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钢铁联合企业煤气综合利用研究

文档作者：张琦蔡九菊王建军文档来源：东北大学国家环境保护生态工业重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年03月14日
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钢铁联合企业煤气综合利用研究
张琦蔡九菊王建军
（东北大学国家环境保护生态工业重点实验室沈阳!!"""#）
摘要随着我国钢铁工业的高速发展，冶金企业出现了大量的剩余煤气，由于使用得不好，大量煤气被白白
放散掉。本文探讨了钢铁联合企业副产煤气的不同利用途径，除作为加热燃料外，还包括了联合循环发电和
生产化工产品等；同时提出一种煤气富余量的计算方法，通过计算可以衡量企业煤气资源的水平，为企业做好
煤气平衡提供依据。
关键词钢铁联合企业煤气利用平衡
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6 引言
钢铁联合企业在生产钢铁产品的同时，也产生
大量的副产品煤气，煤气是钢铁企业中最重要的二
次能源，占企业总能耗的M"N左右，目前我国多数
钢铁企业不仅煤气回收率低、消耗量大，而且放散严
重（见表!），既增加了能源消耗又污染了环境。在
日本、德国等发达国家，钢铁工业所产生的副产煤气
基本上被全部回收再利用，这也是造成我国钢铁工
业吨钢可比能耗和各重点工序的工序能耗均高于这
些国家的原因之一。
目前，随着连铸和薄板坯连铸机及近终型薄带
装置的大量运行，轧钢部分将大大减少煤气的使用
量，钢铁联合企业的剩余煤气将会越来越多。如何
科学、准确地预测和合理利用煤气资源显得尤为重
要，本文探讨了煤气利用的各种途径，用(=F计算法
分析了煤气富余量，为企业实现煤气平衡提供依据。
表6 近年来重点统计钢铁企业副产煤气利用情况
"7896 #:;<;=7:;>?>@8ABCD>EFG:H7I;?JKA;?G>DC>D7:KE
K?:KDCD;IK>@;D>?7?EI:KK<;?DKGK?:AK7I
年份
高炉煤气放
散率／N
焦炉煤气放
散率／N
转炉煤气利用率
／EM·;O!
P""! QRQS PR"Q MQ
P""P TRQS PRSM MS
P""M URV! PRMU #!
L 副产煤气利用途径
传统钢铁联合企业，副产煤气只供烧结、炼焦、
炼铁和轧钢等用户加热使用，很少再利用，使得煤气
放散比较严重；近几年来，随着一大批先进工艺、技
术在钢铁工业的投入使用，煤气资源的利用途径增
加了很多。
能 源 ·VMV·
!"# 高炉煤气利用途径
高炉炉顶煤气余压发电技术（!"#$%&amp;’()&amp;&amp;*()
+),"-)(.!*(/01)简称!+!）是利用高炉炉顶排出的
高炉煤气中的压力能及热能转化为机械能并驱动发
电机发电。干式!+!装置是钢铁企业重要的节能降
耗技术，是国家重点支持、鼓励和发展的节能环保效
益型创新技术，因而被国家列入重大技术装备国产化
创新研制项目。用!+!技术发出的电量是相当可观
的，宝钢!+!吨铁发电量为234567·8，相当于节约
9:4;6<,)／=铁［9］。
!"! 焦炉煤气利用途径
传统焦炉煤气利用主要作为加热燃料供钢铁工
业设备使用，钢铁联合企业焦炉煤气再利用包括发
电、生产直接还原铁（简称>+?）、变压吸附制氢气
（简称’@A）、生产甲醇、二甲醚和氨等，如图9所
示。
图9 焦炉煤气的利用及其处理潜力
B0<49 C=0D0E%=0"1%1F#"=)1,0%D=()%=G)1="H,"6)"-)1<%&amp;
I4I49 焦炉煤气发电
焦炉煤气发电主要通过蒸汽、燃气轮机和内燃
机等方式发电。蒸汽发电机组是以焦炉煤气作为蒸
汽锅炉的燃料产生高压蒸汽，带动汽轮机和发电机
组发电；燃气轮机发电机组是焦炉煤气直接燃烧驱
动燃气轮机，再带动发电机组发电；内燃机发电机组
是用煤气机带动发动机发电。其中蒸汽发电技术可
靠，已在国内焦化行业中广泛应用，但也存在系统复
杂、占地大和系统启动时间长的缺点。内燃机发电
目前在我国许多地方的焦化厂已投入使用，而且大
多选用JKK67 的内燃机发电机组，该技术经济效
益可观且投资回收较快。
I4I4I 焦炉煤气生产甲醇
由于焦炉煤气中LI
、ML:
含量较高，LI
大约为
J3N!J;N，ML:
约为I3N!I;N，只要将焦炉煤
气中的甲烷转化成MO和LI
，即可满足甲醇合成气
的要求，其工艺流程如图I所示，目前山东兖矿集团
有限公司从德国引进的焦炭生产设备中有IK万=／%
的甲醇生产装置、山西天浩有9K万=／%的甲醇生产
装置，云南曲靖;万=／%的甲醇生产装置也于去年底
建成投产［I］。
I4I42 焦炉煤气生产纯氢
利用焦炉煤气生产纯氢（’@A变压吸附）技术
成熟，经济合理，在我国得到广泛应用。将净化处理
后的焦炉煤气再加压深度净化，用’@A技术从焦炉
煤气中提取高纯度氢，约PP4PN左右。目前宝钢化
工公司和石家庄焦化厂已成功地利用焦炉煤气用于
苯加氢装置生产纯苯等化工产品。
I4I4: 焦炉煤气生产>+?
