高爐煤氣是高爐煉鐵生產過程中副產的重要二次能源。隨著環保要求的日益嚴苛和相關資源化利用技術的進步，高爐煤氣的利用方式也在不斷發生變化。文中從高爐煤氣的副產與利用現狀出發，詳細分析了煤氣中的各種有害氣體的來源與產生途徑，梳理比較了高爐煤氣精脫硫與除酸工藝技術路線，總結了高爐煤氣CO2捕獲封存與利用的技術發展方向以及高爐煤氣分離提純CO作為化工生產原料的技術現狀與發展趨勢。結合分析結果，提出了高爐煤氣多種有害成分協同治理，分離提取有價成分作為化工生產原料是符合中國能源結構和工業現狀的發展道路。
2018年中國粗鋼產量超過9.28億t，約占世界總產量的51.3%，自1996年鋼產量超過1億t，已經連續23年居世界第一位。鋼鐵生產在保障國民經濟發展的同時也帶來了大量的固體和氣體污染物排放。中國鋼鐵生產主要以高爐-轉爐長流程工藝為主，長流程鋼鐵生產高爐煉鐵環節是以鐵礦石、焦炭和煤炭為主要原料，在生產出鐵水的同時副產高爐渣和高爐煤氣。
高爐煤氣是高爐煉鐵過程中副產的可燃性氣體，是一種重要的二次能源。由于熱值低、有害成分高，除自身熱風爐加熱使用外，富余高爐煤氣的利用經歷了從最初的直接放散掉，逐步發展為后續加熱爐提供能量，高效燃燒發電。隨著環保要求的日益嚴格，對煤氣燃燒后的排放標準要求越來越高，高爐煤氣有效成分的提取與高附加值利用途徑也被不斷開發出來，本文對高爐煤氣凈化提質利用技術的現狀進行了分析總結，并提出了符合中國能源結構和工業現狀的發展方向，為今后鋼鐵生產的節能減排和高效綜合利用提供借鑒和參考。
1、高爐煤氣基本情況
1.1高爐煤氣的產生與應用
高爐煤氣副產量一般為高爐鼓風量的1.35～1.4倍，折合每噸焦炭約為3100m3，每噸鐵約為1600m3。目前高爐煉鐵的方式主要有2種，一是趨于大型化，其產品用于煉鋼并進行深加工生產鋼材;另一種是小型高爐，主要用于“短流程”鑄造工藝生產鑄造生鐵。鑄造生鐵中硅、碳含量高于煉鋼生鐵，在冶煉過程中單位產品消耗的焦炭量比煉鋼生鐵要大，因此副產的高爐煤氣的CO含量相對高一些，熱值較高。另外利用高爐生產硅鐵、錳鐵等產品，由于需要的還原溫度較高，生產過程副產的煤氣也具有較高的熱值。
高爐煤氣的成分不僅跟高爐冶煉過程中的焦比、噴煤等燃料消耗有關，還與高爐的熱風溫度、富氧情況、高爐操作情況等諸多因素有關。由于高爐煤氣中含有大量的N2和CO2，因此高爐煤氣的熱值較低。現階段高爐煤氣一般30%以上的用于自身的熱風爐加熱，很多鋼鐵企業采用汽動鼓風方式，汽動鼓風消耗高爐副產煤氣約占25%。其余高爐煤氣單獨或者與鋼廠其他副產煤氣混合供給到企業各個工序環節的加熱爐、均熱爐、熱處理爐等使用或者用于燒結點火，不同的企業使用情況不一樣，目前鋼鐵企業高爐煤氣保證生產加熱需求后的富余煤氣一般用于燃燒發電。
1.2高爐煤氣主要有害成分
高爐煤氣常見的有害元素有硫、氯、氟、氰等，一般還含有少量的氨和芳香烴等。主要來源于高爐煉鐵過程使用的燃料、鐵礦石、熔劑等爐料，在高爐煉鐵過程中經過復雜的化學反應最后以不同的化學物成分進入到高爐煤氣中。不同的有害元素含量不同，對設備和大氣的影響也不一樣。隨著環保要求的不斷提高，對高爐煤氣中的有害成分關注越來越多。
