隨著焦化行業(yè)的發(fā)展,焦?fàn)t煤氣除部分返回焦?fàn)t加熱外,剩余主要作為城市煤氣,還有相當(dāng)數(shù)量的焦?fàn)t煤氣會(huì)通過火炬燃燒放空。據(jù)估計(jì)每年約有350×108m3以上的焦?fàn)t煤氣未被有效利用而付之一炬,這不僅造成環(huán)境污染,還浪費(fèi)了大量能源。根據(jù)焦?fàn)t煤氣的特點(diǎn)(含氫量高),我國焦化行業(yè)應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)出符合企業(yè)特點(diǎn)的應(yīng)用技術(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤氣資源的優(yōu)化開發(fā)利用,增加焦?fàn)t煤氣的利用價(jià)值,增強(qiáng)煉焦行業(yè)的整體競爭力。近年來,我國焦?fàn)t煤氣利用程度不斷提高,在開發(fā)利用技術(shù)方面進(jìn)行了一系列探索,本文總結(jié)出七種常用的焦?fàn)t煤氣綜合利用節(jié)能技術(shù)。
焦?fàn)t煤氣是的中熱值氣體燃料,其熱值為17兆焦~19兆焦/標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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?xì)饩o張的問題,20世紀(jì)80年代焦?fàn)t煤氣曾一度廣泛應(yīng)用于民用燃?xì)忸I(lǐng)城。目前,在天然氣還沒有通達(dá)而焦化行業(yè)有一定基礎(chǔ)的地區(qū),焦?fàn)t煤氣仍是民用煤氣和其他工業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)怏w燃料提供者。如我國景德鎮(zhèn)等地將焦?fàn)t煤氣用作陶瓷廠窯爐的加熱燃料,生產(chǎn)出的陶瓷制品。此外,焦?fàn)t煤氣還可用作水泥和玻璃等工業(yè)生產(chǎn)的燃料。
由于焦?fàn)t普遍采用了的煙氣余熱回收技術(shù),約有50%~55%的焦?fàn)t煤氣富余,我國許多焦化企業(yè)將剩余的焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電。焦?fàn)t煤氣發(fā)電有三種方式,分別為蒸汽發(fā)電(熱電聯(lián)產(chǎn))、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電,目前這幾種發(fā)電方式在國內(nèi)均有應(yīng)用,技術(shù)成熟。如果焦化企業(yè)與高電耗生產(chǎn)匹配或與發(fā)供電企業(yè)聯(lián)營,且上網(wǎng)電價(jià)合適,焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電可作為優(yōu)先選擇的技術(shù)路之一。其運(yùn)行與管理簡便,生產(chǎn)作業(yè)間長,可采取多種方式,企業(yè)收益穩(wěn)定。
1、蒸汽發(fā)電,熱電聯(lián)產(chǎn)供熱與發(fā)電兼用。蒸汽發(fā)電由鍋爐-凝氣式氣輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組成。該工藝以焦?fàn)t煤氣作為熱源燃燒鍋爐,生成高壓蒸汽,用以帶動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)而發(fā)電。蒸汽發(fā)電技術(shù)過關(guān)、成熟可靠。在我國焦化行業(yè)應(yīng)用較廣泛,但其系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、啟動(dòng)時(shí)間長。
2、焦?fàn)t煤氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是用焦?fàn)t煤氣直接燃燒,驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備緊湊、占地少、效率高、效益好、啟動(dòng)速度快。不過,燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后必須遠(yuǎn)距離運(yùn)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(shù)素質(zhì)。
3、燃?xì)?mdash;—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(CCPP)。該技術(shù)的基本原理是將剩余的焦?fàn)t煤氣和回收的高爐煤氣經(jīng)凈化、混合、加壓后送往燃?xì)廨啓C(jī)燃燒、膨脹做功,帶動(dòng)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組發(fā)電。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)排放的高溫?zé)煔饧訜嵊酂徨仩t,產(chǎn)生蒸汽,帶動(dòng)蒸汽輪發(fā)電機(jī)組,形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。燃?xì)?mdash;—蒸汽聯(lián)合發(fā)電是熱能資源的梯級(jí)綜合利用,其發(fā)電效率高達(dá)45%以上,實(shí)現(xiàn)了鋼電聯(lián)產(chǎn),目前我國的濟(jì)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(shù)。
