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变压吸附分离CO技术助推高炉气提纯综合利用
发布者:北大先锋     更新时间:2014-02-25

【摘  要】 高炉气的综合利用对于钢铁企业具有重要的意义,是“十二五”期间钢铁企业缓解原料束缚,实现节能、减排、降耗的重要途径之一,本文从促进产业经济可持续发展角度出发,以现有工业化项目为工程案例,阐述利用变压吸附技术实现高炉煤气高效利用的市场前景,为促进新型煤化工产业健康稳定发展提供新的思路。

【关键词】高炉气  节能减排  综合利用

 

 “十一五”时期,我国粗钢产量由3.5亿吨增加到6.3亿吨,年均增长12.2%,重点统计钢铁企业1000立方米及以上高炉生产能力所占比例由48.3%提高到60.9%100吨及以上炼钢转炉生产能力所占比例由44.9%提高到56.7%,钢材国内市场占有率由92%提高到97%2010年,钢铁工业实现工业总产值7万亿元,占全国工业总产值的10%;资产总计6.2万亿元,占全国规模以上工业企业资产总值的10.4%,为建筑、机械、汽车、家电、造船等行业以及国民经济的快速发展提供了重要的原材料保障。

“十二五”时期,钢铁工业作为国家发展的支柱性行业,是实施节能减排战略的主攻方向,并根据发展规划,提出了如下主要指标[1],见表1

序号

指标

2005

2010

2015

“十二五”时期累计增长[%]

1

行业前十家产业集中度提高(%

34.7

48.6

60

11.4*

2

单位工业增加值能耗降低(%

 

 

 

18

3

单位工业增加值二氧化碳排放降低(%

 

 

 

18

4

企业平均吨钢综合能耗降低(千克标煤)

694

605

≤580

≥4

5

吨钢耗新水量降低(立方米)

8.6

4.1

≤4.0

≥2.4

6

吨钢二氧化硫排放量降低(千克)

2.83

1.63

≤1

≥39

7

吨钢化学需氧量降低(千克)

0.25

0.07

0.065

7

8

固体废弃物综合利用率提高(%

90

94

≥97

≥3*

9

研究与实验发展经费占主营业务收入比重(%

0.9

1.1

≥1.5

≥0.5*

1:“十二五”发展规划各项节能减排指标

由于钢铁能源消耗量约占全国工业总能耗的15%,废水和固体废弃物排放量分别占工业排放总量的14%17%,因此,钢铁行业成为整个节能减排中的重中之重。据中钢协统计,过去5年里,大中型钢企用于污染防治的年度投入在其固定资产总投资中所占的比重已升至9%左右,在前几年一般是5%。“十二五”钢铁工业面临的节能减排任务更加艰巨,法律法规要求更加严格:《环境保护法》修正案的初稿,首次在全国性法律中列入“按日计罚”概念,即排污企业无法按期实现环境监管部限期整改的要求,逾期1天将被处以1万元以上、10万元以下的处罚,上不封顶。多位环保专家指出,该法未来若顺利通过审议,将成为我国最严厉的环保立法。目前大多数钢企的生存环境都遭遇了一定的挑战,环保成本的大力投入直接影响到钢企的生存,一方面是行政决策的力量,一方面是经济利益的影响,钢企似乎陷入了两难的漩涡,中国钢铁行业的节能减排不仅有来自于内部的压力,还承受着外部经济发展的影响,因此,“十二五”期间钢铁行业的节能减排对企业、科研机构以及政府都是一大挑战。[2]

我国的钢铁工业仍然是依靠资源的高消耗来推动增长的,因此钢铁厂要实现节能减排、低碳炼铁的绿色环保经济,必须充分挖掘能源等方面的潜力,提高资源的利用效率,最大限度的减少资源浪费。钢铁企业中“三气”(高炉气、转炉气、焦炉气)的能量综合利用是实现节能降耗的突破口。在钢厂三气中,虽然高炉气有效气体含量最低,但其产量最大。在三气二次能源总量中高炉气约占64%,焦炉气约占29%,转炉气约占7%,这意味着,高炉煤气的回收利用比其他废气的回收利用意义更为重大,因此高炉气的有效利用是钢铁企业实现节能减排、降耗增效的重点方向之一

典型的高炉煤气利用流程(不包括虚线框内部分)如下图所示:

