鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣資源化高效利用途徑研究

王洪軍，趙澤東，王永強(qiáng)，李　明

引言

近年來,隨著節(jié)能降耗工作的不斷深入開展，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)煤氣資源綜合利用成為各企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。綜合利用鋼鐵企業(yè)煤氣資源，不僅關(guān)系到企業(yè)利潤增長和節(jié)能環(huán)保，同時對區(qū)域環(huán)境的和諧發(fā)展、區(qū)域資源的平衡利用意義重大。

1　鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣利用形式

目前，公司轉(zhuǎn)爐煤氣的利用和大多數(shù)鋼鐵企業(yè)一樣，用來發(fā)電（燃煤氣鍋爐產(chǎn)蒸汽帶動汽輪機(jī)發(fā)電），副產(chǎn)煤氣利用效率較低，盡管高溫超高壓機(jī)組和超高溫超高壓機(jī)組的技術(shù)逐漸成熟，發(fā)電效率有了顯著提高，但副產(chǎn)煤氣資源化利用仍有較大的利潤空間。

全部轉(zhuǎn)爐煤氣可進(jìn)行資源化利用，轉(zhuǎn)爐煤氣有效成分主要是CO（含量50%以上），因此，資源化利用首選利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，以CO為有效成分的工業(yè)煤氣主要發(fā)酵反應(yīng)可表示為：6CO+3H2O=C2H5OH+4CO2+熱量（一氧化碳+水經(jīng)生物發(fā)酵生成燃料乙醇和二氧化碳），1 t一氧化碳，經(jīng)菌體的生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化，可生產(chǎn)0.274 t乙醇。

2　工藝流程簡述

轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后送至TSA塔和脫硫塔脫除芳烴類等有害物質(zhì)，再經(jīng)過脫氧后送至發(fā)酵，發(fā)酵以水為載體添加微生物必須的微量元素及維他命維持生命活動，在發(fā)酵罐中菌體將CO進(jìn)行轉(zhuǎn)化，生成乙醇醪液，發(fā)酵尾氣殘余的CO送至RTO（蓄熱式焚化爐）回收熱能產(chǎn)生蒸汽用于蒸餾，乙醇醪液送至蒸餾產(chǎn)出99.5%的乙醇成品。經(jīng)過蒸餾處理后，含菌體的余餾水進(jìn)行分離、烘干，生產(chǎn)菌體蛋白用于飼料替代魚粉。分離出菌體后的余餾水部分直接回用發(fā)酵，部分送至污水處理，處理后進(jìn)行回用，同時污水處理產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過提純壓縮后產(chǎn)出CNG。

（1）氣體預(yù)處理

原料氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后，出口壓力為0.5 MPa，進(jìn)入精脫萘器（TSA）脫除煤氣中的萘、苯等雜質(zhì)，再通過精脫硫塔進(jìn)一步脫除原料氣中的硫化氫到0.1×10-6內(nèi)(目的保護(hù)脫氧劑)。凈化后的煤氣經(jīng)過除油除塵過濾器后，溫度在80～120℃、油含量≤1×10-6，進(jìn)入脫氧塔脫氧到100×10-6以內(nèi)，產(chǎn)品氣經(jīng)冷卻到37±2℃并氣液分離后送出至發(fā)酵工段。

（2）發(fā)酵

種子經(jīng)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。種子罐啟用前先用熱水清洗，然后加入培養(yǎng)液并充入氮?dú)?。原料氣通過氣體分布器進(jìn)入種子罐。菌體經(jīng)過種子罐擴(kuò)培到所需的細(xì)胞密度，然后送往發(fā)酵罐。

發(fā)酵共有3條生產(chǎn)線并聯(lián)運(yùn)行，每條發(fā)酵生產(chǎn)線包括2臺發(fā)酵罐，采用串聯(lián)方式。發(fā)酵罐先用熱水沖洗，然后加入培養(yǎng)液并充入氮?dú)?。原料氣通過氣體分布器通入發(fā)酵罐。發(fā)酵液被不斷循環(huán)并由控制系統(tǒng)加入原料氣體和所需的營養(yǎng)素。并通過添加酸和堿以控制發(fā)酵液pH值。經(jīng)過二級發(fā)酵，發(fā)酵液通過膜過濾器，透過膜的清液進(jìn)入清液罐；菌體則回到發(fā)酵罐。

種子罐和發(fā)酵罐排出的氣體先經(jīng)氣液分離，再經(jīng)過洗滌器用培養(yǎng)液逆流清洗，其中殘留的乙醇被吸收到培養(yǎng)液中并返回發(fā)酵罐；氣體則送往尾氣利用系統(tǒng)（RTO）。