高爐煤氣中的硫可分為有機硫和無機硫2大類。有機硫主要成分有：羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)、甲硫醇(CH4S)、乙硫醇(C2H6S)、噻吩(C4H4S)等;無機硫主要成分有：硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)等。由于現階段大部分高爐煤氣最后都是通過各種方式的燃燒利用，因此煤氣中的硫最終都是以二氧化硫或三氧化硫的方式排放到大氣中。
高爐煤氣中的氯來源比較廣，主要有高爐使用煤和焦炭中的有機氯以及所含灰分中的無機氯;礦石或礦石攜帶水分中所含的氯鹽(KCl、NaCl、MgCl、CaCl等);爐料所使用的各種添加劑以及燒結礦噴灑的氯化鈣等，目前國內煉鐵燒結礦噴灑氯化鈣已經很少。不同的氯化合物在高爐內高溫、煤氣和氫氣的還原氣氛中反應，最終超過80%以氯化氫HCl的方式進入到高爐煤氣中。氟與氯的性質類似，在煤、焦炭、鐵礦石等爐料中都可以檢測出氟的存在，中國煤炭中氟質量比為17～1100mg/kg，平均質量比為208mg/kg。
煤中的氟含量與灰分含量成正比關系，灰分越高，氟含量越高，煤中的氟主要以氟磷灰石(3Ca3(PO4)-CaF2)類無機礦物的形式存在。礦石也是高爐煤氣中氟的主要來源，例如，中國包頭白云鄂博鐵礦中氟含量就處于較高水平。在高爐冶煉過程中爐料中的氟幾乎全部揮發出來，極少量的氟以氟化氫(HF)和四氟化硅(SiF4)的形式隨爐內上升氣流進入到高爐煤氣中，大部分以氟化鈉(NaF)、氟化鈣(CaF2)粉塵的形式在高爐內循環，最終以爐渣形式排出爐外。
高爐煤氣中的氰來源主要有2個方面，一是高爐中煤和焦炭中有機氰的揮發，由于成煤的植物堿、葉綠素和其他各種組織都含有氮，最終以比較穩定的有機氮的狀態賦存在煤中，在高爐冶煉過程中以氰化物的形式揮發進入到高爐煤氣中;第二就是在高爐內反應生產的無機氰化物。高爐內鉀、鈉等堿金屬化合物被還原后形成蒸氣，堿金屬蒸氣在高爐內與固定碳和氮氣發生反應生成氰化鉀(KCN)和氰化鈉(NaCN)。堿金屬氰化物以粉塵的形式跟隨高爐煤氣進入除塵系統，經過濕法除塵或煤氣中的水蒸氣冷凝還可以進一步形成氫氰酸(HCN)、鐵氰化物(k3[Fe(CN)6、Na3[Fe(CN)6])和 重金屬離子絡合物，其中，氫氰酸可以跟隨煤氣進入高爐煤氣使用的各個環節。
2、高爐煤氣有害成分凈化技術現狀
2.1高爐煤氣精脫硫
近年來，隨著環保要求的日益嚴格，2019年生態環保部等五部委聯合發布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(以下簡稱《意見》)，《意見》中對鋼鐵生產各個環節的二氧化硫排放質量濃度做了更加嚴苛的要求，最低排放值達到30mg/m3，現有末端治理的脫硫方式很難達到《意見》要求或者需要很高的運行成本。同時，為了減少煤氣中有害成分對管道的腐蝕，對鋼廠硫化物的治理重心逐漸從末端轉移到源頭上來，高爐煤氣硫的賦存形式與源頭治理手段也逐漸引起重視。針對高爐煤氣的源頭脫硫處理工藝技術可以借鑒使用的有很多，也各有優缺點。
