CN106748655A

CN106748655A - 一种高效降低钢铁联合企业co2排放的方法

Info

Publication number: CN106748655A
Application number: CN201611058463.9A
Authority: CN
Inventors: 郄亚娜; 吕庆; 刘小杰; 孙艳芹; 张淑会; 兰臣臣; 李建鹏; 刘颂; 田野
Original assignee: North China University of Science and Technology
Current assignee: North China University of Science and Technology
Priority date: 2016-11-27
Filing date: 2016-11-27
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-11-27
Also published as: CN106748655B

Abstract

一种高效降低钢铁联合企业CO₂排放的方法，属于黑色冶金领域，尤其涉及降低钢铁联合企业CO₂排放。该方法是利用碳转化法将高炉煤气中的CO₂转化为CO，并与富氢处理后的焦炉煤气中H₂合成甲醇。主要步骤为：高炉煤气、氧气与水蒸气通入造气炉中，在造气炉的高温区高炉煤气中CO₂及水蒸气与碳反应生成CO与H₂，经富化处理的高炉煤气经脱硫脱去水以及脱除CO₂，N₂后与富氢处理后的焦炉煤气合成甲醇。该工艺回收利用了高炉煤气中CO₂，经计算造气炉生产等摩尔量的CO用高炉煤气中CO₂做气化剂可节省碳素消耗25%到30%，实现了节能，并且提高了高炉煤气热值，扩展了高炉煤气的应用领域，最终将钢铁企业CO₂中的碳素以甲醇产品形式离开钢铁企业，增加了钢铁企业的碳素输出，利用碳转化法有效解决了钢铁企业CO₂排放问题，经钢铁联合企业碳素平衡计算可得到利用碳转化法可降低钢铁企业CO₂排0.23‑0.50 t/t钢。

Description

一种高效降低钢铁联合企业CO2排放的方法

技术领域

本发明涉及黑色冶金技术领域，尤其涉及降低钢铁联合企业CO₂排放。

背景技术

由温室气体引起的全球气候变化已成为国际社会关注的焦点。我国政府已向世界承诺，到2020年中国的单位GDP值CO₂排放与2005年相比减少40%~45%。钢铁生产排放的CO₂在工业中占有较高的比例,根据国际能源署统计钢铁企业的CO₂排放量占全世界CO₂总排放量的6.7%，我国又是世界上最大的钢铁生产国，2010年我国钢铁工业排放的CO₂占全国CO₂排放量的15% ( 质量分数) 左右，我国的钢铁企业的CO₂排放比发达国家高15%左右，减少吨钢CO₂排放是钢铁企业节约能源、保护环境、走可持续发展道路的必然要求。

钢铁企业为了降低能耗与CO₂排放量，进行了技术的改进，余热余压回收，取得了一定的效果，但能源消耗引起的CO₂排放量约占钢铁企业总排放量的98%，单从技术改进和余热回收方面降低CO₂的排放是不够的。从钢铁企业整体碳平衡分析可知，碳素以能量和物质形式输入，以含碳产品(钢材，生铁)和副产品(焦油、粗苯、炉渣)输出，碳素的输入与输出差为CO₂总排放。本发明提出利用碳转化法将钢铁企业的CO₂转化为CO进而转化为甲醇的合成气，变废为宝，增加钢铁企业碳素输出端副产品的输出，从根本上降低钢铁联合企业CO₂排放。

