□ 李京社 郭 皓

我國是世界鋼鐵生產的超級大國，生鐵和粗鋼產量已連續(xù)多年位居世界第一，目前生鐵和粗鋼產量占世界總產量的50%以上。近年來，我國鋼鐵行業(yè)遇到了發(fā)展瓶頸，出現(xiàn)了鋼鐵產能過剩、利潤率降低、資源能源短缺、環(huán)境污染嚴重等問題。因此，我國鋼鐵企業(yè)升級節(jié)能減排技術、優(yōu)化調整產品結構、提高綜合經(jīng)濟效益、實施業(yè)務多元轉型的需要已迫在眉睫[1]。以高爐、轉爐和焦爐煤氣為代表的鋼廠煤氣是鋼鐵企業(yè)重要的二次能源，約占鋼鐵生產總能量的1/3，同時也是鋼鐵企業(yè)主要氣態(tài)污染物的排放源頭，鋼廠煤氣的資源化利用對于鋼鐵企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、鋼廠煤氣利用發(fā)展的過程和問題

鋼鐵企業(yè)在生產過程中消耗大量的煤炭等化石燃料，同時也產生大量的副產煤氣，副產的鋼廠煤氣除一部分自用外，其余均為過剩。隨著鋼鐵工業(yè)幾十年的發(fā)展，這部分過剩的鋼廠煤氣也經(jīng)歷了無序放散、TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）、鍋爐余熱發(fā)電、雙超（超高壓超高溫）、CCPP（燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組）發(fā)電的歷史階段，這是從資源浪費到物有所用的過程。

第一階段（1949—1978年），1949年建國后我國重建了鞍鋼，并新建了武鋼和包鋼等聯(lián)合鋼廠，鋼鐵產量總計只有幾十萬噸，煉鋼主流采用平爐煉鋼技術，直到1978年我國的鋼鐵產量突破了3 000萬噸，在此期間鋼廠副產煤氣基本處于放散狀態(tài)，極少得到利用。

第二階段（1978—2000年），1978年后，轉爐煉鋼逐漸取代了平爐煉鋼，高爐的利用系數(shù)也不斷提高，1996年中國鋼鐵行業(yè)粗鋼產量首次突破1億噸大關[2]，這22年間，以首鋼1983年TRT發(fā)電機組投產為標志[3]，鋼廠煤氣發(fā)電也逐漸開始發(fā)展。

第三階段（2000—2013年），2000年以后，我國鋼鐵工業(yè)進入了加速發(fā)展階段，鋼鐵產量每年上一個臺階，2012年已突破7億噸，中國鋼鐵逐漸占據(jù)世界的半壁江山，鋼廠煤氣TRT和余熱發(fā)電也開始迅速普及，1995—2007年，TRT的普及率從6.9%提高到80%[4]。

第四階段（2013年至今），2013年以來，我國鋼鐵工業(yè)逐漸由高速增長轉向高質量發(fā)展，隨著國家經(jīng)濟結構和產業(yè)結構的轉型升級，為了更大限度地利用鋼廠煤氣價值，雙超、CCPP發(fā)電技術也逐漸得到我國鋼鐵企業(yè)的重視和應用。

鋼廠煤氣的利用與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展息息相關，但是鋼廠煤氣的利用方式始終局限在“燃燒”的瓶頸中，發(fā)電效率和專業(yè)電廠存在差距，而且后續(xù)需要應對燃燒后粉塵、二氧化硫、氮氧化物的污染治理問題，同時增加了二氧化碳的排放。如何以高效、經(jīng)濟、綠色的形式利用鋼廠煤氣，一直是國內外鋼鐵企業(yè)研發(fā)的重要方向，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益、保護環(huán)境、構建生態(tài)產業(yè)鏈具有重要意義。

二、鋼廠煤氣深度利用的制約因素

除燃燒利用外，鋼廠煤氣的深度利用還有另一種形式，即化工合成。在我國，除鋼鐵工業(yè)外，化工工業(yè)也是一項重要的支柱產業(yè)，在化工工業(yè)中，一氧化碳和氫氣是化工合成的基礎原料[5]，很多化工企業(yè)需要通過各種途徑獲取這部分氣源。如果能夠利用鋼廠煤氣中的一氧化碳和氫氣進行化工合成，生產例如甲醇、乙醇、乙二醇類的化工品，實現(xiàn)鋼化聯(lián)產的綠色生產模式，可產生比燃燒利用更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

