钢铁厂煤气化工利用途径的探讨

摘要：由于钢铁冶金技术的不断改进，钢铁厂将会产生越来越多的副产煤气，由此而产生了能源浪费和环境污染等问题。本文对钢铁厂煤气的化工利用途径进行了探讨，包括低温分离、合成氨、合成甲醇等。

关键词：低温分离；煤气；回收

中图分类号：TQ011 文献标识码：A 文章编号：

引言：

钢铁生产企业消耗大量的煤炭等化石燃料，在冶炼的同时也产生大量的煤气。传统的钢铁企业，厂内煤气除了自用一部分外，一般是过剩的。以我国现有的焦碳生产能力可确定为1.3 ~ 1.4 亿吨/ 年，是焦碳的出口国，焦炉气和高炉气都有一定的过剩。这部分气体大部分作为燃料气使用，不仅浪费了宝贵的资源，还增加了CO2的排放量。随着国际上对CO2排放量的限制和国家对环境问题的重视，如何经济有效地利用这部分煤气作为化工原料，对于提高企业的经济效益，保护环境都有重要意义。

目前，充分利用钢铁厂的副产煤气可以采取两种选择：一是采用联合循环发电；二是进行化工利用。

合适的过程探讨

从三大煤气的流量和成分来看，转炉煤气的流量较小，不具有生产规模，难以单独来考虑。焦炉煤气富含H2，与N2配合，可用于合成NH3。高炉和转炉煤气富含CO，与焦炉煤气中的H2配合，可用于合成CH3OH。

以一家年产二百万吨钢左右的钢铁厂为例，在目前的生产流程中约有1.5 × 104Nm3 / h 的焦炉气富余，随着近终型连铸工艺的推广，其富余气量将会翻一翻。若取其中的H2作为化工原料，分离后的CH4和CO仍可作为轧钢热源使用。以下以实际生产中有1.5 ×104Nm3 / h 的焦炉气富余为例，进行煤气可利用途径的讨论。

工业上常用的分离气体的方法有膜分离、变压吸附和低温分离，膜分离和变压吸附只适用于小规模的生产过程，考虑到钢铁厂副产煤气的流量和今后扩大生产规模的可能性，采用低温法分离气体比较实际。

1. 合成NH3

从焦炉气中分离H2作为原料气，再配以N2，使H2 IN2 = 3 I 1，然后进入合成塔合成NH3。焦炉煤气经过三段压缩后，脱除CO2、H2S 和H2O（露点- 40℃），然后进入冷箱，经过两级冷却后（温度为- 200℃），进入分离罐，分成汽、液两相，汽相为H2，液相为其他组分。H2分离罐采出的汽相20%用于膨胀制冷，其余80%用于合成NH3。其中，国内已有成熟的合成氨工艺流程设计，可以直接采用。

若采用3.8 X 104Nm3 / h 的焦炉煤气作为原料气，可以得到970 Kmol / 1 的H2，再配以323Kmol / 1 的N2，则NH3的生产规模可达264 吨/ 天，或8.7 万吨/ 年（按330 天/ 年计算）。按3000 元/ 吨NH3计算，液氨的年销售额为26100 万元。

2. 合成CH3OH

采用3.3 X 104Nm3 / h 的焦炉煤气作为原料气，再配以2.31 X 104Nm3 / h 的高炉煤气，使混合气中H2 1 CO= 211，然后进行低温分离，利用得到的H2和CO，进行羰基合成。

原料气经过三段压缩后，脱除CO2、H2S 和H2O（露点- 40℃），然后进入冷箱，经过两级冷却后（温度- 200℃），进入分离罐，分成汽、液两相，汽相为H2，液相为其他组分；液相进入CH4分离塔（12块理论塔板），塔底采出CH4，塔顶采出N2和CO；N2和CO 进入N2分离塔（50 块理论塔板），塔底采出CO，塔顶采出N2。H2分离罐采出的汽相20%用于膨胀制冷，其余80%配合CO，经过加压后（50atm）用于合成CH3OH。

