收稿日期:2010-05-19李昊堃(1985- ),硕士生;100081北京市海淀区。

焦炉煤气利用途径分析李昊堃 沙永志(钢铁研究总院炼铁室)摘 要 通过对焦炉煤气用于加热、发电,制造氢气、甲醇,生产直接还原铁和高炉喷吹进行比较,结合钢铁企业的实际情况,得出钢铁企业焦炉煤气的合理应用是用于高炉喷吹。

关键词 焦炉煤气 喷吹 高炉Analysis on the utilization of coke oven gasL iH aokun Sha Yongzh i(Cen tra l Iron and Steel Research I nstitute)Abstract T he reasonab l e applica ti on of the coke oven gas i n stee l co m pany is to i nject it into t he b last furnace .T he coke oven gas can be appli ed to heati ng ,generati on ,mak i ng hydrogen gas ,producing carb i no ,l d irectly reduci ng iron and i njecti ng i nto b l ast f urnace .K eyword s COGi n j esti on b last furnace2009年全国累计生产焦炭3 45亿t 。

按吨焦产420m 3焦炉煤气计算,焦炉煤气产量为1449亿m 3。

如此之大的焦炭生产量,所产生的焦炉煤气如果能够得到充分合理的利用,所带来的经济效益和环境效益都将是巨大的。

因此,对焦炉煤气的各种利用途径进行分析,使焦炉煤气发挥最大的价值已成为亟待解决的问题。

焦炉煤气(简称COG )是炼焦过程中,在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体,是炼焦过程中最重要的副产品。

其成分除大量的氢、甲烷外,其它组分相当复杂,随原料煤不同有较大变化,另外还与焦炉的操作等条件有关。

宝钢典型的焦炉煤气组成(体积分数,%)如下:H 252 3~55 6,C H 427 1~30 4,CO 7 5,CO 22,O 20 1,C n H m 2 8,N 24 9,H 2O 饱和。

微量杂质成分:H 2S <10m g /m 3,焦油<5m g /m 3,萘<200m g /m 3,有机硫<200mg /m 3,H C N <150mg /m 3,含苯轻油<2000m g /m 3,NH 3<100mg /m 3,吸收油雾200~300mg /m 3[1]。

1 焦炉煤气的利用途径分析焦炉煤气可采用多种方式进行利用,目前主要的利用方式有如图1六种。

1 1 加热燃料焦炉煤气的传统利用方式是作为不同加热设备的气体燃料,与固体燃料相比较,有使用便捷、可以管道输送和传热效率高等优点,受到工业和民用的青睐。

工业燃气:焦炉煤气作为气体燃料,可用于焦炉加热、轧钢加热炉、高炉热风炉、烧结点火等。

但随着企业内能量利用率的提高和替代燃料(如高炉煤气)的使用,加热所需要的焦炉煤气量将不断减少。

民用燃气:焦化厂生产的焦炉煤气经过净化后,作为燃气可供当地居民使用。

但是,近几年来随着西气东输工程的实施,沿线大中城市作为民用燃料的焦炉煤气将逐渐被天然气替代(例如北京居民用燃气已全部采用天然气)。

所以,37V ol 29 No 6Nov 2010冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGI CAL I N DUSTRY图1 焦炉煤气的主要利用途径这部分焦炉煤气的需求量也在逐渐减少。

综上所述,虽然目前作为加热燃料仍是焦炉煤气的主要利用途径之一,但其焦炉煤气的需求量正在逐渐下降。

1 2 用于发电将焦炉煤气用于发电,是近几年来焦炉煤气的主要利用途径之一。

我国焦炉煤气发电一般有三种方式:蒸气发电、燃气轮机发电和内燃机发电[2]。

(1)蒸汽轮机发电根据国内煤气锅炉对燃料的要求,当燃料的发热量 12 56M J/m3时,即可使锅炉稳定燃烧,一般的焦炉煤气均能满足这一要求[3]。

其优点是对燃料气体要求比较低,缺点是工艺复杂,建设周期比较长,必须消耗大量的水资源,占地比较多,能源利用效率太低。

因此,目前仍在使用这一技术发电的企业并不多。

(2)燃气轮机发电燃气-蒸气联合循环发电技术(CCPP)是我国大中型钢铁联合企业正在积极推广的技术,其优点是可混烧高、焦、转炉煤气,发电效率高,停启灵活,建设周期短,占地少,用水量仅为燃煤电厂的1/3左右。

缺点是对煤气的各项指标要求严格,特别是含杂质的转炉煤气燃烧后会对发电设备有很强的腐蚀性,而且低热值煤气燃气轮机设备复杂、控制严格、维护费用高,大大超出常规。

以某燃气发电项目为例,甲、乙两站总投资25 5亿元,其中直接进口设备5 09亿元,由于进口设备多,特别是关键技术的引进,相应地增加了运行中的维护和备件备品费用,使发电成本居高不下[4]。

(3)燃气内燃机发电燃气内燃机的工作原理与汽车发动机一样,需要火花塞点火,由于内燃机是将燃料的热能直接转换为机械能,所以在小型机组中其效率大大超过了蒸汽轮机和燃气轮机。

比较常见的机型一般可以达到35%。

燃气内燃机最突出的优点是发电效率比较高,其次是设备集成度高,安装快捷,对气体的品质要求不高,对于风扇水箱式机组用水量很少,设备的单位千瓦造价也比较低。

综上所述,对于独立焦化厂而言,在利用焦炉煤气发电时,多采用的是燃气内燃机技术,其设备投资较小且焦炉煤气成本低,所以经济效益显著。

而对于国内大中型钢铁企业而言,在利用焦炉煤气发电时,多采用的是燃气-蒸气联合循环发电技术(CCPP),普遍存在设备一次性投资大、维护及备件费用高、电价居高不下等问题。