焦炉煤气经加氧热裂解即可得到廉价的还原性
气体（约5KN左右的LI
和2KN的MO），作为气基竖
炉或煤基回转窑的还原性气体的气源，直接还原生
产海绵铁是焦炉煤气利用的重要途径。>+?生产技
术已非常成熟，而且经济效益明显，成倍优于利用焦
炉煤气发电的经济效益。
!"$ 转炉煤气综合利用
转炉煤气在钢铁联合企业的燃料平衡中起着重
要的作用，不仅满足炼钢厂自己使用，还供热轧、冷
轧等车间使用，若利用得好还能实现负能炼钢。如
炼一吨钢回收;3G2 的转炉煤气，同时利用炉气的
物理热加热余热锅炉，产生JK6<的蒸汽能基本满
·J23· IKKJ中国钢铁年会论文集
足炼制吨钢所需氧气消耗的热量及转炉辅助设备所需的能量，可以实现不耗能甚至负能炼钢。
图! 以焦炉煤气为原料制取甲醇的工艺流程
"#$%! &amp;’()*+,(--+./(0’12+3)31204-#2$,+5(+6(2$1-
!"# 低热值煤气燃气轮机联合循环发电（$$%%）
高炉煤气因热值低、含尘含水量大、压力波动大
等因素在钢铁企业中难以适应生产需要，除高炉热
风炉、焦炉使用外，剩余的煤气被白白地放散掉，既
浪费能源又污染环境。使用低热值煤气燃气轮机联
合循环发电技术可以利用这些资源，目前较先进的
低热值煤气发电工艺如图7所示。高炉煤气通过压
缩机进入燃烧器中燃烧后对燃气轮机做功，燃烧后
的高温烟气对废热锅炉加热后，于高空排放。废热
锅炉产生的中压蒸汽，对蒸汽轮机做功再次发电。
另外，富余的转炉煤气、焦炉煤气也供低热值煤气热
电联供发电，进行综合利用，以提高发电效率。
图7 低热值煤气燃气联合循环发电工艺
"#$%7 8+9’(106134($1-,+/:#2(;
,<,3()+9(*)3120
燃气轮机联合循环发电效率比常规电厂高=>个
百分点左右。目前，通化钢铁集团公司?>@ABBCC
运行良好，年净发电量D亿5A·’。
&amp; 钢铁工业煤气富余量分析
随着我国钢铁产量的逐年增加，钢铁工业副产
煤气的产量将有大幅度的上升；同时由于政策因素
的影响，使得煤气的回收量增加；而钢铁企业生产中
原有技术的不断完善和新技术的应用、普及，使煤气
的消耗量降低，吨钢煤气消耗量将逐渐趋于平衡和
稳定。我国钢铁企业煤气的总体发展是趋于富余
的。
&amp;"’ 煤气富余量计算
关于钢铁企业煤气富余量的计算，也即回收量
（供应量）和需求量的计算。本文采用$E)计算法。
该方法是以一些年份的现行数据为基准，分析影响
煤气回收量或需求量的各种因素（$、)），从而得出煤
气的富余量。这种方法收集数据少，处理数据简单，
所得结果可信、实用。
7%=%= 煤气供需$E)计算法
煤气的回收量（或称供应量）是指在统计期内钢
铁企业回收的高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气的数
量（FG）。煤气的需求量是指在同一个统计期内，企
业需求上述煤气的数量。在生产中，煤气的需求量
一般不等于煤气的实际消耗量。煤气的回收量、消
耗量、外供量和放散量之间的关系如下：
［煤气回收量］H［消耗量］I［外供量］I［放散量］
（=）
煤气回收量的计算式为：
煤气回收量H!"
·""I!B
·"BI!J
·"J
（!）
式中，!"
、!B
和!J
分别为统计期内炼铁、炼焦和转
炉炼钢工序的煤气产率，FG／0产品；""
、"B
和"J
分别为相同统计期内上述各工序的实物产量，#实
能 源 ·?7K·
物。结合我国钢铁企业的具体情况，将生产全过程
划分为!"个生产工序，于是有：
［煤气消耗量］#［外供量］#［放散量］$
!!
·"!#!%
·"%#⋯#!!"
