变压吸附浓缩高炉煤气的经济性分析

陈 莎， 万 博， 伍 科

(北京北大先锋科技有限公司， 北京 100080)



变压吸附浓缩高炉煤气的经济性分析

陈 莎， 万 博， 伍 科

(北京北大先锋科技有限公司， 北京 100080)

高炉煤气由于热值和燃烧效率低而大量放散，本文提出采用变压吸附技术浓缩高炉煤气提高其热值和燃烧效率。进行了燃烧效率和工程及技术经济性分析，结果表明高炉煤气浓缩是利用高炉煤气最有效的节能方式，具有广阔应用前景。

高炉煤气； 变压吸附； 浓缩； 经济性

1 高炉煤气的概况

高炉煤气(Blast Furnace Gas，BFG)是高炉炼铁过程中的副产品，排放量在钢铁企业的副产煤气中所占比重最高，主要成分为：N2、CO、CO2、H2、CH4等，如表1。

表1 常见高炉气的主要组成(干基) %

由于高炉煤气的热值一般仅有3 000～3 800 kJ/m3左右，不能满足工业炉理论燃烧温度对热值的要求，大部分钢铁厂都不同程度地存在高炉煤气放散现象，不仅污染环境，还浪费能源。

近年来，国家对钢铁企业节能减排工作非常重视，高炉煤气放散有所减少。高炉煤气的利用方式以燃烧为主，主要用途：1)直接在高炉热风炉使用；2)直接在复热式炼焦炉使用；3)与高热值气体混合用在加热炉、均热炉等；4)采用蓄热式燃烧技术用于轧钢加热炉；5)纯烧高炉煤气的锅炉发电；6)高炉煤气作为主要燃料的燃气轮机、蒸汽轮机联合循环发电(CCPP)。

将高炉煤气中的有效组分CO提浓后加以利用，不仅能大大降低放散率，而且可以降低企业的燃料费用，甚至获得化工产品的生产原料。将CO提浓至65%～70%，燃烧值可达8 200～9 000 kJ/m3，产品气能够作为高热值燃料直接燃烧[1]，或者作为高炉喷吹的还原气体[2]。将CO提浓至98.5%以上，高纯的CO产品气可进一步生产高附加值的化工产品[3]。

2 变压吸附提纯高炉煤气实践

衡阳华菱钢管有限公司(以下简称“衡钢”)是具备年生产100万t铁、120万t钢、150万t管生产能力的专业化无缝钢管生产企业。高炉煤气年产量约为21×108m3，其中约35%用于热风炉，约2%用于烧结炉、约38%与天然气混合用于轧钢加热炉，剩余部分大都放散，放散率最高时达29%，最低也有23%左右[4]。为了满足生产对高热值燃料的需求，衡钢外购天然气与高炉煤气掺烧，供轧钢加热炉使用，造成对高热值燃气大量需求而低热值煤气得不到有效利用的状况。将高炉煤气提纯得到高热值燃气，成为衡钢节能增效的选择。

2012年，北大先锋与衡钢合作，设计建成PSA高炉煤气提纯CO装置。该装置已经顺利投产，目前运行稳定，各项指标优异，平均高炉气消耗量60 000 m3/h，产品气量18 000 m3/h，CO收率在93%左右。产品气CO浓度可根据需要在60%～70%范围内调节，完全满足衡钢下游用户的热值需求，节能增收效果显著。装置的平均气体组分和气量如表2所示。

表2 平均气体组分及气量

3 经济效益分析

3.1 成本核算

采用PSA-CO装置提纯高炉煤气的成本是企业关注的首要问题。PSA-CO产品气成本包含固定成本与可变成本。按照高炉煤气原料气价格0.04元/m3、产品气气量18 000 m3/h、装置设计运行期10年、年开工率94%进行计算，PSA-CO产品气固定成本计算结果列于表3，可变成本见表4。

表3 单位产品气固定成本核算

表4 单位产品气能耗与运行成本

经计算， 产品气综合成本合计约为0.154+0.372 1=0.522 5元/m3。如果不计高炉煤气原料气成本，PSA-CO产品气的总成本为0.393 1元/m3。

