高炉煤气脱湿技术方案及经济效益分析

时间：2024-07-28

熊林杰

（中琉科技有限公司，福建福州 350000）

钢铁行业是我国经济的支柱产业，又是能耗大户，占我国国民经济总能耗的15%左右[2]。钢铁行业大气污染物治理一直是国家环保事业的重点工作，中华人民共和国生态环境部、发改委及工信部等部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（2019，35号文），其中明确要求当采用有组织排放时，烧结机机头、球团焙烧烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10、35、50 mg/m3；其他主要污染源颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值原则上分别不高于10、50、2 000 mg/m3。目前国内钢铁厂热风炉出口的二氧化硫浓度普遍在100～2 000 mg/m3，远不能满足超低排放的要求。对高炉煤气的有效处理，减少煤气中水分、硫化物等有害物质，提高煤气品质，是解决行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝天保卫战的重要举措。

1 高炉煤气含水的危害

1.1 高炉煤气含水对热值的影响

有研究表明，高炉煤气含水量对使用高炉煤气作为燃料的发电系统有很大影响，如果高炉煤气含水量由原来的60 g/m3减少到10 g/m3后，高炉煤气的理论燃烧温度可以提高50℃[3]。

1.2 高炉煤气含水对管道影响

高炉煤气含有不同状态水分，在钢厂外网管道远距离传输时，其中饱和态水蒸气遇冷会凝结成机械水并在管道内侧形成水膜；伴随液膜的形成煤气中其他杂质也会一并析出，时间较长就会在管道内侧底部堆积，减少管道的通流面积，进而影响高炉煤气的输送压力。

1.3 高炉煤气含水对用气设备的影响

高炉煤气中含有氯离子浓度一般在1～10 g/L，有时可达到20 g/L 以上，氯离子与水反应形成氯化氢等酸性物质，进入设备中极易造成设备酸腐蚀，尤其是使用不锈钢材质的设备，氯离子腐蚀更加严重，对设备运行安全和使用寿命产生很大影响。

同时高含量的氯离子进入后段NASD 脱硫系统，会使催化剂中毒，直接影响脱硫效率和脱硫精度，间接影响了脱硫成本。

表1、表2[4]是高炉煤气含水量随温度的变化情况，以及煤气含水量对煤气热值的影响。由表2可知，随着煤气含湿量的增加，煤气热值迅速下降，且露点温度越高下降越快，60℃的饱和煤气的热值仅有干煤气热值的83.11%。

表1 饱和状态高炉煤气含湿量

表2 不同饱和温度下高炉煤气的成分及热值 %

基于上述几点原因可以分析，对高炉煤气进行脱湿处理，降低其含水率具有重要意义。

2 新型纳米选择吸附脱硫（Nano selective adsorbtion desulfurization，简称NASD）工艺简介

2.1 工艺路线

工艺路线见图1。

图1 新型纳米选择吸附脱硫工艺路线图

2.2 脱硫原理

高炉煤气主要成分为CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO 含量占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分别占15%、55%，热值为3 300～4 200 kJ/m3，总硫含量为100～200 mg/m³。高炉产生的荒煤气中的含硫污染物主要是羰基硫（COS）、硫化氢（H2S）和二硫化碳（CS2），其中羰基硫含量最高，硫化氢次之，以上3 种硫化物占煤气中总硫含量的90%以上。目前行业可做到脱硫精度始终保持在90%以上，如总硫180 mg/m3（标），要求降至20 mg/m3（标）以下，则脱除效率要求在90%以上。

2.2.1 先将有机硫转化为无机硫原理

因为有机硫化学性质比较稳定，直接通过物理化学原理脱除的方法较少，也不会很经济，在实际运用中一般是将有机硫转化为无机硫后再进行脱除，当前将有机硫转化为无机硫的较为成熟的工艺是水解法，其原理如下。

羰基硫的水解反应原理：COS+H2O →H2S+CO2；

二硫化碳水解反应原理：CS2+H2O →H2S+CO2。

2.2.2 无机硫（硫化氢）脱除原理

煤气中的硫化氢主要采用干法脱硫剂进行脱除，硫化氢在一定温度下，在催化剂和氧气的作用下生成单质硫磺和水，由于高炉煤气中会含有定量氧气，所以催化反应的过程不需要再额外补充氧气，是一个完成自足的过程。硫化氢、噻吩及硫醚等无机硫等反应原理如下。

