高炉煤气变压吸附净化系统的工艺研究
摘要：高炉煤气变压吸附净化系统,包括初步除尘箱、布袋除尘器、TRT/BPRT(高炉煤气余压透平发电装置/高炉煤气透平与电机同轴驱动的高炉鼓风能量回收成套机组)、减压阀组、冷凝器、脱水器和PSA-CO变压吸附净化系统。高炉煤气经过初步除尘、精除尘之后先冷凝、再脱水,最后进入PSA-CO变压吸附净化系统,生产出一氧化碳含量高的产品。该系统生产出的一氧化碳,纯度高、成本低。其成本显著低于煤制气分离一氧化碳的成本,为进一步钢化联产提供了基础。
一氧化碳是重要的化工基础原料，通常由煤、石油或天然气经造气净化所得，主要用于合成化工产品。高炉煤气是钢铁企业重要的二次能源，其主要有效气成分为一氧化碳。高炉煤气产生量很大，每吨焦炭产高炉煤气3500~3600m3，换算为一氧化碳量为850~1000m3。现钢铁厂生产的高炉煤气，除去用作热风炉的燃料，剩余的大部分用于发电，产生大量二氧化碳。利用高炉煤气提纯一氧化碳技术，可有效减少碳排放。同时，生产出的高纯度一氧化碳产品，用于进一步钢化联产，经济效益显著提高。
1 高炉煤气变压吸附净化系统
高炉煤气中含有粉尘、酸性介质和水蒸气等杂质。因此需经过除尘脱水处理后才能使用。近年来，全干法布袋除尘技术凭借除尘率高，污染少等诸多优点，成为高炉煤气除尘的首选。但使用全干法除尘技术，高炉煤气温度过高，无法直接进入变压吸附净化系统。为此，本系统加入了煤气冷凝器，对煤气降温后再进行脱水，以满足变压吸附净化系统对煤气温度和含湿量的要求。净化系统加压机入口的煤气温度需降至常温，且温度越低，加压机效率越高。同时，煤气含湿量对加压机的效率也影响较大。因此，需进一步降低煤气温度及湿度，以提高加压机效率。高炉煤气经初步除尘箱、布袋除尘器及TRT/BPRT 后，一部分去往热风炉作为燃料；剩余部分进入冷凝器降温，之后进入脱水器干燥，最后进入变压吸附净化系统，生成CO 产品。本系统进一步降低了煤气温度，同时降低了煤气含湿量。高炉煤气经降温脱水后，可以直接供给变压吸附净化系统。本系统包括初步除尘箱、布袋除尘器、TRT/BPRT、减压阀组、冷凝器、脱水器和变压吸附净化系统。
1.1 初步除尘箱
随着高炉利用系数的不断提高，煤气量和含尘量都增大，现有重力除尘器的除尘效率明显降低。针对目前重力除尘器存在的结构单一，尘粒不能有效沉降等问题，提出了顶端进气、加挡板的方法。高炉煤气粗除尘采用初步除尘箱，使用重力除尘与旋风除尘结合的方法，利用尘粒的惯性力将固体颗粒从气体中分离出来。初步除尘箱顶部设有斜向下的进气管，侧面设有出气管。由于进气方式的改变，含尘气体在除尘器内部产生旋流，很好的结合了旋风除尘的除尘方法，使除尘率提高。初步除尘箱内设有斜向下的金属筛板，金属筛板的一侧与初步除尘箱的进气管相对，初步除尘箱底板上设有积尘槽。积尘槽设于金属筛板底端下方，初步除尘箱的出气管位于金属筛板的另一侧，布袋除尘器的进气口与初步除尘箱的出气管连接。有金属筛板的重力除尘器，含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。通过冲击挡板捕集较粗粒子，通过改变气流方向捕集较细粒子，除尘效率更高。
1.2 布袋除尘器
煤气精除尘主要有静电除尘器和布袋除尘器。由于高炉粉煤灰中Al2O3 和SiO2 含量较多，为此煤气的电阻较大，若采用静电除尘工艺，其除尘效果不会达到理论除尘效率。故此次采用布袋除尘器。本系统采用低压脉冲除尘，具有设备简单，反吹力度大，低耗能，滤袋排列紧密，安全性好等优点。
1.3 冷凝器
高炉煤气经布袋除尘后，温度约160℃或更高，煤气管道中几乎没有冷凝水。高温高压煤气经TRT/BPRT 减温减压后，煤气温度基本在60~90℃，煤气中会有大量饱和水析出，酸性介质随即溶于水中，形成酸液。因此，需在高炉煤气进入净化系统前进行降温，脱除其中冷凝水。冷凝器的煤气出口温度需低于环境温度，冷凝后的煤气立即进入脱水器脱去析出的饱和水，以达到在净化的过程中减少冷凝水析出的效果。