3.2 燃烧经济性分析

由于高炉煤气和提浓后的70%CO产品气均作为燃料燃烧，故对它们燃烧经济性分析。CO浓度为22.4%的60 000 m3/h的高炉煤气的燃烧数据与18 000 m3/h浓度为70%的CO产品气燃烧数据见表5。表5计算设有三个限定条件：1)假定两种燃气都在绝热条件下完全燃烧，并采用相同的燃烧炉；2)假定两种燃气均为干燃气，空气为干空气；3)高炉煤气和富CO产品气的各组分含量取自表2中的数据，氧气量近似为0。

表5 高炉煤气和PSA-CO产品气的燃烧过程计算

附注：

Hi—燃气中某一可燃组分的低热值，kJ/m3，CO为12 640 kJ/m3，H2为18 790 kJ/m3，CH4为35 880 kJ/m3；

ri—燃气中某一可燃组分的体积百分比；

xi—烟气中某一组分的体积百分比；

Vi—单位时间内干燃气完全燃烧后所产生的某一组分体积，m3/h；

ci，cg，ca—某组分气体、燃气、空气0～tf℃，0～tg℃，0～ta℃的平均体积定压热容，kJ/(m3·K)，数据可由表查得；

Tf，Tg，Ta—烟气、燃气、空气的绝对温度，分别为423 K，313 K，313 K；

Q4—烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量，kJ/h，数据由表可查得。

从表5的数据可知，高炉煤气的热值3 199 kJ/m3，理论燃烧温度仅为1 315 ℃；富CO产品气的热值为8970 kJ/m3，理论燃烧温度达到了2 095 ℃，满足了衡钢工业炉对燃料的要求，可以直接燃烧使用。

对比燃烧60 000 m3/h的高炉煤气和18 000 m3/h的富CO产品气产生的热量可以发现，由于提纯后CO的回收率约为93%，且CH4和H2会有一部分损失，所以产品气燃烧产生的热量大约是高炉煤气的84%；对比燃烧两种气体烟气带出的热量可知，当排烟温度为150 ℃时燃烧富CO产品气的排烟损失率为16.3%，明显低于高炉煤气27.5%的排烟损失率(见图1)，燃烧效率明显提高。

图1 高炉煤气和PSA-CO产品的烟气热量损失

通过以上计算分析可知，富CO产品气比高炉煤具有更高的热值、理论燃烧温度和燃烧效率，具有更好的燃烧经济性。

3.3 效益分析

2013年底项目完工后，衡钢可把约60 000 m3/h

高炉煤气提纯得到的18 000 m3/h 70%的CO产品气直接输送到加热炉使用。根据燃烧热量进行估算，可以得到PSA-CO产品气等燃烧热量的天然气量。根据PSA-CO产品气的总成本和衡钢地区天然气价格，可计算出该提纯装置的年创收额，结果如表6所示。

表6 PSA-CO产品气的天然气当量及经济效益

从表6中数据可以看到，PSA-CO产品气每小时可替代的天然气量约4 537 m3，年替代量达到3 974×104m3，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天然气紧张的局面。根据实际开工情况，扣除装置的总成本后，该项目每年可为衡钢直接创收约2 946万元。

4 结语

高炉煤气提浓技术，解决了一直困扰我国钢铁企业高炉煤气放散的难题，大幅减少了能源浪费，给企业创造了显著的经济效益。提浓到70%左右的CO产品气可以作为高热值燃烧气体或还原性气体，减少煤、天然气或煤、焦的使用量；提浓到98.5%以上的CO还可进一步用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等。此项技术适用于高炉气存在放散情况且天然气、液化气等能源供应紧张的钢铁企业，尤其在市场竞争激烈、环境问题日益严重的今天，此项技术具有很好的社会效益和经济效益。

[1] 耿云峰，等.一种高炉炼铁方法[P].CN 101463398A.

[2] 耿云峰,等.一种高炉气浓缩的工艺[P].CN102643681A.

[3] 唐宏青.碳一化工新技术概论[M].北京：化学工业出版社，2009.

