銳意自控|鋼鐵焦化行業焦爐煤氣利用技術及紅外煙氣分析儀器介紹

隨著焦化行業的發展，焦爐煤氣除部分返回焦爐加熱外，剩余主要作為城市煤氣，還有相當數量的焦爐煤氣會通過火炬燃燒放空。據估計每年約有350×108m3以上的焦爐煤氣未被有效利用而付之一炬，這不僅造成環境污染，還浪費了大量能源。根據焦爐煤氣的特點（含氫量高），我國焦化行業應進一步開發出符合企業特點的應用技術，進而實現煤氣資源的優化開發利用，增加焦爐煤氣的利用價值，增強煉焦行業的整體競爭力。近年來，我國焦爐煤氣利用程度不斷提高，在開發利用技術方面進行了一系列探索，本文總結出七種常用的焦爐煤氣綜合利用節能技術。

一、焦爐煤氣用作氣體燃料

焦爐煤氣是的中熱值氣體燃料，其熱值為17兆焦~19兆焦/標準立方米，煤氣的主要成分（體積百分比）為氫55％~60％、甲烷23％~27%、一氧化碳5％~8％，含兩個以上的碳原子的不飽和烴2％~4％，以及少量的二氧化碳、氮、氧等。由于我國油氣資源缺乏，為解決大中城市民用燃氣緊張的問題，20世紀80年代焦爐煤氣曾一度廣泛應用于民用燃氣領城。目前，在天然氣還沒有通達而焦化行業有一定基礎的地區，焦爐煤氣仍是民用煤氣和其他工業生產的主要氣體燃料提供者。如我國景德鎮等地將焦爐煤氣用作陶瓷廠窯爐的加熱燃料，生產出的陶瓷制品。此外，焦爐煤氣還可用作水泥和玻璃等工業生產的燃料。

二、利用焦爐煤氣發電

由于焦爐普遍采用了的煙氣余熱回收技術，約有50％~55％的焦爐煤氣富余，我國許多焦化企業將剩余的焦爐煤氣用于發電。焦爐煤氣發電有三種方式，分別為蒸汽發電（熱電聯產）、燃氣輪機發電和內燃機發電，目前這幾種發電方式在國內均有應用，技術成熟。如果焦化企業與高電耗生產匹配或與發供電企業聯營，且上網電價合適，焦爐煤氣用于發電可作為優先選擇的技術路之一。其運行與管理簡便，生產作業間長，可采取多種方式，企業收益穩定。

1、蒸汽發電，熱電聯產供熱與發電兼用。蒸汽發電由鍋爐-凝氣式氣輪機-發電機組成。該工藝以焦爐煤氣作為熱源燃燒鍋爐，生成高壓蒸汽，用以帶動汽輪機、發電機而發電。蒸汽發電技術過關、成熟可靠。在我國焦化行業應用較廣泛，但其系統復雜、占地面積大、啟動時間長。

2、焦爐煤氣用于燃氣輪機發電。燃氣輪機發電是用焦爐煤氣直接燃燒，驅動燃氣輪機以帶動發電機發電。燃氣輪機發電機組設備緊湊、占地少、效率高、效益好、啟動速度快。不過，燃氣輪機運行一段時間后必須遠距離運回制造廠檢修，因此需要較多的備品，要求工人有較高的技術素質。

3、燃氣——蒸汽聯合循環發電技術（CCPP）。該技術的基本原理是將剩余的焦爐煤氣和回收的高爐煤氣經凈化、混合、加壓后送往燃氣輪機燃燒、膨脹做功，帶動燃氣輪發電機組發電。同時燃氣輪機排放的高溫煙氣加熱余熱鍋爐，產生蒸汽，帶動蒸汽輪發電機組，形成聯合循環發電。燃氣——蒸汽聯合發電是熱能資源的梯級綜合利用，其發電效率高達45％以上，實現了鋼電聯產，目前我國的濟鋼、寶鋼、太鋼、沙鋼、通鋼、鞍鋼、馬鋼、邯鋼、安鋼、漣鋼等多家鋼廠都在使用該技術。

4、用煤氣內燃機帶動發電機發電。我國山東、山西、寧夏、安微、河北、新疆、內蒙古、云南、江蘇等地的一些焦化廠采用煤氣內燃機發電。可供選擇的焦爐煤氣內燃機發電機組有400千瓦、500千瓦、1200千瓦和2000年瓦。目前焦化行業大多采用的是500千瓦焦爐煤氣內燃機發電機組。按焦爐煤氣熱值（低熱值）16720千焦/立方米計算，1立方米焦爐煤氣可發電1.1千瓦時。

三、利用焦爐煤氣制氫

焦爐煤氣中的氫含量達55％~60％，是重要的氫資源提供者。目前，焦爐煤氣制氫的主要方法是采用變壓吸附技術（PSA）從冷焦爐煤氣中分離氫氣，該工藝生產的氫氣純度可達99.99％，從上世紀80年代開始，我國寶鋼、鞍鋼、武鋼、本鋼、包鋼等鋼鐵企業先后建設了多套100立方米/時至5000立方米/時、純度為99.999％的焦爐煤氣變壓吸附制氫裝置，其中投產運行時間長的一套已達20多年。我國有多家鋼鐵企業采用PSA從焦爐煤氣中分離氫氣，用作軋鋼廠保護性氣體。

