高爐煤氣變壓吸附凈化系統的工藝研究
摘要：高爐煤氣變壓吸附凈化系統,包括初步除塵箱、布袋除塵器、TRT/BPRT(高爐煤氣余壓透平發電裝置/高爐煤氣透平與電機同軸驅動的高爐鼓風能量回收成套機組)、減壓閥組、冷凝器、脫水器和PSA-CO變壓吸附凈化系統。高爐煤氣經過初步除塵、精除塵之后先冷凝、再脫水,最后進入PSA-CO變壓吸附凈化系統,生產出一氧化碳含量高的產品。該系統生產出的一氧化碳,純度高、成本低。其成本顯著低于煤制氣分離一氧化碳的成本,為進一步鋼化聯產提供了基礎。
一氧化碳是重要的化工基礎原料，通常由煤、石油或天然氣經造氣凈化所得，主要用于合成化工產品。高爐煤氣是鋼鐵企業重要的二次能源，其主要有效氣成分為一氧化碳。高爐煤氣產生量很大，每噸焦炭產高爐煤氣3500~3600m3，換算為一氧化碳量為850~1000m3。現鋼鐵廠生產的高爐煤氣，除去用作熱風爐的燃料，剩余的大部分用于發電，產生大量二氧化碳。利用高爐煤氣提純一氧化碳技術，可有效減少碳排放。同時，生產出的高純度一氧化碳產品，用于進一步鋼化聯產，經濟效益顯著提高。
1 高爐煤氣變壓吸附凈化系統
高爐煤氣中含有粉塵、酸性介質和水蒸氣等雜質。因此需經過除塵脫水處理后才能使用。近年來，全干法布袋除塵技術憑借除塵率高，污染少等諸多優點，成為高爐煤氣除塵的首選。但使用全干法除塵技術，高爐煤氣溫度過高，無法直接進入變壓吸附凈化系統。為此，本系統加入了煤氣冷凝器，對煤氣降溫后再進行脫水，以滿足變壓吸附凈化系統對煤氣溫度和含濕量的要求。凈化系統加壓機入口的煤氣溫度需降至常溫，且溫度越低，加壓機效率越高。同時，煤氣含濕量對加壓機的效率也影響較大。因此，需進一步降低煤氣溫度及濕度，以提高加壓機效率。高爐煤氣經初步除塵箱、布袋除塵器及TRT/BPRT 后，一部分去往熱風爐作為燃料；剩余部分進入冷凝器降溫，之后進入脫水器干燥，最后進入變壓吸附凈化系統，生成CO 產品。本系統進一步降低了煤氣溫度，同時降低了煤氣含濕量。高爐煤氣經降溫脫水后，可以直接供給變壓吸附凈化系統。本系統包括初步除塵箱、布袋除塵器、TRT/BPRT、減壓閥組、冷凝器、脫水器和變壓吸附凈化系統。
1.1 初步除塵箱
隨著高爐利用系數的不斷提高，煤氣量和含塵量都增大，現有重力除塵器的除塵效率明顯降低。針對目前重力除塵器存在的結構單一，塵粒不能有效沉降等問題，提出了頂端進氣、加擋板的方法。高爐煤氣粗除塵采用初步除塵箱，使用重力除塵與旋風除塵結合的方法，利用塵粒的慣性力將固體顆粒從氣體中分離出來。初步除塵箱頂部設有斜向下的進氣管，側面設有出氣管。由于進氣方式的改變，含塵氣體在除塵器內部產生旋流，很好的結合了旋風除塵的除塵方法，使除塵率提高。初步除塵箱內設有斜向下的金屬篩板，金屬篩板的一側與初步除塵箱的進氣管相對，初步除塵箱底板上設有積塵槽。積塵槽設于金屬篩板底端下方，初步除塵箱的出氣管位于金屬篩板的另一側，布袋除塵器的進氣口與初步除塵箱的出氣管連接。有金屬篩板的重力除塵器，含塵氣流沖擊在擋板上，氣流方向發生急劇轉變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離。通過沖擊擋板捕集較粗粒子，通過改變氣流方向捕集較細粒子，除塵效率更高。
1.2 布袋除塵器
煤氣精除塵主要有靜電除塵器和布袋除塵器。由于高爐粉煤灰中Al2O3 和SiO2 含量較多，為此煤氣的電阻較大，若采用靜電除塵工藝，其除塵效果不會達到理論除塵效率。故此次采用布袋除塵器。本系統采用低壓脈沖除塵，具有設備簡單，反吹力度大，低耗能，濾袋排列緊密，安全性好等優點。
1.3 冷凝器
高爐煤氣經布袋除塵后，溫度約160℃或更高，煤氣管道中幾乎沒有冷凝水。高溫高壓煤氣經TRT/BPRT 減溫減壓后，煤氣溫度基本在60~90℃，煤氣中會有大量飽和水析出，酸性介質隨即溶于水中，形成酸液。因此，需在高爐煤氣進入凈化系統前進行降溫，脫除其中冷凝水。冷凝器的煤氣出口溫度需低于環境溫度，冷凝后的煤氣立即進入脫水器脫去析出的飽和水，以達到在凈化的過程中減少冷凝水析出的效果。