钢铁生产中，通过能源、还原剂、熔剂以及其他形式进入钢铁生产体系的碳素在各工序中经过一系列变化，一部分进入产品或各种副产品，另一部分以CO₂的形式进入大气。在钢铁企业的CO₂排放工序包括焦化工序、烧结工序、球团工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和熔剂焙烧工序七个工序，除七个工序外还有辅助系统的电力、动力等间接产生的CO₂排放。据统计，2010年我国吨钢综合能耗为619.43kg标准煤，吨钢CO₂排放量2.1 t左右，其中炼铁系统( 含烧结、球团、焦化和高炉工序) CO₂排放量占整个流程的87% ，吨铁达1.4t．炼铁系统CO₂排放量大的原因是高炉炼铁能耗高，利用率较低，高炉煤气含有20%左右的CO₂，钢铁企业高炉煤气产生量较大，吨铁产生约为1500Nm³的煤气，但CO含量较低，热值较低。与其他钢铁企业的副产煤气（焦炉煤气，转炉煤气）相比，高炉煤气应用较单一，目前主要混合其他高热值煤气作为燃料用于烧结，预热热风炉，辅助系统的锅炉等，最终碳素以CO₂形式排放到大气中。为了更好的利用高炉煤气，国内外很多研究围绕高炉煤气脱除CO₂后再利用展开研究，如高炉炉顶煤气循环技术。俄罗斯土拉钢铁的HRG法、日本的JFE法、OHNO法、德国的FINK及欧洲的TGR-BF法等都先后对高炉炉顶煤气循环工艺进行了研究，但炉顶煤气中CO₂的有效脱除是限制高炉炉顶煤气循环工艺的主要因素，据统计每脱除1t的CO₂将增加$56成本。另外，前人也有很多发明关于高炉煤气的回收利用，例如CN201410619526.8中提出高炉与水蒸气反应后脱除大部分CO₂和氮气后与焦炉煤气脱除甲烷后的氮氢气合成液氨，主要是利用高炉煤气中的CO与水蒸汽反应生成H₂，其对CO₂的减排并无影响；CN201110281568.1为了提高高炉煤气热值提出将高炉煤气通入煤气富化炉中与煤块反应，从而降低高炉煤气中CO₂含量，提高CO含量，富化后的高炉煤气主要用于焦炉，热风炉，加热炉，锅炉等使用，解决了联合钢铁高热值煤气不足的问题，但高炉煤气中碳素还是作为燃料以CO₂方式排放，且该工艺从能量和CO₂减排角度分析是不合适的。基于此本发明提出将CO₂含量高的高炉煤气与水蒸汽做为气化剂与氧气喷入造气炉，从造气炉中输出的煤气中CO含量可达40%-70%，得到的富CO富H₂煤气主要与富氢处理后的焦炉煤气合成甲醇，大大增加钢铁企业碳素的输出，降低钢铁企业CO₂排放。另外，焦炉煤气用于工业合成气的工艺较为成熟为该发明提出的工艺实施提供了技术保障。

发明内容

本发明以钢铁企业CO₂排放最多的高炉煤气和水蒸汽与氧气为气化剂，通入造气炉将高炉煤气中CO₂转化为CO，同时利用钢铁企业焦炉煤气氢多碳少特点，经富化处理的高炉煤气与富氢处理后的焦炉煤气合成甲醇，最终高炉煤气中碳素以甲醇产品输出钢铁联合企业，利用碳转化法降低了钢铁企业CO₂排放。

一种高效降低钢铁联合企业CO₂排放的方法具体步骤如下：

1. 经除尘后的高炉煤气加热到700-900℃，压缩后与水蒸气和氧气通入造气炉，在造气炉中CO₂，水蒸汽与煤中碳在高温区发生以下反应：

C+CO₂=2CO-165800kJ (1)

C+H₂O=H₂+CO-124400kJ (2)

经处理后的煤气成分为：CO:40%-70%，H₂:3%-20%，N₂:10%-30%，CO₂:3%-10%，H₂O:1%-5%，其热值为7235-9774 kJ/m³，热值大大提高。该煤气经除尘脱硫系统脱硫脱水后，经变压吸附脱除大部分的CO₂和N₂，再通入甲醇合成系统的混气装置；

2. 焦炉煤气经脱硫装置变压吸附脱硫处理后，硫化物脱除到0.05-0.1ppm之下，再与水蒸汽和氧气按一定比例通入富氢转化炉，例如焦炉煤气成分为H₂:57%，CH₄:25%，CO:5.5%，CO₂:3%，N₂:4%时，三者的比例为1:0.62:0.176(摩尔比)压缩后通入转化炉，转化炉压力控制在3.5MPa左右，在富氢转化炉的转化反应区甲烷发生催化部分氧化反应如下：

CH₄+ H₂O=CO+3H₂ (3)

