高炉煤气资源现状、回收利用及其技术发展概况

高炉煤气资源现状、回收利用及其技术发展概况
1 前言
高炉煤气是钢铁工业中的高炉炼铁过程中副产的一种可燃气体。

高压鼓风机（罗茨风机）鼓风，并且通过热风炉加热后进入了高炉，这种热风和焦炭助燃，产生的是二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳又和炙热的焦炭产生一氧化碳，一氧化碳在上升的过程中，还原了铁矿石中的铁元素，使之成为生铁，这就是高炉炼铁的化学过程。

铁水在炉底暂时存留，定时放出用于直接炼钢或铸锭。

这时候在高炉的炉气中，还有大量的过剩的一氧化碳，这种混和气体，就是“高炉煤气”。

这种含有可燃一氧化碳的气体，是一种低热值的气体燃料，可以用于冶金企业的自用燃气，如加热热轧的钢锭、预热钢水包等。

也可以供给民用，如果能够加入焦炉煤气，就叫做“混和煤气”，这样就提高了热值。

高炉煤气的主要成分为：CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分别占15%，55 %，热值仅为3500kJ/m3左右。

高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，但所产的高炉煤气热值更低，增加了利用难度。

高炉煤气中的CO2、N2既不参与燃烧产生热量，也不能助燃，相反，还吸收大量的燃烧过程中产生的热量，导致高炉煤气的理论燃烧温度偏低。

高炉煤气的着火点并不高，似乎不存在着火的障碍，但在实际燃烧过程中，受各种因素的影响，混合气体的温度必须远大于着火点，才能确保燃烧的稳定性。

高炉煤气的理论燃烧温度低，参与燃烧的高炉煤气的量很大，导致混合气体的升温速度很慢，温度不高，燃烧稳定性不好。

高炉煤气中存在大量的CO2、N2，燃烧过程中基本不参与化学反应，几乎等量转移到燃烧产生的烟气中，燃高炉煤气产生的烟气量远多于燃煤。

在钢铁工业用能结构中，煤炭约占70%左右，在煤炭的热能转换中有65.88%是以焦炭和煤粉形式参与冶炼生产的，另有34.12%的热能是以可燃气体（包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气）形式出现。

可燃气体的热能数值大，合理、科学，充分地利用对钢铁工业节能工作具有积极的作用。

与转炉煤气、焦炉煤气相比，高炉煤气热值低，应用范围小，许多钢铁厂还没有充分利用，甚至大量放散，既浪费了能源，又污染了环境。

我国是钢铁生产大国，高炉煤气年产生量达7000亿m3左右。

虽然，目前我国大型钢铁企业高炉煤气回收利用率可达92%以上，但许多中小型钢铁厂对高炉煤气的回收和利用未引起足够的重视，全国仍有10%左右的高炉煤气被直接排空或放散燃烧，这一方面，由于高炉煤气中含有大量一氧化碳和其它有害化学物质，严重污染了环境，另一方面，也造成了能源的巨大浪费。

2 高炉煤气资源情况
高炉煤气的产生量约为高炉鼓风风量的1.2～1.40倍。

冶炼1吨生铁可产生高炉煤气1500～2000Nm3左右。

高炉煤气发生量主要与鼓风量有关，与富氧和冶炼生铁品种也有关系，喷吹煤粉和烧结矿中的残碳量也会对高炉煤气的产生量有较大影响。

高炉煤气的典型组成见表1。

高炉煤气中有大量的N2和CO2，其主要可燃的成份为CO、H2和CH4（含量很少），故其发热值较低。

一般冶炼制钢铁时，发热值为2850 kJ/m3～3220kJ/m3；冶炼铸造铁时，发热值为3550kJ/m3～4200kJ/m3。

因高炉煤气中含CO量在30％以下，造成燃烧速度低、火焰长。

高炉煤气的理论燃烧温度在1400～1500℃。

表1 高炉气典型组成
主要组分CO CO2H2CH4N2硫化物
体积百分含量/% 22～27 13～19 1～4 0.2～0.4 54～58 微量
我国是钢铁生产大国，2008年粗钢产量5.02亿吨，占世界产量的37.75%，相应地2008年生铁产量达4.71亿吨，高炉煤气产生量巨大，每年产生高炉煤气约7000亿立方米。