由于鋼化聯(lián)產需要的一氧化碳純度大于98.5%、氫氣純度大于99.9%，所以鋼廠煤氣深度利用的關鍵在于凈化提純。鋼廠煤氣有利用價值的成分主要是一氧化碳、氫氣和甲烷，具體成分如表1所示。

表1 鋼廠尾氣中主要組分的含量 單位/%

由表1可以看出，高爐、轉爐煤氣中有用組分主要是一氧化碳，同時伴隨有大量的氮氣和二氧化碳。如果想深度利用，需要將其中的一氧化碳提純到98.5%以上。二氧化碳的去除較為容易，但由于氮氣和一氧化碳有相同的分子量（見表2）、相近的沸點、相近的分子動力學直徑，用普通PSA（變壓吸附）或深冷分離的方法都不能實現(xiàn)經(jīng)濟高效的分離，因此一氧化碳和氮氣的分離一直是個世界性的難題。

表2 氮氣和一氧化碳的性質對比

焦爐煤氣中的有用組分主要是氫氣和甲烷，甲烷屬于高附加值能源，由于其中的氮氣和一氧化碳含量較少，可以通過冷箱深冷分離的方式，將其中的氫氣和甲烷分離提純，得到99.9%的氫氣和LNG（液化天然氣）產品。目前，深冷分離技術比較成熟，而且有較多應用案例。

鋼廠煤氣最環(huán)保和高效的深度利用方式是鋼化聯(lián)產，鋼化聯(lián)產最關鍵的問題是鋼廠煤氣中一氧化碳和氫氣的分離提純，分離提純過程最困難的環(huán)節(jié)是高爐、轉爐煤氣中一氧化碳和氮氣的分離，因此一氧化碳和氮氣的分離技術是鋼廠煤氣深度利用的制約因素。

三、鋼廠煤氣深度利用——鋼化聯(lián)產模式的技術突破

鋼化聯(lián)產是指以鋼鐵企業(yè)高爐、轉爐和焦爐煤氣為原料，經(jīng)過一系列的凈化分離工藝，提取出一氧化碳、氫氣和甲烷等有價值的原料氣組分，進一步化工合成生產甲醇、乙醇、乙二醇、LNG、燃料氫等高附加的化工產品的過程。

1.鋼化聯(lián)產模式的出現(xiàn)

鋼化聯(lián)產的概念，于20世紀90年代由日本和歐洲國家提出，但由于一直無法從高爐和轉爐煤氣中高效提純一氧化碳，鋼化聯(lián)產的課題就一直被擱置，直到21世紀初，高爐和轉爐煤氣中提純一氧化碳的技術瓶頸被我國技術突破后，鋼化聯(lián)產項目開始在國內開展。

2.鋼化聯(lián)產的關鍵技術突破

從高爐、轉爐煤氣的高氮氣氛圍中，以經(jīng)濟的方式分離提純一氧化碳的課題，在國內已被北京北大先鋒科技有限公司突破，利用一氧化碳和一價銅離子分子篩的絡合特性，通過變壓吸附的方式成功地將一氧化碳和氮氣實現(xiàn)高效分離，并且已有成熟工業(yè)運行的案例，為鋼化聯(lián)產、鋼廠煤氣資源化利用的實施提供了可行性和經(jīng)濟性基礎。

3.鋼化聯(lián)產的意義

(1) 增加經(jīng)濟效益

甲醇、乙醇、乙二醇都是國家重要的化工產品，尤其是燃料乙醇，添加到汽油當中可減少化石能源的使用，定價為汽油的0.91倍，售價穩(wěn)定，需求旺盛。此外，LNG和燃料氫，都可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

（2）源頭減少碳排放

鋼化聯(lián)產將原本用于燃燒的一氧化碳，通過與氫氣的合成反應，固載到化工品中，不再燃燒產生二氧化碳，從源頭減少了碳排放。

（3）減少有害物質排放

鋼廠煤氣在燃燒過程中會產生大量粉塵、二氧化硫和氮氧化物等有害物質，鋼化聯(lián)產以化工合成取代了燃燒，有害物質大大減少。

（4）提高企業(yè)抗風險能力

鋼化聯(lián)產可以延長鋼鐵企業(yè)產業(yè)鏈條，以鋼廠煤氣為原料生產的化工品，在成本上遠優(yōu)于煤化工、石油化工和天然氣化工，當鋼鐵主業(yè)市場低迷時，化工品利潤可以提高企業(yè)的抗風險能力。

（5）提前布局能源戰(zhàn)略

燃料乙醇、LNG和燃料氫是國家未來能源布局的重要組成部分，對減少化石燃料消耗、減少國外能源依賴具有深遠意義。鋼化聯(lián)產模式使鋼鐵企業(yè)參與到能源戰(zhàn)略之中，走在了其他行業(yè)的前列。