據了解，日本鋼鐵行業每年提供約40億標準立方米氫氣供應給燃料電池行業使用，通過改進工藝，未來其供應量將進一步增加。另外，由于大多數日本鋼廠位于城市中心附近，所以未來城市所需的大部分清潔能源可由鋼廠負責供應。在我國，隨著氫電池開發、應用成本的降低，利用煉焦煤氣提氫將成為焦爐煤氣資源化利用的新亮點。采用煉焦煤氣生產氫氣將是未來煉焦煤氣資源化應用的新途徑。

四、焦爐煤氣用于生產直接還原鐵

傳統的煉鐵工業*依靠碳為還原劑，隨著煉焦煤和焦炭資源的日益短缺，業界正在開發資源節約、環境友好的氫冶金，用焦爐煤氣直接還原鐵是氫冶金重要的應用技術之一。由于氫的還原潛能是一氧化碳的14倍，大力開發焦爐煤氣直接還原鐵，可以大大降低煉鐵過程對煉焦煤和焦炭的消耗。直接還原鐵生產技術的關鍵在于還原性氣體（70％H2和30％C0）的制備，而焦爐煤氣中H2和甲烷含量分別在55％~60％和23％~27％，只需將焦爐煤氣中的甲烷進行裂解（重整）即可獲得74％的H2和25％的CO，以此作為直接還原生產海錦鐵的還原性氣體非常廉價。

用焦爐煤氣生產直接還原鐵的研究以HYL-ZR（自重整）希爾工藝技術為基礎，其通過在自身還原段中生成還原氣體而實現zuijia的還原效率，因此，該工藝無需使用外部重整爐設備或者其他的還原氣體生成系統。采用HYL-ZR（自重整）希爾工藝用焦爐煤氣生產直接還原鐵的生產成本較低，直接還原鐵的金屬率可達94%。

五、焦爐煤氣用于高爐欥煉鐵

高爐噴吹含氫介質強化氫還原已成為當今冶煉工藝的熱點。首先，無論從熱力學還是從動カ學條件看，高溫下氫作為鐵氧化物的還原劑比一氧化碳更具優勢；其次，氫還原的氣態產物是水蒸氣而不是二氧化碳，故噴吹含氫介質可減少二氧化碳的產生量。煉焦過程中，煤炭72％~78％生成焦炭，15％~18％生成焦爐煤氣。在煉鐵過程中，焦炭的還原當量與焦爐煤氣的還原當量之比為1：1，因為H2的還原潛能與CO的還原潛能之比為14：1。因此，將焦爐煤氣通入高爐中同樣可以煉鐵，相當于提高了煉焦煤資源的利用率，可緩解煉焦煤資源供應緊張的問題。

與天然氣相比，焦爐煤氣的還原性能更好。法國、俄羅斯等國已把高爐噴吹焦爐煤氣作為節能減排關鍵技術進行開發，目前我國也已開始了高爐噴吹焦爐煤氣的研究，鋼鐵聯合企業的焦化廠應關注該技術的發展。

六、焦爐煤氣作為化工原料生產合成氣

近年來隨著科技的進步與廣大企業的勇于探素，焦爐煤氣的應用領域拓展到制化肥、甲醇-二甲醚、提取甲烷制LNG和合成甲烷等。

1、焦爐煤氣制合成氨——尿素。早在20世紀60年代，我國本溪鋼鐵公司第二焦化廠開發了焦爐煤氣熱裂解技術用于制純氫，與空分氮氣合成氨，進而生產尿素。

2、焦爐煤氣生產甲醇。每生產1噸甲醇可消耗焦爐煤氣2000立方米～2200立方米，對富余的煉焦煤氣消費非常可觀。以焦爐煤氣生產甲醇500萬噸計算，就可以消耗焦爐煤氣100億～120億立方米。因此，利用焦爐煤氣制甲醇、二甲醒、人造汽油等資源化開發利用比作為燃料具有更大的經濟和社會效益。為推進甲醇燃料的應用，國家先后出臺了M15、M85等甲醇汽油標準，山西、陜西、河南等地已經開始甲醇汽油的車用試點。

3、焦爐煤氣提取或合成天然氣。

在焦爐氣組成中，甲烷含量約23％～27％，一氧化碳和二氧化碳含量占近10％，其余為氫和少量氮，因此焦爐氣通過甲烷化反應，可以使絕大部分一氧化碳和二氧化碳轉化成甲烷，得到主要含氫、甲烷、氮的混合氣體，經進一步分離提純后可以得到甲烷體積在90％以上的合成天然氣（SNG），再經壓縮得到壓縮天然氣（CNG）或經液化得到液化天然氣（LNG）。焦爐煤氣深度凈化后經甲烷化生產天然氣（SNG/CNG/LNG）的技術，具有投資小、消耗低、無污染、能量利用率高等優勢，是焦化企業較佳的選擇。

七、焦爐煤氣直接生產合成氣

在焦化生產中，從炭化室經上升管逸出的650℃~700℃的荒煤氣，在橋管和集氣管中被大量噴灑的70℃～75℃循環氨水卻至80℃～85℃，接著又在初冷器中被冷卻水冷卻到25C～40℃、650℃～700℃的高溫荒煤氣所帶出的顯熱相當于煉焦過程總熱量的32％，這部分能量幾乎未被利用而白白浪費了。

為充分利用這部分熱量，20世紀90年代，德國提出建立生產兩種產品——焦炭和還原性氣體的焦化廠，即高溫荒煤氣從炭化室逸出后不冷卻，直接進入熱裂解爐、將焦爐煤氣中的煤焦油、粗苯、氨、萘等有機物熱裂解成以CO和H2為主要成分的合成氣體。這種合成氣體可以作為生產合成氨、生產甲醇-二甲醚等的原料氣，也可以生產直接還原鐵。

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（來源：工業過程氣體監測技術）