(yù)處理作的轉(zhuǎn)爐煤氣混合后進入甲醇合成工序進行合成，再經(jīng)過精餾得到甲醇產(chǎn)品，冷箱排放氣作為預(yù)處理等工序的再生氣源，再生后的解析氣返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

2.3 焦?fàn)t煤氣制氫氣

直接分離出焦?fàn)t煤氣中的氫氣，向附近化工廠提供工業(yè)氫（純度99.9%），也可向鋼鐵廠內(nèi)冷軋單元供應(yīng)高純氫（純度99.999%）作為保護氣體。其余氣體作為預(yù)處理工序的再生氣源后返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

下面的方案對40000 m3/h焦?fàn)t煤氣制氫氣流程進行說明，詳見圖3。

圖3 焦?fàn)t煤氣制氫氣工藝流程簡圖

原料焦?fàn)t煤氣首先經(jīng)除油塔除去大量的焦油等，再經(jīng)煤氣壓縮機壓縮到約0.35 MPa，然后進入預(yù)處理工序除去苯、萘、焦油、氨及硫化氫等。然后經(jīng)過PSA 吸附得到產(chǎn)品氫氣，其余氣體作為預(yù)處理等工序的再生氣源，再生后的解析氣返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

如果要提高氫氣的產(chǎn)量，還可以將焦?fàn)t煤氣中的甲烷轉(zhuǎn)化成有效合成氣（H2+CO），再通過變換裝置將合成氣中的CO變換為H2，本文不再詳敘。

2.4 焦?fàn)t煤氣制LNG+氫氣

將焦?fàn)t煤氣CH4等輕烴分離液化出LNG，剩余的富氫氣經(jīng)過PSA 吸附得到產(chǎn)品氫氣，其余氣體作為預(yù)處理等工序的再生氣源，再生后的解析氣返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

下面的方案對40000 m3/h焦?fàn)t煤氣制LNG并聯(lián)產(chǎn)H2的流程進行說明，詳見圖4。

圖4 焦?fàn)t煤氣制LNG+氫氣工藝流程簡圖

原料焦?fàn)t煤氣首先經(jīng)過除油脫硫單元，采用電捕焦油器脫除絕大部分焦油后，再進入粗脫硫塔脫除絕大部分無機硫；初步凈化的焦?fàn)t煤氣經(jīng)煤氣壓縮機壓縮至約0.5 MPa，加壓后的焦?fàn)t煤氣進入預(yù)處理工序除去苯、奈、焦油、氨及其它重?zé)N化合物等；凈化后的焦?fàn)t煤氣再進入煤氣壓縮機壓縮至約3.2 MPa，然后進入加氫脫硫工序?qū)⒂袡C硫轉(zhuǎn)化為無機硫后脫除，自加氫脫硫工序來的原料氣進入MDEA 脫碳工序，脫除原料氣中的CO2，來自脫碳工序的原料氣進入干燥工序吸附水分干燥后進入深度凈化工序，將原料氣中可能含有的微量汞脫除，然后送液化工序進行液化分離，最終一部分以LNG形式出冷箱，通過低溫管道輸送至LNG 儲罐儲存，生產(chǎn)LNG 后剩余的富氫氣經(jīng)過PSA 吸附得到產(chǎn)品氫氣，其余氣體作為預(yù)處理等工序的再生氣源，再生后的解析氣返回煤氣管網(wǎng)作為燃料使用。

3 各種利用方案技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較

在不考慮焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣原料氣成本的情況下，將產(chǎn)生的解析氣折算為焦?fàn)t煤氣，抵扣部分原料焦?fàn)t煤氣，得到4 個方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

表1 各種煤氣利用方案技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較表

4 結(jié)論

(1)在假定的原材料及產(chǎn)品價格條件下，方案三（焦?fàn)t煤氣制氫氣）投資最低、單位COG 收益最高，投資回收期最短。

(2)產(chǎn)品市場需求和市場價格對于項目的經(jīng)濟性起著決定性作用，氫氣、LNG、甲醇等產(chǎn)品價格的波動會直接影響整個項目的經(jīng)濟性評價。

假定氫氣的價格變?yōu)?.0 元/m3，則方案三（焦?fàn)t煤氣制氫氣）單位COG 的收益下降為1.1 元/m3，投資回收期變?yōu)?.41 年；方案四（焦?fàn)t煤氣制LNG+氫氣）單位COG 的收益下降為0.99 元/m3，投資回收期變?yōu)?.68 年。

(3)各種方案均產(chǎn)生一定的解析氣，解析氣的熱值、雜質(zhì)含量與焦?fàn)t煤氣不同，尤其是方案三（焦?fàn)t煤氣制氫氣）產(chǎn)生大量的高熱值解析氣，平均雜質(zhì)含量約為原料焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)含量的2 倍，解析氣不能完全替代焦?fàn)t煤氣，需要根據(jù)各單元用戶的用氣熱值、雜質(zhì)要求進行調(diào)整。

(4)方案三（焦?fàn)t煤氣制氫氣）和方案四（焦?fàn)t煤氣制氫氣）的氫氣產(chǎn)品不適合長距離輸送和運輸，依賴于周邊化工企業(yè)的用氣需求及合作。

本文僅探討了幾種典型的剩余煤氣綜合利用方式，各鋼鐵企業(yè)需根據(jù)自身煤氣平衡情況、周圍市場等因素綜合比較，確定最經(jīng)濟合理的煤氣利用方式。