北大先锋变压吸附技术分离CO应用设计流程
摘要：高炉煤气由于热值和燃烧效率低而被大量放散，采用Cu系吸附剂变压吸附工艺提纯高炉煤气中的CO，提高其热值和燃烧效率，用于下游生产，对于节能降耗和保护环境有着非常重要的意义。
前言
我国是钢铁生产大国，近年来生铁产量呈逐年上升趋势。目前，钢铁工业总能耗已占全国工业总能耗的15%左右，而钢铁企业生产过程中的能源有效率仅为30%左右。在钢铁联合企业，高炉炼铁又是能耗最高的环节。钢铁工业的节能主要包括减少浪费和增加回收两个方面，其中大力回收生产过程中产生的二次能源（例如副产煤气等）是一个非常重要的途径。钢铁生产过程中的副产煤气资源包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。其中高炉煤气排放量约占64%，焦炉煤气约占29%，转炉煤气约占7%，因此高炉煤气的有效利用是钢厂节能降耗的重中之重。
高炉煤气是高炉炼铁过程中的副产煤气，是一种无色、无味、有毒的低热值气体燃料。主要成分为CO、CO2、N2、H2O及少量H2，各成分的含量与高炉所用燃料、生铁品种和冶炼工艺密切相关，其常见的组成如表1所示。
其中最具有二次利用价值的CO含量仅为25%~30%，而惰性组分CO2和N2约占70%，使得高炉煤气的热值很低，一般仅为730~800×4.18 KJ/Nm3左右，而燃料热值只有达到2200×4.18KJ／Nm3左右，才能满足工业炉理论燃烧温度的要求。
目前，高炉煤气的利用并不充分，大部分冶金工厂高热值煤气紧缺，而高炉煤气富余，存在不同程度的高炉煤气放散现象，达不到煤气的有效利用。很多钢铁联合企业一方面在放散高炉煤气，一方面又要购入重油、天然气或者烧自产焦油等作为能源补充。高炉自身热风炉会用掉40%～50%的高炉煤气，其余大部分如果放散到大气中，将会造成环境的污染和能源的浪费。国家计委、经贸委、科委颁发的《中国节能技术大纲》中要求，冶金重点企业高炉煤气排放损失率应为4%以下。
目前，在冶金联合企业生产中，高炉煤气可以用于热风炉、炼焦、加热炉和发电等，具体利用途径如下：一是高炉煤气用于轧钢加热炉，采用蓄热式燃烧技术。应用高温空气燃烧技术，将高炉煤气与助燃空气双预热到1000℃以上，使单一高炉煤气的理论燃烧温度达到2200℃以上，热效率高于常规加热炉约30%。蓄热式燃烧炉难以控制供气、炉压稳定和燃烧稳定，改造时间长、维护成本高。二是高炉煤气与高热值气体燃料混合，配成满足加热炉使用要求的次高热燃料。可与焦炉煤气、天然气、液化石油气等混合，作为均热炉、加热炉、热处理炉等炉子的燃料，并可用于烧结机点火、加热热轧的钢锭、预热钢水包等。三是高炉煤气用于烧锅炉，满足工厂用蒸汽的同时再发电。高炉煤气蒸汽联合循环发电(简称CCPP)效率高，成本低，但建设投资巨大；供应给其他企业则不够经济。四是单独预热高炉煤气，提高轧钢的入炉温度。
北大先锋于2012年为华菱衡钢设计建成PSA高炉煤气提浓CO装置，采用变压吸附技术，利用Cu系吸附剂从高炉煤气中分离提纯CO。变压吸附法具有投资少、操作弹性大、自动化程度高、操作简单等优点，而Cu系吸附剂相比常规变压吸附使用的5A分子筛，对于CO和N2有更大的分离系数，尤其适合从氮气含量高的高炉煤气中将CO提纯出来。
采用Cu系吸附剂变压吸附法提纯高炉煤气中CO工艺
本文以投产的湖南衡钢百达先锋能源科技有限公司高炉煤气变压吸附提纯CO装置为例，介绍了采用北大先锋变压吸附技术分离CO的应用情况。装置设计收率92%，CO产品气浓度根据用户需要在60%~70%范围内可调，产品气作为燃料用于钢管加工。设计流程图、原料气组成及产品气要求如图1、表2、表3所示。
工艺流程
由于高炉煤气中含有微量的COS、O2等杂质，而且含量不稳定，本工艺设计了预处理工序。该工序采用脱硫和除氧工艺，脱硫塔和除氧塔中装填北大先锋科技有限公司专有的脱硫剂和除氧剂，使高炉煤气中的总硫在进入变压吸附工序之前被脱除至1ppm以下，O2被脱除至5ppm以下。
脱硫工艺采用干法脱硫，主要包括常温水解、粗脱硫、精脱硫三个步骤。在水解步骤中，大部分的COS被水解成H2S，水解率大于95%；水解后的气体经过粗脱硫后，绝大部分H2S被脱硫剂吸附；剩余的COS和H2S经过精脱硫吸收后，总硫脱除至1ppm以下。除氧工艺采用北大先锋自主研制开发的PU-5除氧剂，在CO氛围下，催化微量O2和CO进行反应，将O2脱除至5ppm以下。
PSA-CO工序采用变压吸附分离工艺，经过预处理后的洁净气体在PSA-CO工序中经过吸附、均压降压、顺放、抽真空、均压升压、终充压循环过程分离提纯CO。CO作为产品气常压析出，经过压缩机压缩到用户要求压力，外送至用户使用处。PSA-CO工序采用了北大先锋开发的分离CO高效吸附剂，在未使用置换步骤的前提下，不但满足CO产品的高纯度要求，同时节省了一次性投资和运行费用，流程相对简化，操作变得简单易控。
装置实际运行结果分析
该高炉煤气提纯CO装置从2013年6月8日一次性开车成功后一直运行稳定，而且在高炉生产波动较大时也能满足各种工况下的使用要求。实际运行72小时测得平均产品气规格（气相色谱外标法）如下。
实际运行中，高炉煤气中的COS浓度经常发生变化，在50ppm~120ppm之间波动，预处理工序可通过温度的适当调整能完全脱除COS。
高炉煤气中CO含量的设计值为24%，但实际运行过程中只有18%~22%，在这种浓度范围内，CO产品气中的CO含量还能达到设计要求。当原料气中CO浓度>20%时，产品气中CO浓度>72%。
平均高炉煤气消耗量60000Nm3/h，CO产品气量18000Nm3/h，收率在93%左右，产品纯度可根据需要在60%~70%范围内调节，完全满足衡钢下游工段的热值需求，节能效果显著。按照产品气与天然气的热值计算，CO产品气每小时可代替天然气4537m3，年代替量达到3974×104m3，相当于衡钢原来约1/3的天然气用量，很大程度上缓解了衡钢用气紧张的局面。
总结
高炉煤气中含有丰富的CO气体，具有很高的利用价值。利用北大先锋的Cu系吸附剂变压吸附工艺分离提纯高炉煤气中CO气体，将高炉气中CO组分含量从22%（热值731Kcal/Nm3）提纯到70%（热值2200Kcal/Nm3），作为燃料气用于钢管加工，在节能降耗方面有着重要意义。另外，利用该项技术还能将高炉煤气中的CO提浓至98.5%以上，从而用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，这不但实现了钢铁和化工两个行业的资源整合，具有良好的经济效益，还有助于降低钢铁和化工企业整体的一次能源使用量，从而降低二氧化碳排放量，促进产业耦合，推动行业实现绿色、低碳、可持续发展。
来源：中国冶金报-中国钢铁新闻网顾光临