虽然经多年努力，大部分已回收用作燃料和发电，但每年放散量仍达约500亿立方米。

表2 近年我国钢铁产量和高炉气产生量
项目2003 2004 2005 2006 2007 2008
钢产量/万吨22234 27280 34936 41878 49489.89 50048.8
生铁产量/万吨21373 25200 33740 40416 47141.9 47067
高炉气量* /亿m33200 3780 5060 6060 7070 7060
放散量/亿m3>700 ～500
*以每吨生铁产生高炉气1500m3计
表3 中国重点钢铁企业高炉煤气产生和放散情况
煤气产生和放散情况2007年2006年增减率/%
高炉煤气放散量/万立方米3458925 3516240 -1.63
高炉煤气放散率/% 9.99 10.13 -1.38
表4 近两年我国重点钢铁企业企业副产煤气回收利用情况
项目
平均值先进值落后值
2008年2007年2008年2007年2008年2007年
高炉煤气放散率/％ 6.01 9.99 0（14个企业）0（13个企业）22.19 65.65
转炉煤气回收/m3/t 65 63 太钢111 太钢108 0（12个企业）0(16个企业) 焦炉煤气放散率/％ 2.25 2.79 0（19个企业）0（22个企业）22.6 15.09
3 高炉煤气的利用情况
3.1 高炉煤气利用途径概述
高炉煤气作为钢铁行业主要污染物之一，通常条件下，除高炉热风炉自身使用外，还有大量富余，如不能回收利用则只能放空排放，造成能源浪费和环境污染。

为了充分利用富余的高炉煤气，一般情况是在燃煤动力锅炉中掺烧一部分或供小型混合煤气锅炉混烧，回收量都不是很大。

对其进行综合利用，将成为一个重要发展趋势。

高炉煤气用作燃料可和其他煤气混合使用，也可以单独使用。

为满足钢铁工业各种炉窑对温度、洁净度、燃烧速度、燃烧形态等方面的要求，可以将高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤
气按不同比例进行混合使用。

蓄热式燃烧技术的推广，提高了高炉煤气的使用范围，替代出部分焦炉煤气，使各类煤气得到了更高效利用。

高炉煤气用于发电是近年增长最快利用途径。

钢铁企业应充分回收和高效利用各类煤气，剩余煤气可以用于发电，从而实现煤气零排放，向企业少购电或不外购电方向发展。

高炉气中的一氧化碳也可以提取出来，用作碳一化工的原料，可以合成许多重要的化工产品，是潜力很大的一个高炉煤气综合利用方向。

近年来，随着高炉煤气新型蓄热式燃烧技术、纯烧高炉煤气发电技术等技术的推广应用，国内高炉煤气的利用已经取得了突破性进展，一些企业基本实现了零排放（表5）。

随着我国节能减排政策的实施，国家对钢铁行业的能耗提出了具体的目标，国资委在分解落实中央企业节能减排目标任务时，明确提出到“十一五”期末，中央企业要确保完成单位增加值能耗降低20％，主要污染物排放总量减少10％，其中钢铁行业二氧化硫排放量下降16％，化学需氧量排放量下降23％，要力争到2009年末，提前完成上述目标。

表5 宝钢高炉煤气利用情况
3.2 高炉炉顶煤气余压发电(TRT)技术发电
高炉炉顶煤气压力在>0．08MPa时，采用压差发电技术是可行的。

但是，压力在0．08MPa 时，所发出的电量与设备自身消耗电量相等，故要求煤气压力要大于0．08MPa时才有收益。

压力大于0.12MPa时，经济上是合理的。

煤气压力越高，效益越大。

有人建议炉顶煤气压力大于0.15MPa的高炉应当积极采用煤气压差发电技术。

现在全国已有66座高炉有TRT装置，其中1000 m3以下容积的高炉有19座，450 m3高炉已用上TRT装置。

采用TRT装置，吨铁发电量在20～40kWh。

如采取干法煤气除尘技术，可使发电量增加30％左右。

总体上讲，TRT装置可回收高炉鼓风机所需能量的30％，经济效益可观，是炼铁工序重大节能项目。

3.3 应用蓄热式燃烧技术提高煤气燃烧质量，扩大应用范围
，就可以100％热风炉应用蓄热式燃烧技术，对空气和煤进行双预热(达到250～500℃)
使用低热值的高炉煤气，使热风温度达到1200℃以上。

高炉煤气应用蓄热式燃烧技术之后，可提高煤气的温度，为在轧钢加热炉和烧结机点火、钢包烘烤、热处理炉等方面使用提供了有利条件，替代出部分高热值的焦炉煤气。

高炉煤气含尘量要低于15mg/m3。

同时，应建立专用煤气柜，以保证供应压力和气量的稳定。

蓄热式燃烧技术余热回收效率可达70%左右，提高了加热炉效率，降低燃料消耗，大幅度提高了加热炉的小时加热能力，同时达到燃烧过程NOx的低排放。

该技术的推广应用能大幅度节能、减污、降低生产成本，优化能源结构，为钢铁企业创造出了一条清洁、高效回收利用高炉煤气的新途径。

3.4 高炉煤气发电
高炉煤气发电可采用高压锅炉蒸汽发电和燃气轮机发电。

全烧高炉煤气锅炉发电技术，主要是设计高温高压锅炉并可作为冬季取暖抽蒸汽使用。

一台220t／h蒸发量的锅炉，每年用14亿～6亿m3高炉煤气，投资约6000万～7000万元，全年可供蒸汽57.6万t，发电量4320万kWh，增加供电量3181.66万kWh，节约17.6万吨标准煤，年综合效益达4000万元以上。