目前的煤气脱水装置只能脱除煤气中以雾滴形态存在的机械水，不能脱除饱和水。因此，尽管大多煤气系统有脱水装置，但经脱水后的高炉煤气中仍存在大量的饱和水。
根据道尔顿分压定律，在标准大气压下，混合气体在不同温度下存在相对应的水蒸气饱和分压。据此可以计算出高炉煤气在各种温度下相应的含水量。随着温度的升高，饱和水蒸气分压逐渐升高，含水量也逐渐增加。一般情况下，高炉煤气温度由30℃升至35℃时，每立煤气含水量约增加10g；而煤气温度由40℃升高至45℃时，每立煤气含水量约增加20g。因此，考虑到经济因素，冷凝器出口煤气温度应控制在35℃以下，之后进入脱水器。
脱水器脱除机械水后的高炉煤气不会再析出大量的机械水，从而有效减少高炉煤气在变压吸附的过程中的冷凝水析出。同时，当环境温度小于-5℃的情况下，冷凝器可采用风冷冷水箱作为冷源。利用低温空气与循环冷水换热，可节约低温冷却水的能耗。
冷凝器分为进口管、冷凝腔和出口管。冷凝腔内竖直设有若干冷凝管，冷凝腔的侧壁上设有冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口与外部的冷却液循环装置连接。冷凝腔内的冷却液为液态水。冷凝器内煤气流速约3~4m/s，阻力0.5~1kPa。
冷凝器入口煤气温度为60~90℃，最大可达150℃（TRT/BPRT 不运行时）。考虑到25℃以下的煤气含水量随温度变化进一步减小，出口温度冬季可控制在25℃以下，夏季由于环境温度偏高，可控制在35℃以下。当夏季运行时，循环水入口温度为20℃，循环水出口温度为30℃。不需要低温冷却水。当冬季运行时，循环水入口温度为10℃，循环水出口温度为20℃。此时可使用风冷冷水箱作为冷源，取空气进气温度为-5℃，出气温度为10℃，冷水入口温度为15℃，出口温度为10℃。采用风冷冷水箱作为冷源，可节约制取低温冷却水的能耗。
1.4 脱水器
经冷凝后的高炉煤气，通过旋流板脱水器进行脱水。高炉煤气通过它时，产生旋流，使煤气中的水雾在离心力的作用下，被甩向管壁，从而达到气水分离的目的。
1.5 PSA-CO 变压吸附净化系统
脱水后的高炉煤气采用PSA（变压吸附）工艺分离一氧化碳技术。变压吸附法是基于吸附剂在不同的压力下对不同物质的吸附能力的差异来分离一氧化碳的。吸附净化系统主要具有以下技术特点及优势。（1）产品一氧化碳成本低：装置工艺先进、产品回收率高、配套设备负荷小、生产成本低。（2）一氧化碳质量高：产品一氧化碳纯度高（最高可达99%）、杂质含量小，对下游生产非常有利，可带来明显的经济效益。（3）占地少、建设周期短、投资后收回成本时间短、环境友好。
高炉煤气含CO 约25%，长期以来，高炉煤气的利用方式以燃烧或间接作为燃烧气（如蓄热炉、发电等）为主。经过变压吸附工艺分离一氧化碳技术，富含CO 的产品气一是可以作为高热值燃料，减少煤、天然气的使用量；二是可作为高炉喷吹的还原气体，减少煤、焦的使用量；三是可生产高附加值的化工产品，如生产乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI等。由于CO造气成本低，生产的化工产品更具竞争力，将为企业创造更大的效益。
在钢铁厂中，通过高炉煤气提纯得到的富一氧化碳气体，可替代一部分天然气供给加热炉使用，也可替代焦炉煤气或转炉煤气作为高热值燃料。对于钢铁产能集中地区，利用钢化联产可以利用更便宜的原料来生产高附加值的化工产品，它比传统化工生产的产品成本低，市场竞争优势明显。
2 能源评价
高炉煤气变压吸附净化系统生产CO产品，可有效避免剩余煤气发电产生的大量二氧化碳排放，对于节能减排效果显著。高炉煤气变压吸附净化系统，可显著提高产品质量，扩大高炉煤气的应用，大幅度降低能耗、节约水资源，杜绝污水、粉尘等对环境的污染。
3 结语
最早设计的变压吸附净化系统已稳定运行近10年，该技术的稳定性和先进性确保了装置长期运行的经济性。为此，研究高炉煤气的变压吸附工艺，可改善钢铁企业产品结构，增加钢铁企业效益。
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