變壓吸附濃縮高爐煤氣的經(jīng)濟性分析

陳 莎， 萬 博， 伍 科

(北京北大先鋒科技有限公司， 北京 100080)

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變壓吸附濃縮高爐煤氣的經(jīng)濟性分析

陳 莎， 萬 博， 伍 科

(北京北大先鋒科技有限公司， 北京 100080)

高爐煤氣由于熱值和燃燒效率低而大量放散，本文提出采用變壓吸附技術(shù)濃縮高爐煤氣提高其熱值和燃燒效率。進行了燃燒效率和工程及技術(shù)經(jīng)濟性分析，結(jié)果表明高爐煤氣濃縮是利用高爐煤氣最有效的節(jié)能方式，具有廣闊應(yīng)用前景。

高爐煤氣； 變壓吸附； 濃縮； 經(jīng)濟性

1 高爐煤氣的概況

高爐煤氣(Blast Furnace Gas，BFG)是高爐煉鐵過程中的副產(chǎn)品，排放量在鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣中所占比重最高，主要成分為：N2、CO、CO2、H2、CH4等，如表1。

表1 常見高爐氣的主要組成(干基) %

由于高爐煤氣的熱值一般僅有3 000～3 800 kJ/m3左右，不能滿足工業(yè)爐理論燃燒溫度對熱值的要求，大部分鋼鐵廠都不同程度地存在高爐煤氣放散現(xiàn)象，不僅污染環(huán)境，還浪費能源。

近年來，國家對鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排工作非常重視，高爐煤氣放散有所減少。高爐煤氣的利用方式以燃燒為主，主要用途：1)直接在高爐熱風爐使用；2)直接在復熱式煉焦爐使用；3)與高熱值氣體混合用在加熱爐、均熱爐等；4)采用蓄熱式燃燒技術(shù)用于軋鋼加熱爐；5)純燒高爐煤氣的鍋爐發(fā)電；6)高爐煤氣作為主要燃料的燃氣輪機、蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)。

將高爐煤氣中的有效組分CO提濃后加以利用，不僅能大大降低放散率，而且可以降低企業(yè)的燃料費用，甚至獲得化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。將CO提濃至65%～70%，燃燒值可達8 200～9 000 kJ/m3，產(chǎn)品氣能夠作為高熱值燃料直接燃燒[1]，或者作為高爐噴吹的還原氣體[2]。將CO提濃至98.5%以上，高純的CO產(chǎn)品氣可進一步生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品[3]。

2 變壓吸附提純高爐煤氣實踐

衡陽華菱鋼管有限公司(以下簡稱“衡鋼”)是具備年生產(chǎn)100萬t鐵、120萬t鋼、150萬t管生產(chǎn)能力的專業(yè)化無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)。高爐煤氣年產(chǎn)量約為21×108m3，其中約35%用于熱風爐，約2%用于燒結(jié)爐、約38%與天然氣混合用于軋鋼加熱爐，剩余部分大都放散，放散率最高時達29%，最低也有23%左右[4]。為了滿足生產(chǎn)對高熱值燃料的需求，衡鋼外購天然氣與高爐煤氣摻燒，供軋鋼加熱爐使用，造成對高熱值燃氣大量需求而低熱值煤氣得不到有效利用的狀況。將高爐煤氣提純得到高熱值燃氣，成為衡鋼節(jié)能增效的選擇。

2012年，北大先鋒與衡鋼合作，設(shè)計建成PSA高爐煤氣提純CO裝置。該裝置已經(jīng)順利投產(chǎn)，目前運行穩(wěn)定，各項指標優(yōu)異，平均高爐氣消耗量60 000 m3/h，產(chǎn)品氣量18 000 m3/h，CO收率在93%左右。產(chǎn)品氣CO濃度可根據(jù)需要在60%～70%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，完全滿足衡鋼下游用戶的熱值需求，節(jié)能增收效果顯著。裝置的平均氣體組分和氣量如表2所示。

表2 平均氣體組分及氣量

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 成本核算

采用PSA-CO裝置提純高爐煤氣的成本是企業(yè)關(guān)注的首要問題。PSA-CO產(chǎn)品氣成本包含固定成本與可變成本。按照高爐煤氣原料氣價格0.04元/m3、產(chǎn)品氣氣量18 000 m3/h、裝置設(shè)計運行期10年、年開工率94%進行計算，PSA-CO產(chǎn)品氣固定成本計算結(jié)果列于表3，可變成本見表4。

表3 單位產(chǎn)品氣固定成本核算

表4 單位產(chǎn)品氣能耗與運行成本

經(jīng)計算， 產(chǎn)品氣綜合成本合計約為0.154+0.372 1=0.522 5元/m3。如果不計高爐煤氣原料氣成本，PSA-CO產(chǎn)品氣的總成本為0.393 1元/m3。