该设备投资仅为普通发电站的60％～70％。

采用全烧高炉煤气的燃气—蒸汽联合循环发电（CCPP），是目前国际上公认的最有价值的二次能源利用技术。

CCPP一般由高炉煤气供给系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统和发电机组系统组成。

其工艺流程为：高炉煤气经除尘加压后进入燃气轮机燃烧器燃烧，而后进入燃气轮机启动涡轮机做功从而带动发电机发电。

做完功后的烟气（温度约540℃，压力约5kPa～6kPa），进入余热锅炉生产中压或次高压蒸汽（通常参数为3.82MPa～5.9MPa，450～550℃），并使蒸汽在汽轮机中继续作功发电，其抽汽或背压排汽用于供热和制冷。

CCPP排烟中的CO2排放比常规火力电厂减少45%～50%，没有飞灰和灰渣排放，SO2、NOx排放都很低。

总之，高炉煤气的燃气—蒸汽联合循环发电技术在高效、节能、环保方面均具有较大的优势，而且从发展眼光看，其具有广阔的发展前景。

近年已开始被国内许多钢铁企业推广使用。

CCPP技术气电转化率高，约在40%～50％（不对外供热时），比常规锅炉蒸汽发电多70%～90%，节水约1/3；但对煤气质量要求高（如热值、压力、煤气量要稳定、含尘量小等）。

3.5 高炉煤气余热利用
应用余热锅炉可将高炉煤气的部分余热进行回收。

煤气温度降低，对于干式除尘的布袋有保护作用。

3.6 高炉煤气回收纯一氧化碳
变压吸附是一种低能耗的气体分离技术。

已被研究用于提纯和回收高炉气中的一氧化碳。

从高炉煤气中回收、分离CO的变压吸附技术，可以扩展高炉煤气的用途，为其减排、资源化、再利用提供了解决方案。

CO作为重要的碳一化工原料，用途十分广泛。

天科股份公司已研究开发了三种不同用途的变压吸附从高炉气中提浓或回收高纯一氧化碳的技术：
（1）变压吸附可将高炉煤气中的φ(CO)提高到60%以上，富CO高炉煤气与转炉煤气的热值相当，可以提高燃烧时的火焰温度，从而提高热效率。

（2）利用变压吸附从高炉气中同时回收CO和CO2，与变压吸附焦炉气提氢配合，可以获得满足甲醇合成要求的合成气。

本技术路线全是物理分离过程，没有化学反应发生，工艺稳定，同时回收了高炉气中的CO和CO2，不需要补充CO2，流程简便；解决了高炉气有效成分回收利用难度大的技术问题，也有效地降低了碳排放。

（3）作为羰基合成、费托合成、冶炼还原气等要求CO纯度较高的场合，可以通过工艺参数的配置和调整，获得高纯CO气体满足工业生产需求。

该技术虽然目前尚未被推广应用，但这是一条提高高炉煤气利用效率的有吸引力的路线。

3.7 高炉气提取二氧化碳
辽宁北方煤化工(集团)有限公司新化肥装置是从南非引进的二手设备，通过进一步完善设计后，2006年底工程竣工试车投产。

该装置系由1套合成氨装置和两套大颗粒尿素装置组成，其中合成氨装置以焦炉气为原料，年设计生产能力为350 kt，并副产CO2；两套尿素装置年设计生产能力各为300 kt，年总产能600 kt。

合成氨装置每小时生产液氨45 t，副产CO2 40 t。

从液氨与CO2生成尿素的反应可以算出，45 t液氨生产尿素需要60 t CO2，因此合成氨装置生产的液氨和副产的CO2用于尿素生产不平衡。

通过综合利用北钢集团富余的高炉气制取CO2，既解决了尿素生产中CO2原料不足问题，产生的尾气（热值约为3135 kJ /m3）又全部回收用于锅炉燃烧，实现节能减排。

该公司利用高炉煤气提取二氧化碳的工艺流程为：高炉煤气压缩至0.8 MPa后进入脱硫
设备，经活性炭吸附后，使其中硫化物质量分数降至1×10-6；脱硫后的气体进入CO变换炉，变换后的气体通过变压吸附等工序浓缩提纯，生产出符合尿素生产要求的CO2。

4 结语
我国是世界头号钢铁生产大国，高炉气产生量巨大，近年虽然回收利用有了较大进步，但目前放散量每年仍高达500亿立方米，且回收的高炉气主要用作燃料和发电等效益相对较低的用途。

因此，加强高炉气的综合回收利用，提高高炉气的利用效益，具有重要意义。