（3）蒸餾

本裝置分為蒸餾和脫水兩部分。蒸餾部分將酒精濃度蒸餾至95%（體積百分比）并排出有害雜質(zhì)，脫水部分將濃度進(jìn)一步提高到99.5%（體積百分比）達(dá)到企業(yè)質(zhì)量內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)酵成熟的醪液酒精含量達(dá)到62.5 mL/L，分為清液和濃液（未分離菌體蛋白），分別進(jìn)入兩個不同的粗餾塔，將酒精濃度提升至50%后共同進(jìn)入精餾塔進(jìn)一步蒸餾，精餾塔在一定壓力下工作，一臺粗餾塔在微正壓下工作，一臺粗餾塔在負(fù)壓狀態(tài)下工作，不同的發(fā)酵醪液進(jìn)入不同溫度的粗塔，可降低蒸餾過程中因高溫致使蛋白質(zhì)變性堵塞塔板，同時利用熱耦合技術(shù)將精餾塔產(chǎn)生的酒精蒸汽作為熱源帶動微正壓塔工作，微正壓塔帶動負(fù)壓塔工作，熱能逐級傳遞并冷凝了酒精蒸汽，節(jié)約了熱能和冷卻水。

從精餾塔采出濃度95%的酒精氣體輸送至脫水裝置。脫水后得到99.5%的燃料乙醇達(dá)到企業(yè)內(nèi)控質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。按照GB18350-2013加入變性劑和金屬阻蝕劑后成為產(chǎn)品變性燃料乙醇。粗餾塔產(chǎn)生的殘液送至污水處理廠進(jìn)行處理回用，精餾塔產(chǎn)生的塔底液直接回用至發(fā)酵工段工藝配水。

（4）飼料

來自發(fā)酵的成熟醪含有6.25%（體積百分比）的酒精和2.8%梭狀芽胞桿菌菌體，經(jīng)蒸餾粗塔負(fù)壓低溫提取酒精，蒸餾塔底廢醪液泵入緩沖罐，連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)入臥螺離心機(jī)經(jīng)高速離心將物料濃縮為15%（固含物）的物質(zhì)，離心后的清夜送到污水處理。15%（固含物）物料經(jīng)干燥制得水分小于10%的蛋白粉，可作為飼料原料出售。

（5）CNG

污水處理厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣主要成分CH4（＞65%），并含有 CO2和 H2S、H20，發(fā)熱量 20～25 MJ，是良好的生物氣體燃料。

沼氣經(jīng)風(fēng)機(jī)輸送至脫硫裝置脫硫，脫硫后的氣體壓縮機(jī)加壓后變壓吸附脫出CO2，經(jīng)分子篩脫水后的干燥天然氣進(jìn)一步加壓到25 MPa，生產(chǎn)CNG，可作為運(yùn)輸燃料。

3　工藝流程簡圖

3.1　氣體預(yù)處理工藝流程簡圖（見圖1）

圖1　氣體預(yù)處理工藝流程簡圖

3.2　發(fā)酵工藝流程簡圖（見圖2）

圖2　發(fā)酵工藝流程簡圖

3.3　蒸餾工藝流程簡圖（見圖3）

圖3　蒸餾工藝流程簡圖

3.4　蛋白飼料工藝流程簡圖（見圖4）

圖4　蛋白飼料工藝流程簡圖

3.5　CNG工藝流程簡圖（見圖5）

圖5　CNG工藝流程簡圖

4　產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

燃料乙醇是半成品，在添加0.99%～4.76%（體積百分比）的變性劑（汽油）變性后才能成為成品（變性燃料乙醇）；達(dá)到《變性燃料乙醇的國家標(biāo)準(zhǔn)》GB18350-2013。

4.1　燃料乙醇質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）

外觀：清澈透明，無肉眼可見懸浮物和沉淀物；

乙醇≥99.5%（體積百分?jǐn)?shù)）；

甲醇（g/100 mL）≤0.35%；

水分%≤0.5%（體積百分?jǐn)?shù)）；

溶劑洗膠質(zhì)≤3.0 mg/100 mL；

無機(jī)氯(以 Cl-計(jì))≤8 mg/L；

酸度(以乙酸計(jì))≤56 mg/L；

銅≤0.08 mg/L；

pH 值：6.5～9.0；

硫含量≤30 mg/kg。

4.2　變性燃料乙醇國家標(biāo)準(zhǔn)