3.2 燃燒經(jīng)濟性分析

由于高爐煤氣和提濃后的70%CO產(chǎn)品氣均作為燃料燃燒，故對它們?nèi)紵?jīng)濟性分析。CO濃度為22.4%的60 000 m3/h的高爐煤氣的燃燒數(shù)據(jù)與18 000 m3/h濃度為70%的CO產(chǎn)品氣燃燒數(shù)據(jù)見表5。表5計算設(shè)有三個限定條件：1)假定兩種燃氣都在絕熱條件下完全燃燒，并采用相同的燃燒爐；2)假定兩種燃氣均為干燃氣，空氣為干空氣；3)高爐煤氣和富CO產(chǎn)品氣的各組分含量取自表2中的數(shù)據(jù)，氧氣量近似為0。

表5 高爐煤氣和PSA-CO產(chǎn)品氣的燃燒過程計算

附注：

Hi—燃氣中某一可燃組分的低熱值，kJ/m3，CO為12 640 kJ/m3，H2為18 790 kJ/m3，CH4為35 880 kJ/m3；

ri—燃氣中某一可燃組分的體積百分比；

xi—煙氣中某一組分的體積百分比；

Vi—單位時間內(nèi)干燃氣完全燃燒后所產(chǎn)生的某一組分體積，m3/h；

ci，cg，ca—某組分氣體、燃氣、空氣0～tf℃，0～tg℃，0～ta℃的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)，數(shù)據(jù)可由表查得；

Tf，Tg，Ta—煙氣、燃氣、空氣的絕對溫度，分別為423 K，313 K，313 K；

Q4—煙氣中的CO2和H2O在高溫下分解所消耗的熱量，kJ/h，數(shù)據(jù)由表可查得。

從表5的數(shù)據(jù)可知，高爐煤氣的熱值3 199 kJ/m3，理論燃燒溫度僅為1 315 ℃；富CO產(chǎn)品氣的熱值為8970 kJ/m3，理論燃燒溫度達到了2 095 ℃，滿足了衡鋼工業(yè)爐對燃料的要求，可以直接燃燒使用。

對比燃燒60 000 m3/h的高爐煤氣和18 000 m3/h的富CO產(chǎn)品氣產(chǎn)生的熱量可以發(fā)現(xiàn)，由于提純后CO的回收率約為93%，且CH4和H2會有一部分損失，所以產(chǎn)品氣燃燒產(chǎn)生的熱量大約是高爐煤氣的84%；對比燃燒兩種氣體煙氣帶出的熱量可知，當排煙溫度為150 ℃時燃燒富CO產(chǎn)品氣的排煙損失率為16.3%，明顯低于高爐煤氣27.5%的排煙損失率(見圖1)，燃燒效率明顯提高。

圖1 高爐煤氣和PSA-CO產(chǎn)品的煙氣熱量損失

通過以上計算分析可知，富CO產(chǎn)品氣比高爐煤具有更高的熱值、理論燃燒溫度和燃燒效率，具有更好的燃燒經(jīng)濟性。

3.3 效益分析

2013年底項目完工后，衡鋼可把約60 000 m3/h

高爐煤氣提純得到的18 000 m3/h 70%的CO產(chǎn)品氣直接輸送到加熱爐使用。根據(jù)燃燒熱量進行估算，可以得到PSA-CO產(chǎn)品氣等燃燒熱量的天然氣量。根據(jù)PSA-CO產(chǎn)品氣的總成本和衡鋼地區(qū)天然氣價格，可計算出該提純裝置的年創(chuàng)收額，結(jié)果如表6所示。

表6 PSA-CO產(chǎn)品氣的天然氣當量及經(jīng)濟效益

從表6中數(shù)據(jù)可以看到，PSA-CO產(chǎn)品氣每小時可替代的天然氣量約4 537 m3，年替代量達到3 974×104m3，相當于衡鋼原來約1/3的天然氣用量，很大程度上緩解了衡鋼天然氣緊張的局面。根據(jù)實際開工情況，扣除裝置的總成本后，該項目每年可為衡鋼直接創(chuàng)收約2 946萬元。

4 結(jié)語

高爐煤氣提濃技術(shù)，解決了一直困擾我國鋼鐵企業(yè)高爐煤氣放散的難題，大幅減少了能源浪費，給企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。提濃到70%左右的CO產(chǎn)品氣可以作為高熱值燃燒氣體或還原性氣體，減少煤、天然氣或煤、焦的使用量；提濃到98.5%以上的CO還可進一步用于化工生產(chǎn)，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等。此項技術(shù)適用于高爐氣存在放散情況且天然氣、液化氣等能源供應(yīng)緊張的鋼鐵企業(yè)，尤其在市場競爭激烈、環(huán)境問題日益嚴重的今天，此項技術(shù)具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1] 耿云峰，等.一種高爐煉鐵方法[P].CN 101463398A.