（6）促進企業(yè)轉型升級

由于自身生產特點，傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)屬于較為“粗獷”的行業(yè)領域，鋼化聯(lián)產促使鋼鐵企業(yè)向“精細化”轉型，既是低碳綠色的轉變，又是降本增效的提升。

（7）耦合產業(yè)發(fā)展

鋼鐵和化工是我國兩個傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)，一個屬于“高溫低壓”，一個屬于“低溫高壓”，之前交集很少，鋼化聯(lián)產模式在鋼鐵和化工兩個行業(yè)之間架起一座橋梁，以鋼鐵副產物為化工原料，實現(xiàn)了兩大行業(yè)的耦合發(fā)展。

四、鋼化聯(lián)產模式的案例分析

1.山東石橫特鋼-阿斯德科技（首套轉爐煤氣制甲酸裝置）

山東石橫特鋼集團有限公司原來將轉爐煤氣用于燃燒發(fā)電，不僅效率低，且產生大量溫室氣體二氧化碳。在我國大力推進碳減排和鋼鐵去產能背景下，企業(yè)為了進一步降低碳排放并尋求新的利潤增長點，決定成立山東阿斯德科技有限公司，以轉爐煤氣作為原料生產甲酸產品。該項目將石橫特鋼副產的45 000 m3/h轉爐煤氣，經(jīng)除塵、壓縮、脫硫、脫水、除氧及PSA等工序后得到產品氣（18 200m3/h，一氧化碳含量98.5%），輸送到阿斯德進行化工生產，每年可生產20萬噸甲酸、5萬噸草酸及下游甲酰胺、甲酸鉀、甲酸鈣等產品，同時實現(xiàn)年減排二氧化碳30萬噸，已于2018年4月開車投產，穩(wěn)定運行至今。項目流程如圖1所示。

圖1 石橫特鋼鋼化聯(lián)產流程

2.山西立恒鋼鐵-沃能化工（首套轉爐+焦爐煤氣制乙二醇聯(lián)產LNG裝置）

山西立恒鋼鐵集團股份有限公司（簡稱“立恒鋼鐵”）于2012年引進4臺燃氣輪機及整套發(fā)電設備將剩余的鋼廠尾氣用于熱電聯(lián)產，投入運行后每年發(fā)電約4.8×108kW，蒸汽90多萬噸，在比較鋼廠煤氣用于化工合成和燃氣輪機發(fā)電的效益后，決定成立山西沃能化工科技有限公司，將轉爐、焦爐煤氣用于鋼化聯(lián)產。該項目從副產的轉爐和焦爐煤氣中提純得到一氧化碳氣體（32 000m3/h，一氧化碳含量98.5%）和氫氣（64 000m3/h，氫氣含量99.9%），每年生產30萬噸乙二醇，聯(lián)產15萬噸LNG。目前，該項目正在建設中，預計2020年4月開車投產，投產后可實現(xiàn)年減排二氧化碳45萬噸。項目流程如圖2所示。

圖2 立恒鋼鐵鋼化聯(lián)產流程

五、鋼化聯(lián)產模式的前景展望

目前，我國年產7.7億噸生鐵、9億噸粗鋼、4.3億噸焦炭，高爐-轉爐流程所副產的高爐、轉爐和焦爐煤氣數(shù)量巨大，鋼廠煤氣經(jīng)歷了無序放散、TRT、鍋爐余熱發(fā)電、雙超和CCPP發(fā)電的歷史階段后，未來必將迎來革命性的創(chuàng)新綠色應用時代，鋼化聯(lián)產就是其中的一條創(chuàng)新道路。

“綠水青山就是金山銀山”，在國家日益嚴峻的環(huán)保高壓態(tài)勢下，鋼鐵和化工兩個高污染、高耗能的傳統(tǒng)工業(yè)，需要探尋一條綠色轉型的發(fā)展之路，將鋼廠煤氣變?yōu)榛S原料氣，是一個大膽而又跨界的創(chuàng)新模式，山東石橫特鋼和山西立恒鋼鐵的工業(yè)案例證明了這種模式的可行性，鋼化聯(lián)產符合國家綠色可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略。

能源是國家工業(yè)發(fā)展進步的基石，鋼鐵企業(yè)若能通過鋼化聯(lián)產模式，為國家提供燃料乙醇、燃料氫和LNG的補充能源，對國家能源安全體系的構建具有深遠意義。