淺析變壓吸附提純CO在高爐煤氣中的應用及經濟效益

[摘 要]近年來，我國鋼鐵行業產能嚴重過剩，鋼鐵企業的盈利狀況持續低迷。本文闡述了變壓吸附氣體提純技術能耗低、流程簡單等特點，在鋼鐵等領域得到充分應用，并列舉此技術在高爐煤氣中的應用及經濟效益。

[關鍵詞]變壓吸附；氣體提純；高爐煤氣

1 引 言

近年來，受宏觀經濟總體下行的影響，鋼鐵行業產能嚴重過剩，同時，隨著能源資源的緊缺和國家新環保法的實施，企業能源成本和環保壓力持續加大，勢必造成鋼鐵企業成本不斷攀高。

“十二五”時期，我國粗鋼產量由6.3億噸增加到8.23億噸，年均增長9.32%，2014年我國平均日產粗鋼225.4萬噸，全年會員鋼鐵企業平均銷售利潤率僅為0.85%。據統計，全國鋼鐵企業1000立方米及以上高爐生產能力所占比例由48.3%提高到60.9%，由于鋼鐵能源消耗量約占全國工業總能耗的15%，廢水和固體廢棄物排放量分別占工業排放總量的14%和17%，因此，鋼鐵行業成為整個節能減排中的重中之重。

當前，我國中小高爐煤氣作為燃料因其發熱值低而大大限制了使用范圍。如何利用好高爐煤氣這一低價能源是鋼鐵企業的迫切需要。本文論述的變壓吸附提純裝置，就是將高爐煤氣的CO濃度“濃縮”至70%以上，從而大大提高高爐煤氣的綜合利用效率。

2 變壓吸附氣體提純技術簡介

2.1 變壓吸附氣體提純原理

氣體吸附分離是在一定溫度和壓力下，吸附劑對氣體混合物中的部分組分選擇吸附，較難吸附的組分從吸附塔出口送出。在壓力降低時被吸附的組分又脫附出來，從塔底排出，吸附劑得到再生，這就是通常所說的變壓吸附（PSA）。再有一種情況是吸附劑對被吸附的氣體組分吸附力較強，并在常壓下解析不完全，需通過抽真空使吸附床形成一定的負壓，使吸附劑中的氣體被迫解析，這就是常說的負變壓吸附（VPSA）。

負變壓吸附工藝特點是吸附劑對吸附組分選擇性較好，吸附力較強，吸附壓力比較低，吸附劑動態吸附量大，利用率高，吸附劑量相對減少。同時由于吹洗氣量少，氣體回收率較高，現在廣泛地用于混合煤氣分離CO、空氣分離制富氧、變換氣脫除CO2。當然VPSA法需要形成一定的負壓就要增加真空設備。

混合煤氣從吸附塔底進入吸附劑床層，氣體中的雜質組分被多種吸附劑依次吸附，從床層出口流出純度較高的不易被吸附的氣體。當雜質組分的濃度前沿接近床層出口時，停止吸附。再通過多次均壓盡量回收床層死空間的產品氣，然后逆著吸附方向降壓，使部分被吸附雜質解析出來，吸附劑得到初步再生。再通過抽真空吸附塔降到負壓，吸附劑得到完全再生。抽真空完成后，再用其他塔的均壓氣和產品氣分步、分層次地對吸附塔加壓，將床層的少量未排放干凈的雜質推向床層下部。同時使吸附塔壓力升至正常工作壓力，為下一輪吸附做好準備。

2.2 變壓吸附生產工藝流程

2.3 變壓吸附原料氣參數

3 變壓吸附提純一氧化碳應用實例及其經濟效益分析

從高爐煤氣分離CO是一個國際性難題，這是由于高爐煤氣含有大量N2（～58%）和CO2（～16%）。N2和CO的沸點非常接近，因此傳統的深度冷凍氣體分離工藝無法應用于從含大量N2氣的高爐煤氣中分離CO。普通吸附劑對CO與N2的吸附選擇性較低，而且吸附CO2后中毒而導致吸附劑失活，因此常規的變壓吸附法也無法用于高爐煤氣的CO分離。北京大學下屬的北大先鋒科技有限公司研發的變壓吸附分離一氧化碳技術完全適用于從高N2含量的高爐煤氣中分離CO，在此基礎上，根據高爐煤氣的組分特點，又針對性的提純分離工藝流程，其中粉塵脫除和硫、氧等雜質的凈化均采用工業上成熟的技術。北大先鋒公司研發的高爐煤氣提純CO技術現已獲得了多項國家發明專利。

目前，該變壓吸附提純CO技術已投入工業化生產，衡陽鋼管集團與北大先鋒公司已成功“牽手”，雙方共同投資近億元建設了全球第一套鋼鐵企業變壓吸附提純高爐煤氣工程項目。該項目投用后，鋼企每小時可對67000標準立方米高爐煤氣進行分離回收，提純出濃度為70%的17500標準立方米產成品氣，其對應煤氣熱值為2200×4.18kJ/Nm3，可直接供軋管分廠加熱爐使用，年替代天然氣3500萬Nm3，年節約標準煤2.9萬噸，另外提純后的產品氣燃燒后煙氣相比混合煤氣燃燒后的煙氣能提高各工業加熱爐內的輻射換熱效果，也具有一定的節能作用。綜合分析，該變壓吸附提純CO技術年創效可達3000多萬元。

3.1 高爐煤氣和提純產品氣成分表

3.2 成本消耗指標

（1）電耗：當原料氣加壓到0.2MPa時電耗為0.3～0.5kWh/Nm3產品氣（單價：0.69元/ kWh）。

（2）水耗：0.0003～0.0004t/Nm3產品氣（補充新水，單價：3.5元/噸）。

（3）蒸汽：600～700噸/月（單價：234元/噸）。

（4）其他（折舊、人工等）：0.2～0.25元/Nm3產品氣。

（5）原料氣：67000Nm3/h。

（6）產品氣：17500Nm3/h。

3.3 經濟效益分析

由以上數據分析，假設所得稅按利潤總額的25%計征，銀行貸款利息按6.14%計算，項目年直接經濟效益分析如下：

項目建設規模為提純67000高爐煤氣原料氣，產生17500（含一氧化碳70%）產品氣，產品氣價為0.77元/Nm3，原料氣價為0.07元/Nm3。據測算，項目年銷售收入9312萬元，總成本（包括原料氣）8184萬元，利潤總額為1128萬元；項目全部投資內部收益率為15.01%，投資回收期（含建設期）為7.1年，投資利潤率為14.42%。本項目具有良好的經濟效益和抗風險能力，在經濟上是可行的。

同時，利用該變壓吸附提純技術將高爐煤氣中的CO提純后，應用前景十分廣闊：一是富含CO的產品氣可作為高熱值燃料，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，為企業創造更大的經濟效益。

4 結 論

本文通過對變壓吸附氣體提純原理的分析，提出了變壓吸附大規模低成本提純一氧化碳這一創新技術，對廢棄能源進行綜合利用，為鋼鐵企業的節能減排、降耗增效做出了貢獻，具有很好的市場開拓推廣前景。

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