CH₄+ CO₂=2CO+2H₂ (4)

经富氢处理的焦炉煤气摩尔体积成分为CO:14%-16%，H₂:72%-88%，N₂:1%-3%，CO₂:5%-8%，CH₄:0.5%到0.8%。

3. 经步骤2富氢处理后的焦炉煤气与步骤1处理后煤气按摩尔体积比为2.4-2.8:1的比例通入混气装置，将混合气经干法脱硫塔后调压后通入甲醇合成塔，在温度为250℃左右，压力为6MPa进行催化合成甲醇工序，最终碳素以甲醇产品形式输出钢铁企业。

一种高效降低钢铁联合企业CO₂排放的方法有以下特点：

1.造气炉以高炉煤气为气化剂，将高炉煤气中CO₂转化为CO，回收利用了CO₂中碳素，经计算造气炉生产等摩尔量的CO用高炉煤气中CO₂做气化剂可节省碳素消耗25%到30%，且提高煤气中CO含量，增加了高炉煤气的热值，扩展了高炉煤气的应用领域；

2.焦炉煤气进行富氢处理，提高焦炉煤气中氢含量，结合了焦炉煤气氢多碳少以及处理过的高炉煤气氢少碳多的特点，将富CO富氢处理后的高炉煤气与富氢处理后的焦炉煤气按比例合成甲醇，增加了钢铁企业碳素输出，利用碳素平衡计算可得利用碳转化法可降低钢铁企业CO₂排放0.23-0.50 t/t钢。

附图说明

图1为一种高效降低钢铁联合企业CO₂排放方法的示意图，图中标记如下：1-造气炉；2-富氢转化炉；3-混气装置；4甲醇合成塔。

具体实施方式

实施案例1

以某钢铁联合企业的高炉煤气与焦炉煤气为例，高炉煤气成分为CO:22%，CO₂:20%，N₂:55%， H₂:1.5%，其他:1.5%；焦炉煤气成分为：H₂:57%，CH₄:25%，CO:5.5%，CO₂:3%，N₂:4%，其他:2.5%，经富氢转化富氢后煤气成分为：H₂:74.1%，CH₄:0.67%，CO:14%，CO₂:8%，N₂:3.23%。以1吨钢为计算单位，例如吨钢喷入造气炉1000 Nm³高炉煤气，煤气预热到800℃，各工序经物料平衡和热平衡计算，其生产指标为：

造气炉消耗煤：422.56kg；

造气炉出口煤气成分：CO:48%，CO₂:9%，N₂:26%， H₂:13.4%，CH₄:1.5%，其他:2.1%；

造气炉出口煤气量：1769.17Nm³，进行脱氮脱碳处理后通入合成甲醇系统的混气装置；

同时将富化处理后4457.96 Nm³的焦炉煤气通入混气装置，混合煤气经脱硫加压后通入甲醇合成塔，在铜基催化剂的催化下合成甲醇，最终碳素以产品甲醇形式离开钢铁企业；

对该钢铁联合企业进行物料平衡热平衡及碳素平衡计算，可得：造气炉节省碳素150.29kg/t钢，降低CO₂排放0.392t/t钢。

实施案例2

以某钢铁联合企业的高炉煤气与焦炉煤气为例，高炉煤气成分为CO:22%，CO₂:20%，N₂:55%， H₂:1.5%，其他:1.5%；焦炉煤气成分为：H₂:57%，CH₄:25%，CO:5.5%，CO₂:3%，N₂:4%，其他:2.5%，经富氢转化富氢后煤气成分为：H₂:74.1%，CH₄:0.67%，CO:14%，CO₂:8%，N₂:3.23%。以1吨钢为计算单位，例如吨钢喷入造气炉800 Nm³高炉煤气，煤气预热到800℃，各工序经物料平衡和热平衡计算，其生产指标为：

造气炉消耗煤：357.60kg；

造气炉出口煤气成分：CO:50%，CO₂:8%，N₂:25%， H₂:13.5%，CH₄:1.5%，其他:2%；

造气炉出口煤气量：1423.07Nm³，进行脱氮脱碳处理后通入合成甲醇系统的混气装置；

同时将富化处理后3566.37 Nm³的焦炉煤气通入混气装置，混合煤气经脱硫加压后通入甲醇合成塔，在铜基催化剂的催化下合成甲醇，最终碳素以产品甲醇形式离开钢铁企业；