4、用煤氣內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。我國山東、山西、寧夏、安微、河北、新疆、內(nèi)蒙古、云南、江蘇等地的一些焦化廠采用煤氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。可供選擇的焦?fàn)t煤氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組有400千瓦、500千瓦、1200千瓦和2000年瓦。目前焦化行業(yè)大多采用的是500千瓦焦?fàn)t煤氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。按焦?fàn)t煤氣熱值(低熱值)16720千焦/立方米計(jì)算,1立方米焦?fàn)t煤氣可發(fā)電1.1千瓦時(shí)。
焦?fàn)t煤氣中的氫含量達(dá)55%~60%,是重要的氫資源提供者。目前,焦?fàn)t煤氣制氫的主要方法是采用變壓吸附技術(shù)(PSA)從冷焦?fàn)t煤氣中分離氫氣,該工藝生產(chǎn)的氫氣純度可達(dá)99.99%,從上世紀(jì)80年代開始,我國寶鋼、鞍鋼、武鋼、本鋼、包鋼等鋼鐵企業(yè)先后建設(shè)了多套100立方米/時(shí)至5000立方米/時(shí)、純度為99.999%的焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫裝置,其中投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間長的一套已達(dá)20多年。我國有多家鋼鐵企業(yè)采用PSA從焦?fàn)t煤氣中分離氫氣,用作軋鋼廠保護(hù)性氣體。
據(jù)了解,日本鋼鐵行業(yè)每年提供約40億標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣供應(yīng)給燃料電池行業(yè)使用,通過改進(jìn)工藝,未來其供應(yīng)量將進(jìn)一步增加。另外,由于大多數(shù)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(fù)責(zé)供應(yīng)。在我國,隨著氫電池開發(fā)、應(yīng)用成本的降低,利用煉焦煤氣提氫將成為焦?fàn)t煤氣資源化利用的新亮點(diǎn)。采用煉焦煤氣生產(chǎn)氫氣將是未來煉焦煤氣資源化應(yīng)用的新途徑。
傳統(tǒng)的煉鐵工業(yè)*依靠碳為還原劑,隨著煉焦煤和焦炭資源的日益短缺,業(yè)界正在開發(fā)資源節(jié)約、環(huán)境友好的氫冶金,用焦?fàn)t煤氣直接還原鐵是氫冶金重要的應(yīng)用技術(shù)之一。由于氫的還原潛能是一氧化碳的14倍,大力開發(fā)焦?fàn)t煤氣直接還原鐵,可以大大降低煉鐵過程對(duì)煉焦煤和焦炭的消耗。直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵在于還原性氣體(70%H2和30%C0)的制備,而焦?fàn)t煤氣中H2和甲烷含量分別在55%~60%和23%~27%,只需將焦?fàn)t煤氣中的甲烷進(jìn)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(chǎn)海錦鐵的還原性氣體非常廉價(jià)。
用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵的研究以HYL-ZR(自重整)希爾工藝技術(shù)為基礎(chǔ),其通過在自身還原段中生成還原氣體而實(shí)現(xiàn)zuijia的還原效率,因此,該工藝無需使用外部重整爐設(shè)備或者其他的還原氣體生成系統(tǒng)。采用HYL-ZR(自重整)希爾工藝用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵的生產(chǎn)成本較低,直接還原鐵的金屬率可達(dá)94%。
五、焦?fàn)t煤氣用于高爐欥煉鐵
高爐噴吹含氫介質(zhì)強(qiáng)化氫還原已成為當(dāng)今冶煉工藝的熱點(diǎn)。首先,無論從熱力學(xué)還是從動(dòng)カ學(xué)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(yōu)勢;其次,氫還原的氣態(tài)產(chǎn)物是水蒸氣而不是二氧化碳,故噴吹含氫介質(zhì)可減少二氧化碳的產(chǎn)生量。煉焦過程中,煤炭72%~78%生成焦炭,15%~18%生成焦?fàn)t煤氣。在煉鐵過程中,焦炭的還原當(dāng)量與焦?fàn)t煤氣的還原當(dāng)量之比為1:1,因?yàn)镠2的還原潛能與CO的還原潛能之比為14:1。因此,將焦?fàn)t煤氣通入高爐中同樣可以煉鐵,相當(dāng)于提高了煉焦煤資源的利用率,可緩解煉焦煤資源供應(yīng)緊張的問題。