 炼铁煤气利用流程图


如上图所示,目前一般的高炉煤气利用途径包括:高炉煤气余压透平发电(TRT),烧结和热风炉燃烧,掺混高热值燃料(例如天然气)的燃烧(某些需要燃烧气具有较高热值的场合)等。由于高炉煤气热值太低(750780kCal/Nm3),不仅上述各种燃烧利用方法本身的效率不高(因高炉煤气燃烧过程中,大量的氮气等组份需要被加热),而且高炉煤气往往无法完全利用而被迫大量放散,造成能源的巨大浪费的同时,还增加碳排放,加剧了环境污染。

随着高炉原料条件的逐步改善、装备质量和技术水平的日益提高,高炉煤气的低热值将呈降低趋势,进一步加大对高炉煤气充分利用的难度(TRT,烧结,热风炉燃烧,掺混高热值燃料等),1965年我国高炉煤气的平均热值为4180kJ/m3,而现在我国大型高炉的煤气热值已降到3135kJ/m3。眼下钢铁行业面对环保政策和经济压力的双面夹击,当务之急是采用安全稳定的创新技术对废弃能源进行综合利用,缓解成本压力。如何能够更加经济、合理、有效、清洁地利用高炉气呢?在这里,笔者推荐一种新的技术:利用变压吸附技术将高炉气中的CO分离提纯,进行综合再利用,发展循环经济。下面将这项技术的研发与应用历程做简单介绍:

以北京大学依据基础研究理论成果开发出的国际领先水平的高效CO吸附剂PU-1为基础,北京北大先锋科技有限公司开发成功采用该吸附剂的先进变压吸附分离CO工程技术,获得2006年度国家技术发明二等奖。该技术适用于从高N2含量的各种工业混合气中分离CO,北大先锋公司采用该技术,已为用户建设了数十套工业装置,广泛应用于从水煤气、半水煤气、合成气等各种工业混合气中分离高纯CO,装置的最大规模达到20000Nm3/h以上,装置的数量、生产规模和性能指标均处于国际领先地位。

从高炉煤气分离CO是一个国际性难题,这是由于高炉煤气含有大量N2(~55%)和CO2(~18%)。N2CO的沸点非常接近,因此传统的深度冷冻气体分离工艺无法应用于从含大量N2气的高炉煤气中分离CO。普通吸附剂对CON2的吸附选择性较低,而且吸附CO2后中毒而导致吸附剂失活,因此常规的变压吸附法也无法用于高炉煤气的CO分离。北大先锋公司的变压吸附分离一氧化碳技术完全适用于从高N2含量的高炉煤气中分离CO,即从高炉煤气分离CO的关键技术已成熟。在此基础上,根据高炉煤气的组成特点,北大先锋公司开发了针对性的工艺流程,其中粉尘脱除和硫、氧等的杂质净化均采用工业上成熟的技术。因此,从高炉煤气分离CO虽然是新课题,但从技术角度来看并不存在问题。北大先锋公司的高炉煤气分离CO技术现已申请了国家发明专利。除北大外,目前尚无掌握同类技术的相关报道。

衡阳钢管集团与北大先锋成功“牵手”,双方共同投资近亿元建设一项新的变压吸附提纯煤气工程。新项目建成后,企业每小时可对67000标准立方米高炉煤气进行分离回收,提纯出浓度为70%17500标准立方米成品气,供轧管分厂加热炉使用,年直接创效可达2500多万元。

可见,利用该技术将高炉气中的CO提纯后,应用前景十分广阔。一是富含CO的产品气可以作为高品质燃料,减少煤、天然气的使用量;二是可作为高炉喷吹的还原气体,减少煤、焦的使用量;三是可生产高附加值的化工产品,如生产乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDIDMF等,由于CO造气成本低,生产的碳一化工产品更具竞争力,将为企业创造更大的社会经济效益。

综上,北大先锋公司高炉煤气分离CO技术在钢铁行业的成功应用,解决了大规模低成本分离CO的国际性难题,是一项具有巨大使用价值的重大创新技术,给钢铁企业高炉气的应用提供了一个新的发展方向和选择,为钢铁企业的节能减排、降耗增效做出了贡献,在钢铁行业具有普及意义,应加快推广进程,大力促进钢铁工业向低耗、节能方向迈进。



[1] 钢铁工业“十二五”发展规划》

[2] 《当前我国钢铁行业节能减排的形势分析》,环保部经济与环境政策研究中心,曹凤中。