对该钢铁联合企业进行物料平衡热平衡及碳素平衡计算，可得：造气炉节省碳素120.23kg/t钢，降低CO₂排放0.314t/t钢。

实施案例3

以某钢铁联合企业的高炉煤气与焦炉煤气为例，高炉煤气成分为CO:22%，CO₂:20%，N₂:55%， H₂:1.5%，其他:1.5%；焦炉煤气成分为：H₂:57%，CH₄:25%，CO:5.5%，CO₂:3%，N₂:4%，其他:2.5%，经富氢转化富氢后煤气成分为：H₂:74.1%，CH₄:0.67%，CO:14%，CO₂:8%，N₂:3.23%。以1吨钢为计算单位，例如吨钢喷入造气炉600 Nm³高炉煤气，煤气预热到800℃，各工序经物料平衡和热平衡计算，其生产指标为：

造气炉消耗煤：260.98kg；

造气炉出口煤气成分：CO:51%，CO₂:8%，N₂:23%， H₂:14.3%，CH₄:1.7%，其他:2%；

造气炉出口煤气量：1081.51Nm³，进行脱氮脱碳处理后通入合成甲醇系统的混气装置；

同时将富化处理后2674.78 Nm³的焦炉煤气通入混气装置，混合煤气经脱硫加压后通入甲醇合成塔，在铜基催化剂的催化下合成甲醇，最终碳素以产品甲醇形式离开钢铁企业；

对该钢铁联合企业进行物料平衡热平衡及碳素平衡计算，可得：造气炉节省碳素90.18kg/t钢，降低CO₂排放0.235t/t钢。

Claims

1.一种高效降低钢铁联合企业CO₂排放的方法其特征在于，利用碳转化法将高炉炉顶煤气中CO₂转化为CO进而与富氢处理后的焦炉煤气中H₂合成甲醇，CO₂中碳素以甲醇产品形式输出，降低钢铁联合企业CO₂排放，其降低值为0.23-0.50 t/t钢，主要步骤包括：

1）高炉炉顶煤气、氧气与水蒸汽通入造气炉中与煤反应，CO₂转化为CO，H₂O转化为H₂，转化后的煤气CO含量40%-70%，H₂:3%-20%，热值能达到转化前煤气的2-3倍，转化煤气经脱除CO₂及N₂处理后进入合成甲醇系统的煤气混合装置；

2）脱硫净化后的焦炉煤气采用催化部分氧化处理，H₂含量富化到72%-88%，N₂:1%-3%，CO₂:5%-8%，CH4:0.5%-0.8%，转化煤气合成甲醇系统的煤气混合装置；

3）步骤1)处理后的高炉煤气与步骤与2)处理后的焦炉煤气按甲醇生产需要的氢碳比2.05-2.15进行混合，经计算步骤1）处理后的高炉煤气：步骤2）处理后的焦炉煤气摩尔体积比为1:2.4-2.8，混合煤气经脱硫调压后通入甲醇合成塔，进行合成甲醇工序，最终产品为甲醇。

2.如权利要求1所述的高效降低钢铁联合企业CO₂排放的方法，主要特征是利用碳转化法充分利用了高炉煤气中CO₂的碳素，不但降低了高炉CO₂排放，而且充分利用了钢铁企业副产煤气中CO₂和H₂资源，实现了节能，其特点为：

1）造气炉以CO₂ 含量为20%-25%高炉炉顶煤气做气化剂，转化使CO₂+C=2CO利用了CO₂中的C，经计算造气炉生产等摩尔量的CO高炉煤气和空气做气化剂相比可节省碳素消耗25%到30%，且提高煤气中CO含量，实现了节能；

2）充分利用了焦炉煤气氢多碳少和高炉煤气氢少碳多的特点，将处理后富CO富氢的高炉煤气与处理后富氢焦炉煤气合成，合成后的煤气成分完全符合生产甲醇的要求。