與天然氣相比,焦?fàn)t煤氣的還原性能更好。法國、俄羅斯等國已把高爐噴吹焦?fàn)t煤氣作為節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開發(fā),目前我國也已開始了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的研究,鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的焦化廠應(yīng)關(guān)注該技術(shù)的發(fā)展。
近年來隨著科技的進(jìn)步與廣大企業(yè)的勇于探素,焦?fàn)t煤氣的應(yīng)用領(lǐng)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?fàn)t煤氣制合成氨——尿素。早在20世紀(jì)60年代,我國本溪鋼鐵公司第二焦化廠開發(fā)了焦?fàn)t煤氣熱裂解技術(shù)用于制純氫,與空分氮?dú)夂铣砂保M(jìn)而生產(chǎn)尿素。
2、焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇。每生產(chǎn)1噸甲醇可消耗焦?fàn)t煤氣2000立方米~2200立方米,對(duì)富余的煉焦煤氣消費(fèi)非常可觀。以焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇500萬噸計(jì)算,就可以消耗焦?fàn)t煤氣100億~120億立方米。因此,利用焦?fàn)t煤氣制甲醇、二甲醒、人造汽油等資源化開發(fā)利用比作為燃料具有更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為推進(jìn)甲醇燃料的應(yīng)用,國家先后出臺(tái)了M15、M85等甲醇汽油標(biāo)準(zhǔn),山西、陜西、河南等地已經(jīng)開始甲醇汽油的車用試點(diǎn)。
3、焦?fàn)t煤氣提取或合成天然氣。
在焦?fàn)t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?fàn)t氣通過甲烷化反應(yīng),可以使絕大部分一氧化碳和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷,得到主要含氫、甲烷、氮的混合氣體,經(jīng)進(jìn)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(jīng)壓縮得到壓縮天然氣(CNG)或經(jīng)液化得到液化天然氣(LNG)。焦?fàn)t煤氣深度凈化后經(jīng)甲烷化生產(chǎn)天然氣(SNG/CNG/LNG)的技術(shù),具有投資小、消耗低、無污染、能量利用率高等優(yōu)勢,是焦化企業(yè)較佳的選擇。
在焦化生產(chǎn)中,從炭化室經(jīng)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(huán)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(dāng)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(fèi)了。
為充分利用這部分熱量,20世紀(jì)90年代,德國提出建立生產(chǎn)兩種產(chǎn)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(jìn)入熱裂解爐、將焦?fàn)t煤氣中的煤焦油、粗苯、氨、萘等有機(jī)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(chǎn)合成氨、生產(chǎn)甲醇-二甲醚等的原料氣,也可以生產(chǎn)直接還原鐵。
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①測量范圍小于200ppm,滿足國家環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);分辨率達(dá)到1ppm,適用于低濃度煙氣認(rèn)證;
②多組分測量氣體間基本無交叉干擾,測量準(zhǔn)確度高;
③數(shù)據(jù)管理簡捷,可通過多種接口傳輸?shù)缴霞?jí)集中控制系統(tǒng);
④配置專業(yè)化預(yù)處理方案,自動(dòng)化程度高,無需人工值守即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
(來源:工業(yè)過程氣體監(jiān)測技術(shù))
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