目前，國內已有華菱衡鋼和山西晉南鋼鐵2家企業投資建設了高爐煤氣前端的精脫硫項目，其中針對有機硫轉化2家采取的工藝都是水解方式,水解后的無機硫的脫除分別采取的吸附和堿液中和的方式。從運行效果來看，吸附法總硫可以脫除至1× 10-6以下，堿液中和的方式目前精脫硫后的熱用戶排放質量濃度在30mg/m3以下，符合《意見》中超低排放的標準。總得來看高爐煤氣前段精脫硫技術還處于起步階段，不同技術的適應性還需要在實踐中進一步驗證和改進。由于高爐煤氣氣量大，硫成分復雜、含量較低，這對煤氣精脫硫的技術適應性和運行成本提出了很高的要求。隨著環保要求的日趨嚴格，高爐煤氣精脫硫將是今后研究的一個重要方向。
2.2高爐煤氣除酸
近幾年，由于高爐煤氣干法除塵工藝的技術普及，主要以酸性氣體的形式存在的氯、氰、氟在煤氣除塵后幾乎全部保留在煤氣中。在煤氣輸送與使用過程中，酸性氣體與冷凝的水蒸氣形成酸液對管道造成腐蝕。為了防止酸性氣體對煤氣管道和下游用戶設備的腐蝕，一般在布袋除塵灰后增加除酸裝置。目前，針對高爐煤氣除酸的技術主要有2種，濕法除酸和干法除酸，2種工藝各有優勢也各有不足。
由于高爐煤氣中的酸性氣體主要以氯化氫為主，包含硫化物，氟化氫和氫化氰含量較低，如氟化氫，即使在高氟含量的鐵礦石中，高爐煤氣中的體積分數也只有(6～14)×10-6，因此利用鹵族元素酸性氣體在水中良好的溶解性能，通過添加一定堿液可以達到很好的除酸效果。濕法除酸廢液需要進一步處理，尤其是其中所含的氰化物和酸根離子，需要處理到環保要求范圍達標排放。由于濕法除酸需要消耗大量的水分，同時也將煤氣降溫損失了煤氣的熱量。
干法除酸是為了克服濕法除酸的缺點發展起來的，目前針對煤氣中的氯、硫、氨等都開發了復合或對應的除酸劑，尤其是對氯化氫的脫除劑開發的較多。由于脫除劑中主要成分是堿，因此在脫除氯化氫的同時對其他酸性氣體也有脫除作用，但是針對性研究不多。另外，在干法除酸劑使用一段時間后也面臨更換或者再生問題，其使用成本上還要進一步降低，再生過程中產生的廢酸液也需要嚴格的無害化處理。
高爐煤氣的精脫硫與除酸都是煤氣凈化的重要手段，是保障管道、設備的使用壽命，減少煤氣燃燒過程中的大氣污染物排放的有效措施，未來要考慮煤氣中的硫、酸等有害氣體成分的協同治理，以最小的代價實現煤氣凈化的目的。
3、高爐煤氣提質利用技術現狀
3.1高爐煤氣CO2分離與利用
高爐煤氣是長流程鋼鐵冶煉過程中CO2排放的最大源頭。由于原料結構、配套設備和產品的不同，不同企業的噸鋼CO2排放量也不一樣，當前國內鋼鐵生產的噸鋼CO2排放一般在2t左右。將高爐煤氣中的CO2進行分離可以提高高爐煤氣的熱值，增加其品質、利用效率，拓展應用途徑。針對高爐煤氣中CO2的分離技術有很多，包括低溫蒸餾法、吸附法、膜分離法和電化學法等。目前，世界上主要鋼鐵企業研究較多的是變壓吸附法和電化學法，關注的重點是設備的投資與分離的運行成本。對于分離出的CO2，目前的應用方向有2大途徑：一是捕獲與封存(CCS,Carbon CaptureandStorage);另外一個方向是捕獲與利用(CCU,CarbonCaptureand Utilization)。
CCS技術只是將CO2進行封存，減少了排放到大氣中的量，是目前大規模CO2減排的主要研究方向。CCU技術是最近幾年研究的熱點，也取得了一定的進展。CCU的方向又可以分為2大類，一類是利用co2的惰性氣體的性質將其用于鋼廠內部生產環節的吹掃或者保護氣;另一類用于食品工業、煉鋼或者化工生產原料，尤其是化工方向上將CO2通過還原、電化學或生物轉化的方式制成CO氣體使用或者直接合成醇和碳氫化合物，這一方向是減少碳排放的有效手段，技術上也取得了很大的進展。