[2] 耿云峰,等.一種高爐氣濃縮的工藝[P].CN102643681A.

[3] 唐宏青.碳一化工新技術(shù)概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4] 周維漢.衡鋼高爐煤氣利用現(xiàn)狀分析及對策措施[A].全國能源與熱工2010學術(shù)年會文集[C].

工信部:將修訂發(fā)布鉛鋅鎢錫金等行業(yè)規(guī)范條件

工信部在部署2015年有色金屬行業(yè)工作時提出,繼續(xù)完善行業(yè)規(guī)范管理,將修訂發(fā)布《鉛鋅行業(yè)規(guī)范條件》及《鎢錫行業(yè)規(guī)范條件》,研究制定《黃金行業(yè)規(guī)范條件》,推動出臺《稀有金屬管理條例》等行業(yè)規(guī)范條例。

工信部原材料工業(yè)司2月11日發(fā)布了《2014年我國有色金屬工業(yè)運行情況分析和2015年行業(yè)形勢展望》,提出要研究起草“十三五”行業(yè)發(fā)展規(guī)劃,包括《有色金屬行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》、《黃金行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》和《鋁工業(yè)發(fā)展指導意見》。

工信部提出2015年將加強規(guī)范準入管理與金融、環(huán)保、能源等政策銜接,研究建立行業(yè)規(guī)范后續(xù)管理工作制度,強化已公告企業(yè)的動態(tài)監(jiān)管。并將推動出臺《稀有金屬管理條例》;調(diào)整稀有金屬指令性生產(chǎn)計劃下達方式,探索下達仲鎢酸銨冶煉生產(chǎn)指標;研究推動鎢、鉬資源稅改革。

工信部還指出,2015年將研究提出有色金屬行業(yè)“兩化融合”標準體系,支持引導企業(yè)利用新一代信息技術(shù),以產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺、智能工廠示范、虛擬技術(shù)平臺研發(fā)等為重點,推動有色企業(yè)生產(chǎn)自動化、管理信息化、流程智能化、制造個性化,打造數(shù)字型、智慧型和服務(wù)型產(chǎn)業(yè)。

另外,工信部還將繼續(xù)推進化解電解鋁過剩產(chǎn)能,加大對在建項目監(jiān)督力度,嚴控電解鋁產(chǎn)能擴張;鼓勵區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有電廠和電解鋁廠依產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合,結(jié)合電力體制改革,研究推動網(wǎng)電、自備電及局域網(wǎng)之間的電價公平,扭轉(zhuǎn)部分技術(shù)水平高、資源條件好的電解鋁企業(yè)長期因電價不公平造成的虧損局面;建立鋁材上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,擴大鋁材在建筑、電力、交通、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用;鼓勵國內(nèi)鋁企業(yè)在境外建設(shè)電解鋁及鋁加工。

工信部：年內(nèi)完成稀土礦山及冶煉分離企業(yè)整合

工業(yè)和信息化部辦公廳印發(fā)《2015年原材料工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展工作要點的通知》，提出2015年底前6家稀土大集團完成全國所有稀土礦山和冶煉分離企業(yè)整合。

《通知》指出，原材料工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，資源能源高度密集，當前面臨著產(chǎn)能嚴重過剩、市場需求不足、資源環(huán)境約束加大、技術(shù)創(chuàng)新水平不高等諸多突出問題，轉(zhuǎn)型發(fā)展任務(wù)十分艱巨。

《通知》提出，加強戰(zhàn)略性資源管理，全面落實行業(yè)管理任務(wù)：一是加快稀土大集團建設(shè)。2015年底前6家稀土大集團完成全國所有稀土礦山和冶煉分離企業(yè)整合，實現(xiàn)以資產(chǎn)為紐帶的實質(zhì)性重組。二是深入打擊稀土違法違規(guī)行為。進一步落實地方政府監(jiān)管主體責任，嚴肅查處存在問題的企業(yè)和個人。建立稀土產(chǎn)品追溯機制，利用稀土專用發(fā)票、出口數(shù)據(jù)等信息，倒查違法違規(guī)企業(yè)產(chǎn)品來源。三是大力發(fā)展高端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。繼續(xù)支持和引導稀土高端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展。四是加強生產(chǎn)和流通管理。嚴控新上稀土礦山開發(fā)和冶煉分離項目，嚴格稀土、鎢、螢石生產(chǎn)總量控制計劃管理等。五是繼續(xù)完善行業(yè)管理政策法規(guī)。

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

陳莎(1985—)，女，河南焦作人，技術(shù)工程師，博士，從事變壓吸附分離CO、變壓吸附制氫、高爐煤氣、黃磷尾氣等工業(yè)尾氣處理等方面的工程與研究工作。

2014-- 08-- 08

2015-- 02-- 02

TF05

B

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