·"!"#
（#!##%##&amp;
）"’##("’##)"’
（&amp;）
式中，!!
，!%
，***，!!"
分别为统计期内烧结、炼焦、炼
铁、炼钢、连铸、初轧、轧钢、发电、石灰、化工制品等
工序的工序煤气热耗，+,／-产品；#!
，#%
，***，#)
分
别为动力厂、机修厂、其它部门消耗的煤气量占煤气
回收量的比例，以及外供和放散的煤气量占煤气回
收量的比例，.，分别称作动力、机修、其它工序的煤
气消耗率，煤气外供率和煤气放散率；"!
，"%
，***，
"!"
分别为同一个统计周期内上述各工序的实物产
量，$实物；"’
为煤气回收量，+,。如果煤气使用供
需平衡，则由式（%）和式（&amp;）得
%/
·"/#%0
·"0#%1
·"1$!!"!#!%"%#⋯
#!!""!"#（#!##%##&amp;
）"’##("’##)"’
（(）
为了排除企业的生产规模（即钢产量）对煤气平
衡的影响，将式（(）的两边同除以统计期内的钢产
量，得
%%&amp;%#%&amp;&amp;&amp;#%(&amp;($!!&amp;!#!%&amp;%#⋯
#!!"&amp;!"#（#!##%##&amp;
）&amp;’##(&amp;’##)&amp;’
（)）
式中&amp;’$%%&amp;%#%&amp;&amp;&amp;#%(&amp;(
（2）
!’$!!&amp;!#!%&amp;%#⋯#!!"&amp;!"#
（#!##%##&amp;
）&amp;’##)&amp;’
（3）
则&amp;’$!’##(&amp;’
（4）
在上述公式中，&amp;’
定义为吨钢煤气产率，它是
统计期内企业回收的煤气量与同期钢产量之比，
+,／-钢；!’
定义为吨钢煤气燃（热）耗，它是统计期
内企业消耗的和放散的煤气量之和与钢产量之比，
+,／-钢；&amp;!
，&amp;%
，***，&amp;!"
分别定义为各工序的钢比
系数，它们是统计期内各工序的实物产量与钢产量
之比。
&amp;*!*% 煤气富余量
由以上计算分析可知，如果企业没有煤气外供，
则
吨钢煤气富余量$吨钢煤气产率
5吨钢煤气燃耗（"）
以某年产&amp;’’万-钢铁企业的煤气使用为例，
根据式（!）!式（"）可得出该企业的吨钢煤气产率为
!(*!("2+,／-钢，吨钢煤气消耗率为!%*’2!%+,／-
钢，则可得该企业在统计期内的吨钢煤气富余量为
%*’44(+,／-钢，同时可以得出吨钢各种煤气资源的
富余量。
!"# 富余煤气利用情景分析
以富余焦炉煤气利用为例，相关产品的吨焦生
成量如图(所示，发电量为’*4")67·8／-焦，热效
率为!$&amp;).，加热为%*(4)67·8，生产纯氢为
&amp;2)9&amp;，生产甲醇为%"):;，直接还原铁为!!%’:;
［%］。
企业可以根据自身情况，用以上方法计算本企业煤
气资源的富余量，结合生产实际，选择不同的煤气利
用途径，以获得最大的经济和社会效益。
图( 相关产品的吨焦生成量
/<;*( 0=>>?@A-<=BC>=DEF-G=E-CE-C?>-=BF=:?
$ 结论
（!）随着钢铁工业的高速发展以及一大批节能
技术的应用，越来越多的副产煤气出现富余，通过煤
气的再利用，钢铁企业能够充分利用副产煤气，增加
企业经济效益，降低对自然资源的需求，削减钢铁联
合企业废气的排放，改善企业对周边环境的影响；
（%）探讨了目前国内外钢铁工业副产煤气的利
用情况和潜在的利用途径，为钢铁联合企业的决策
者结合企业实际情况对煤气资源进行再利用提供了
参考；
（&amp;）运用;HC计算法对钢铁联合企业煤气资源
的富余情况进行计算和分析，得出合理的煤气富余
量，为企业选择不同的煤气利用途径提供科学依据。
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’ 郑文华，张兴柱"焦炉煤气的使用现状与应用前景［(］"燃料与化
工，$%%&amp;，)*（&amp;）：+!)
, -"#"-./01.2，3"4"516789..2，.61/":.;<=68>?@A.-1/1?=.B?41C
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?8K<.C，$%%$，&amp;*（)）：)+&amp;!)+!
+% 李珍，莫造林"冶金企业自备电厂利用废弃能源的探讨［(］"煤气
与热力，$%%)，$)（+%）：L%)!L%L
++ 任建兴，章德龙，周伟国等"低热值高炉煤气在发电设备中的应
用［(］"上海电力学院学报"$%%+，+!（$）：+!$
+$ 热冰娣"钢铁厂煤气系统分析及富余煤气再资源化研究［#］"沈
阳，东北大学硕士论文， %>]]>

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