目前的煤氣脫水裝置只能脫除煤氣中以霧滴形態存在的機械水，不能脫除飽和水。因此，盡管大多煤氣系統有脫水裝置，但經脫水后的高爐煤氣中仍存在大量的飽和水。
根據道爾頓分壓定律，在標準大氣壓下，混合氣體在不同溫度下存在相對應的水蒸氣飽和分壓。據此可以計算出高爐煤氣在各種溫度下相應的含水量。隨著溫度的升高，飽和水蒸氣分壓逐漸升高，含水量也逐漸增加。一般情況下，高爐煤氣溫度由30℃升至35℃時，每立煤氣含水量約增加10g；而煤氣溫度由40℃升高至45℃時，每立煤氣含水量約增加20g。因此，考慮到經濟因素，冷凝器出口煤氣溫度應控制在35℃以下，之后進入脫水器。
脫水器脫除機械水后的高爐煤氣不會再析出大量的機械水，從而有效減少高爐煤氣在變壓吸附的過程中的冷凝水析出。同時，當環境溫度小于-5℃的情況下，冷凝器可采用風冷冷水箱作為冷源。利用低溫空氣與循環冷水換熱，可節約低溫冷卻水的能耗。
冷凝器分為進口管、冷凝腔和出口管。冷凝腔內豎直設有若干冷凝管，冷凝腔的側壁上設有冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液進口和冷卻液出口與外部的冷卻液循環裝置連接。冷凝腔內的冷卻液為液態水。冷凝器內煤氣流速約3~4m/s，阻力0.5~1kPa。
冷凝器入口煤氣溫度為60~90℃，最大可達150℃（TRT/BPRT 不運行時）？紤]到25℃以下的煤氣含水量隨溫度變化進一步減小，出口溫度冬季可控制在25℃以下，夏季由于環境溫度偏高，可控制在35℃以下。當夏季運行時，循環水入口溫度為20℃，循環水出口溫度為30℃。不需要低溫冷卻水。當冬季運行時，循環水入口溫度為10℃，循環水出口溫度為20℃。此時可使用風冷冷水箱作為冷源，取空氣進氣溫度為-5℃，出氣溫度為10℃，冷水入口溫度為15℃，出口溫度為10℃。采用風冷冷水箱作為冷源，可節約制取低溫冷卻水的能耗。
1.4 脫水器
經冷凝后的高爐煤氣，通過旋流板脫水器進行脫水。高爐煤氣通過它時，產生旋流，使煤氣中的水霧在離心力的作用下，被甩向管壁，從而達到氣水分離的目的。
1.5 PSA-CO 變壓吸附凈化系統
脫水后的高爐煤氣采用PSA（變壓吸附）工藝分離一氧化碳技術。變壓吸附法是基于吸附劑在不同的壓力下對不同物質的吸附能力的差異來分離一氧化碳的。吸附凈化系統主要具有以下技術特點及優勢。（1）產品一氧化碳成本低：裝置工藝先進、產品回收率高、配套設備負荷小、生產成本低。（2）一氧化碳質量高：產品一氧化碳純度高（最高可達99%）、雜質含量小，對下游生產非常有利，可帶來明顯的經濟效益。（3）占地少、建設周期短、投資后收回成本時間短、環境友好。
高爐煤氣含CO 約25%，長期以來，高爐煤氣的利用方式以燃燒或間接作為燃燒氣（如蓄熱爐、發電等）為主。經過變壓吸附工藝分離一氧化碳技術，富含CO 的產品氣一是可以作為高熱值燃料，減少煤、天然氣的使用量；二是可作為高爐噴吹的還原氣體，減少煤、焦的使用量；三是可生產高附加值的化工產品，如生產乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI等。由于CO造氣成本低，生產的化工產品更具競爭力，將為企業創造更大的效益。
在鋼鐵廠中，通過高爐煤氣提純得到的富一氧化碳氣體，可替代一部分天然氣供給加熱爐使用，也可替代焦爐煤氣或轉爐煤氣作為高熱值燃料。對于鋼鐵產能集中地區，利用鋼化聯產可以利用更便宜的原料來生產高附加值的化工產品，它比傳統化工生產的產品成本低，市場競爭優勢明顯。
2 能源評價
高爐煤氣變壓吸附凈化系統生產CO產品，可有效避免剩余煤氣發電產生的大量二氧化碳排放，對于節能減排效果顯著。高爐煤氣變壓吸附凈化系統，可顯著提高產品質量，擴大高爐煤氣的應用，大幅度降低能耗、節約水資源，杜絕污水、粉塵等對環境的污染。
3 結語
最早設計的變壓吸附凈化系統已穩定運行近10年，該技術的穩定性和先進性確保了裝置長期運行的經濟性。為此，研究高爐煤氣的變壓吸附工藝，可改善鋼鐵企業產品結構，增加鋼鐵企業效益。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