[4] 周维汉.衡钢高炉煤气利用现状分析及对策措施[A].全国能源与热工2010学术年会文集[C].

工信部:将修订发布铅锌钨锡金等行业规范条件

工信部在部署2015年有色金属行业工作时提出,继续完善行业规范管理,将修订发布《铅锌行业规范条件》及《钨锡行业规范条件》,研究制定《黄金行业规范条件》,推动出台《稀有金属管理条例》等行业规范条例。

工信部原材料工业司2月11日发布了《2014年我国有色金属工业运行情况分析和2015年行业形势展望》,提出要研究起草“十三五”行业发展规划,包括《有色金属行业“十三五”发展规划》、《黄金行业“十三五”发展规划》和《铝工业发展指导意见》。

工信部提出2015年将加强规范准入管理与金融、环保、能源等政策衔接,研究建立行业规范后续管理工作制度,强化已公告企业的动态监管。并将推动出台《稀有金属管理条例》;调整稀有金属指令性生产计划下达方式,探索下达仲钨酸铵冶炼生产指标;研究推动钨、钼资源税改革。

工信部还指出,2015年将研究提出有色金属行业“两化融合”标准体系,支持引导企业利用新一代信息技术,以产业公共服务平台、智能工厂示范、虚拟技术平台研发等为重点,推动有色企业生产自动化、管理信息化、流程智能化、制造个性化,打造数字型、智慧型和服务型产业。

另外,工信部还将继续推进化解电解铝过剩产能,加大对在建项目监督力度,严控电解铝产能扩张;鼓励区域内现有电厂和电解铝厂依产业链垂直整合,结合电力体制改革,研究推动网电、自备电及局域网之间的电价公平,扭转部分技术水平高、资源条件好的电解铝企业长期因电价不公平造成的亏损局面;建立铝材上下游产业联盟,扩大铝材在建筑、电力、交通、航空等领域的应用;鼓励国内铝企业在境外建设电解铝及铝加工。

工信部：年内完成稀土矿山及冶炼分离企业整合

工业和信息化部办公厅印发《2015年原材料工业转型发展工作要点的通知》，提出2015年底前6家稀土大集团完成全国所有稀土矿山和冶炼分离企业整合。

《通知》指出，原材料工业是国民经济的基础和支柱产业，资源能源高度密集，当前面临着产能严重过剩、市场需求不足、资源环境约束加大、技术创新水平不高等诸多突出问题，转型发展任务十分艰巨。

《通知》提出，加强战略性资源管理，全面落实行业管理任务：一是加快稀土大集团建设。2015年底前6家稀土大集团完成全国所有稀土矿山和冶炼分离企业整合，实现以资产为纽带的实质性重组。二是深入打击稀土违法违规行为。进一步落实地方政府监管主体责任，严肃查处存在问题的企业和个人。建立稀土产品追溯机制，利用稀土专用发票、出口数据等信息，倒查违法违规企业产品来源。三是大力发展高端应用产业。继续支持和引导稀土高端应用产业发展。四是加强生产和流通管理。严控新上稀土矿山开发和冶炼分离项目，严格稀土、钨、萤石生产总量控制计划管理等。五是继续完善行业管理政策法规。

Economic analysis of concentrating blast furnace gas by pressure swing adsorption

CHEN Sha, WAN Bo, WU Ke

Owning to its low calorific value and combustion efficiency, a lot of blast furnace gas (BFG) is wasted. This paper pointed applying pressure swing adsorption (PSA) technology to concentrate BFG, which can improve the calorific value and combustion efficiency significantly. The combustion efficiency, engineering and technical economy were analyzed, the results showed that BFG concentrating by PSA was the most effective way for energy saving and had a broad application prospect.

blast furnace gas; pressure swing adsorption; concentrating; economy

陈莎(1985—)，女，河南焦作人，技术工程师，博士，从事变压吸附分离CO、变压吸附制氢、高炉煤气、黄磷尾气等工业尾气处理等方面的工程与研究工作。

2014-- 08-- 08

2015-- 02-- 02

TF05

B

1672-- 6103(2015)03-- 0060-- 04