有了合格的CO 和H2，可以利用国内已有成熟的流程，进行CH3OH 的合成。

若采用3.3 X 104Nm3 / h 的焦炉煤气，再配以2.31 X 104Nm3 / h的高炉煤气作为原料气，CH3OH 的生产规模可达343 吨/ 天，或11.3 万吨/ 年（按330 天/ 年计算）。按2 500 元/ 吨CH3OH 计算，CH3OH 的年销售额可达28250 万元。

3. 合成C2H3COOH

气体分离流程与合成CH3OH 相同。若采用3.3 X 104Nm3 / h 的焦炉煤气，再配以7.7 X 104Nm3 / h 的高炉煤气作为原料气，CH3COOH 的产量可达到647 吨/ 天，或21.2 万吨/ 年（按330 天/ 年计算）。按4 000 元/ 吨CH3COOH 计算，CH3COOH 的年销售额可达84 700 万元。

在CH3OH 进行羰基化合成时，需要贵金属催化剂，操作成本在很大程度上取决于贵金属催化剂的消耗。如果流程先进，其利润可能较高。

4. 其他方案

如果只进行气体的分离，然后将分离后的气体输送到其他化工厂作为化工原料，则可以节省大量投资，只是需要对冶金厂和化工厂的各种生产与利益关系进行协调。

方案的选择

方案的选择必须考虑经济效益、产品的市场前景、投资大小、未来发展的可扩展性、排放是否符合环保要求等等。

计算中操作费用主要来源于压缩机的耗电量（占总操作费用的70%），假设工业用电的价格约为0.5元/ 度，原料煤气的价格按生活煤气的价格计算（具体数值见表1）。合成NH3和合成CH3OH 方案的操作费用主要来源于压缩气体的电能消耗，若工厂建在我国西部，目前工业用电的价格约为0.3 元/ 度，操作费用会大幅度降低（大约降低25%）；在有条件的情况下，采用透平代替电机，操作费用还会降低。从计算结果可以看出，合成NH3与合成CH3OH 效益十分接近，工艺复杂程度和设备投资也相差不大，而CH3OH 为化工初级产品，用途广泛，市场前景看好。合成乙酸工艺复杂，而且操作费用中催化剂占很大比例，具体费用与催化剂的种类、操作水平等有很大的关系，这部分费用在此不好估计。但是，由于乙酸的市场价格很高，产量也比较理想，相应的利润也会很可观，在技术和市场允许的条件下可以考虑。

由于转炉煤气中的CO 含量较高，合成CH3OH 或CH3COOH 时可以利用转炉煤气部分替代高炉煤气，按CO 的含量计算，1 立方米的转炉煤气可以替代2 立方米的高炉煤气。由于本文所例举的钢铁厂转炉煤气流量较小，在此没有做进一步的计算，在转炉煤气较多的条件下，用转炉煤气代替高炉煤气后，气体总量减少了，操作费用会有所下降。

结束语：

化工利用途径没有达到理想的生产规模，但是，随着冶金技术的改进，特别是近终型连铸的推广，我国的钢铁生产企业会有更多的副产煤气，而炼焦企业又不可能在近期内大幅度降低产量，从而使化工利用途径达到理想的生产规模，因此，在我国利用富余的煤气生产化工产品具有很大的现实意义。采用冶金和化工过程集成的方法，充分利用冶金工厂的剩余煤气生产化工产品，既减少了污染，又能够提高经济效益，是钢铁厂降耗增效近期的理想选择。

参考文献：

1 王立新，许志宏，谢裕生，杨章远. 洁净炼铁新技术的探讨. 科技导报，1999，30（4）：32

2 王立新，李业民，郭占成，杨章远，谢裕生，王大光，许志宏. 铁精粉熔态还原炼铁与过程集成. 钢铁，1999，7：5 - 7

3 许志宏，王立新，杨章远，谢裕生. 铁矿粉熔态还原炼铁的新流程. 香山会议，1999，9