外觀：清澈透明，無可見懸浮物和沉淀物；

乙醇≥92.1%（體積百分?jǐn)?shù)）；

甲醇≤0.5%（體積百分?jǐn)?shù)）；

溶劑洗膠質(zhì)≤5.0 mg/100 mL；

水分≤0.8%（體積百分?jǐn)?shù)）；

無機(jī)氯（以 Cl－計(jì)）≤8 mg/L；

酸度（以乙酸計(jì)）≤56 mg/L；

銅≤0.08 mg/L；

pH 值：6.5～9.0；

硫≤30 mg/kg。

4.3　蛋白飼料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

粗蛋白≥75%；

水分≤10%；

粗灰分≤3.5%；

銨鹽≤0.5%。

微生物指標(biāo)：符合國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

4.4　《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）

高位發(fā)熱量≥31.4 MJ/m3；

總硫（以硫計(jì)）≤200 mg/m3；

硫化氫≤15 mg/m3；

二氧化碳CO2≤3.0%；

氧氣O2,≤0.5%；

水露點(diǎn)：在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13℃；當(dāng)最低氣溫低于-8℃時，水露點(diǎn)應(yīng)比最低氣溫低5℃。

5　經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益

5.1　經(jīng)濟(jì)效益

某鋼鐵項(xiàng)目煤氣平衡，可資源化利用的轉(zhuǎn)爐煤氣11.65萬m3/h，全年煤氣總量9.79億m3/a。

如選用超高溫超高壓機(jī)組發(fā)電，年可發(fā)電6.53億kW·h，按電價(jià)0.5元/kW·h計(jì)算，可創(chuàng)效3.265億元（未計(jì)成本）。

轉(zhuǎn)爐煤氣資源化利用，采用生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇，年可生產(chǎn)燃料乙醇13.98萬t，按乙醇價(jià)格5000元/t計(jì)算，年可創(chuàng)效6.99億元（未計(jì)成本）。

轉(zhuǎn)爐煤氣資源化利用效益比常規(guī)發(fā)電效益高3.725億元。同時發(fā)酵過程中產(chǎn)生的蛋白飼料也可以作為商品出售，年效益7000萬元。

5.2　環(huán)保效益

按乙醇汽油10%的乙醇含量測算，燃料乙醇的市場容量將達(dá)到30萬t以上。燃料乙醇可以就近供應(yīng)河北省內(nèi)的乙醇汽油市場，以減少對汽油等化石燃料的消耗量，同時可降低石油冶煉過程中產(chǎn)生的顆粒物、碳?xì)浠衔?、二氧化硫和氮氧化物等有害氣體的排放，根據(jù)清華大學(xué)對車用燃料全生命周期碳排放的研究，以工業(yè)尾氣制乙醇將比從石油中制取汽油減少碳排放41%，有助于改善當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境質(zhì)量。

隨著國家環(huán)保治理的力度加大，排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，燃煤氣鍋爐也存在煙氣中氮氧化物排放超標(biāo)的問題，建設(shè)發(fā)電鍋爐需要同步考慮脫硝的問題，轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇可大大降低氮氧化物和顆粒物排放，理論上可比發(fā)電降低67%的氮氧化物排放。

6　關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

利用鋼廠豐富的轉(zhuǎn)爐煤氣資源，采用專有菌種和世界獨(dú)特的生物發(fā)酵技術(shù)，直接以一氧化碳作為碳源進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，同時回收菌體作為飼料蛋白，并回用污水處理過程中產(chǎn)生的沼氣生產(chǎn)CNG。該工藝發(fā)酵底物簡單，原料轉(zhuǎn)化率高，發(fā)酵反應(yīng)時間短，反應(yīng)條件溫和，發(fā)酵水回用比例高，菌種適應(yīng)性強(qiáng)。生產(chǎn)工藝過程中各產(chǎn)物均得到了綜合利用，相對于傳統(tǒng)燃料乙醇具有一定的成本優(yōu)勢。對于鋼鐵企業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)具有示范意義，同時可減少二氧化碳及顆粒物的排放，對于當(dāng)前霧霾天氣治理具有推動作用。

7　結(jié)語

轉(zhuǎn)爐煤氣微生物發(fā)酵法制乙醇項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)開啟了轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)一步高效利用的新局面。河北省尤其是唐山市是全國鋼鐵工業(yè)軸心地帶，該項(xiàng)目的實(shí)施，必然會對該地區(qū)形成巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)沖擊波，使得該地區(qū)在類似領(lǐng)域，具備技術(shù)競爭優(yōu)勢，占據(jù)市場制高點(diǎn)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展和繁榮。另外，該項(xiàng)目的實(shí)施，有利于優(yōu)化當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和利用的多元化和多樣化，保障能源安全，改善城市環(huán)境，方便人民生活、提高生活質(zhì)量，提高工業(yè)企業(yè)核心競爭力。

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