由此看来,对于钢铁企业内部的焦化厂发电并不是利用焦炉煤气的最佳途径。

1 3 焦炉煤气生产纯氢焦炉煤气中氢气资源相当丰富,氢气的体积百分含量超过50%。

目前利用焦炉煤气制氢的方法主要有深冷法和变压吸附法。

深冷法是利用焦炉气中各主要成分冷凝温度的不同,以深度冷冻部分冷凝的方法使氢与其它气体组分分离,最后用液氮洗以脱除气体中剩余的CO和C H4,最终得到的气体中含有83%~ 88%的氢,其余为氮。

深冷法是COG制氢应用最早、技术最成熟的方法,适宜于焦炉气的综合利用,它不仅能回收氢气,还能回收C H4、C O 等。

但其缺点是所用设备复杂且需在高压下操作,这使得深冷装置投资大、运转费用高、投资38冶 金 能 源ENERGY FOR M ETALLURG I C AL I NDUSTRYVo l 29 N o 6Nov 2010回收期长,因此难以被大多数焦化厂接受。

变压吸附法(PSA 法)是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性,通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。

PSA 法利用焦炉煤气生产纯H 2,在我国已有多年的历史,其生产技术成熟,经济合理,特别是与水电解法制H 2比较,效益更显著。

据统计,水电解法生产H 2耗电6 5k W h /m 3,而利用焦炉煤气生产H 2,仅耗电0 5k W h /m 3,生产规模为1000m 3/h 的制氢装置,每年节约电费500~800万元,相当于1000m 3/h PSA 法制H 2的总投资。

但焦炉煤气生产纯H 2存在必须具备管道输送的固定用户的限制,一旦用户发生变化,很难维持正常生产,只能转产。

目前国内利用PSA 法以焦炉煤气为原料生产氢气的钢铁公司如表1所示。

表1 利用PSA 法以焦炉煤气为原料生产氢气的钢铁公司公 司制氢量/m 3 h -1武汉钢铁集团公司1000,1000,1500攀枝花钢铁集团公司600本溪钢铁集团公司1000,1200鞍山钢铁集团公司1000,1000,1000马鞍山钢铁集团公司1000济南钢铁集团总公司600邯郸钢铁集团公司800综上所述,虽然利用焦炉煤气生产氢气的技术成熟且经济合理,但受氢气产量的限制,其焦炉煤气消耗量并不大。

因此,制氢气并不能作为钢铁企业利用焦炉煤气的主要途径。

1 4 合成甲醇焦炉煤气组分中甲烷含量(体积分数)为24%~28%,只需将甲烷转化成一定比例的C O 和H 2,即可大体满足合成甲醇的合成气比例要求,合成甲醇的主要反应如下:CO+2H 2=C H 3OH +Q CO 2+3H 2=C H 3OH +H 2O +Q煤气中甲烷及高碳烃转化成合成气后,在6 0M Pa 压强下即可完成甲醇合成,流程短,反应速度快,焦炉煤气利用率高,一般2000~2200m3焦炉煤气生产1t 甲醇。

云南曲靖大为炼焦制气厂8万t/a 焦炉煤气制甲醇装置已投产4年多,目前国内在建项目有30余个,共计产能481万t 。

但是,目前利用焦炉煤气生产甲醇的焦化厂多为独立焦化厂。

对于钢铁企业而言,要利用焦炉煤气合成甲醇主要存在以下两方面问题:!需要有充足的焦炉煤气富余量。

生产1t 甲醇需消耗2000~2200m 3的焦炉煤气,一个年产10万t 甲醇的项目每小时焦炉煤气的消耗量为25000m 3。

∀投资规模较大。

一个年产20万t 甲烷的项目,总投资高达4亿元。

1 5 生产直接还原铁理论上讲,焦炉煤气不需要经过热裂解,就可直接供给气基竖炉生产海绵铁。

其工艺过程为:将焦炉煤气和竖炉顶气混合而成的还原气在加热炉中加热,然后直接通入到直接还原炉中生产直接还原铁(DR I)。

在此过程中,焦炉煤气作为还原过程的还原气,而高炉煤气则作为燃料用于加热还原气体[5]。

然而,利用焦炉煤气生产直接还原铁,虽然技术上可行,但距离规模化、产业化应用还有一定的距离。

焦炉煤气生产DR I 没有发展起来,有两大主要原因:(1)焦炉煤气资源问题对于钢铁企业内部的焦化厂而言,焦炉煤气主要用于钢铁厂内热能平衡,其富余的焦炉煤气量不足以供应DR I 的生产需求。

而对于独立焦化企业而言,焦炉煤气约40%~50%用于加热焦炉,其剩余气量也很难满足DR I 生产的需要。

近几年来,虽然焦炭生产能力大幅度提高,产生了大量富余焦炉煤气。

然而,根据M idrex 法换算,生产1t DR I 需要约700m 3焦炉煤气,年产100万t DR I 需7亿m 3焦炉煤气,相当于一个300万t 的焦化厂一年产生的全部焦炉煤气量。

无论是钢铁厂中的焦化厂还是独立焦化厂,目前都很难在一个地点集中7亿m 3的焦炉煤气。

(2)富铁矿资源问题生产DR I 是固态还原,与高炉炼铁相比,不能排渣,因此要求铁矿品位在66%以上。

中国没有高品位铁矿,要生产直接还原铁必须依赖人造富矿或进口高品位铁矿,而这大幅增加了生产DR I 的成本,为焦炉煤气生产直接还原铁制造了障碍。