反应原理：H2S+O2→S+H2O。

NASD 工艺系统先进行煤气脱水、脱氯、脱盐，进而除去煤气中的粉尘、氨盐，再送往脱硫塔系统进行干法选择性吸附，并利用吸附剂的可再生性进行解析，实现吸附剂的重复使用，降低吸附剂消耗的成本。该工艺布置在TRT 发电之后，对TRT 功率的影响小，另外对煤气进行净化处理，可解决至用户管路因煤气酸性物质带来的腐蚀问题。本研究团队在对高炉煤气脱湿的过程中首次发现了H2O 会与H2S 产生竞争吸附，降低脱硫吸附剂的吸附能力，影响硫化物的去除效果。为了保证高炉煤气精脱硫装置的稳定运行，在前端设置脱湿装置段必不可少，并统筹考虑脱硫工段的稳定性和运行成本。

3 NASD系统脱湿工艺简介

NASD 高炉煤气脱硫技术采用的是冷冻法，是在煤气脱硫塔之前设置一套HRC 制冷系统，进行高炉煤气降温脱湿，然后通过煤气加热器升温后送入脱硫塔进行煤气精脱。

3.1 煤气系统流程

由BPRT 出口来的高炉煤气汇总后送入煤气脱湿气系统，除去煤气中的粉尘和水分，然后送入煤气脱硫塔完成脱硫，最终供到各个用户（如发电厂、热风炉等）。

3.2 冷冻水系统流程

从溴化锂冷冻机组出来的低温冷冻水经过滤器后，进入脱湿器的冷水冷却器，与进入脱湿器的煤气进行热交换，煤气温度降至15～17℃，煤气降温脱去大量水分，而冷冻水由于夺取煤气中的热量而温度升高，升温后的冷冻水由冷冻水泵抽走送到制冷机内，经制冷后送出低温冷冻水循环使用。

3.3 循环冷却水系统流程

冷却水由循环水泵从水槽吸出送至HRC 制冷系统，在HRC 制冷系统内进行热交换后升温，再回到冷却塔放热而降温流回到冷却水槽，循环使用，如图2所示。

图2 NASD高炉煤气脱湿流程图

4 技术经济分析（概算）

4.1 技术经济分析计算依据

按照市场电价0.6646元/度计算（暂按）。

4.2 效益分析

4.2.1 提高煤气热值效益

高炉煤气除湿对于提高煤气的燃烧温度具有重要作用，煤气燃烧温度的提高将直接提高高炉鼓风的温度，研究表明：高炉鼓风温度每提高100℃可降低焦比20～25 kg/t Fe，同时可增产3%～5%，还可增加喷吹煤粉40～50 kg/t Fe，达到降低炼铁成本的目的[5]。

如采用风量偏小的高炉鼓风脱湿，鼓风含水量从120 g/m3（标）降到10 g/m3（标），则相同工况条件下高炉煤气的热值能从3 023 kJ/m3提升到3 431 kJ/m3，提升13.5%。

4.2.2 减少锅炉的排烟损失

将高炉煤气中的水蒸气脱除之后，就减少了电厂排烟中由水蒸气带走的热量。

以高炉煤气40万m3/h，初始含水率60 g/m3为例，对应水蒸气比例7%，脱除50%水分，可降低3.5%水分，水蒸气不参与燃烧过程而且还随着煤气（进口40℃）进入炉膛被加热至排烟温度（150℃），脱除3.5%水分，烟气比热按1.8 kJ/（kg·℃），对应水分引起的排烟损失也减少，减少的热量为：400 000×3.5%×（150-40）×1.8/3 600=770 kW，按照其中60%用作发电、40%电厂效率，发电量提升770×0.6×0.4=184.8 kW。经济价值提升184.8×0.664 6=122.82元/h。

4.2.3 减少引风机功耗

由于煤气热值提升，煤气的消耗量减少，燃烧所需的配风量也会有所减少。也就是说，锅炉的排烟量减少，由此能够降低引风机的功耗。

4.2.4 为未来钢化联产提供便利

高炉煤气中富含CO，是潜在的化工原料，但因高炉煤气杂质多，需要提纯净化，脱湿净化后氯离子、粉尘大幅降低，为后续分离提纯提供便利。