由于CO2是碳的完全氧化產物，在熱力學上非常穩定，將其轉化為醇類或碳氫化合物首先要考慮的是采取何種還原劑還原，其次是合成產物中的氫的來源。氫原子可以來自水，也可以來自氫還原劑本身。對于鋼鐵聯合企業，可以考慮利用焦爐煤氣中豐富的氫作為還原劑和產物的化學成分與高爐煤氣分離出的CO2合成，未來可以與零碳排放制氫相結合。CO2的資源化利用意義深遠，既可以提供醇類能源、化工產品，又能有效緩解溫室氣體效應。當前面臨的主要技術問題是廉價高效的催化劑與轉化過程的能源利用問題。
3.2高爐煤氣CO分離與利用
高爐煤氣相對廉價，所含CO的總量大，CO是重要的碳一化工原料，可以合成眾多化工產品。但CO作為化工原料對氣體的純度要求較高，以往工業尾氣中由于CO含量較低，分離提純技術難度大，成本高，并未得到廣泛應用。從高爐煤氣中分離提純CO作為化工原料，主要面臨的問題是與煤氣中的N2分離，高爐煤氣中N2體積分數超過55%，由于CO與N2的分子量相同都是28，2種氣體的沸點、分子直徑和四極距都非常接近，因此采取常用的氣體分離手段如變壓吸附法、膜分離法、深冷法、傳統分子篩分離法都難以從高爐煤氣中將兩者很好地分離。
高爐煤氣利用CO作為化工原料的實質是從CO2、N2為主的混合氣體中分離提 純，因此可以采取2種或幾種氣體分離手段聯合的方式，而高爐煤氣產生時本身帶有一定壓力，可以充分利用爐頂煤氣壓力進行初級分離。目前，分離提純技術已經取得了一定的突破。國內煉鐵生產的大高爐一般在建造時都配套建 設了TRT發電裝置，沒有余壓可用。而用于“短流程”鑄造生產的高爐由于容積較小，一般都沒有建設TRT發電裝置，同時其副產的高爐煤氣CO含量較高，且流程短除自身熱風爐使用外一般沒有下游加熱需求，易于開展鋼化聯產的試點推廣。2018年中國鐵產量達到7.71億t，按噸鐵副產1600m3高爐煤氣計算，副產的高爐煤氣總量超過1.2萬億m3，考慮到高爐生產自身熱風爐的使用，理論上可以外供的高爐煤氣量超過8600億m3，其中所含的CO約2.6億t。目前國內已有鋼鐵企業利用高爐煤氣提取CO制備甲醇，由于中國煤制甲醇產能過剩，不宜盲目繼續擴大產能。高爐煤氣豐富的CO資源未來利用的方向應考慮替代依賴原油或大量消耗煤炭來制備的化工產品，中國能源的儲量現狀是煤炭資源豐富、油氣資源相對不足，尤其是原油，目前嚴重依賴進口。利用煉鐵過程副產的高爐煤氣分離提純CO作為主要的化工生產原料，結合氫等其他化工原料，制備烯烴、乙二醇等目前國內仍大量進口的化工產品，可以減少原油和煤炭的直接消耗，是符合中國能源結構與工業結構現狀的重要方向。
4、結論
(1)高爐煤氣是高爐煉鐵過程中副產的一種重要的二次能源，其熱值相對較低、含有多種有害成分，如硫、氯、氟、氰等有害元素。詳細分析了各種有害成分的來源與生成原理，為高爐煤氣的有害氣體成分的源頭治理提供了借鑒和參考。
(2)隨著高爐干法除塵灰技術的普及和環保標準的提高，針對鋼廠排放大氣污染物的治理重點逐漸從末端治理轉移到前段處理，高爐煤氣的精脫硫與除酸工藝技術引起廣泛重視，煤氣的多種有害成分協同凈化技術是未來發展的主要方向。
(3)從高爐煤氣中分離CO2和CO并用于高附加值化工產品生產的鋼化聯產工藝技術目前已經取得了很大的進步，對減少鋼鐵生產CO2排放，彌補中國油氣資源相對不足的能源結構具有重要意義。
鋼化聯產是中國高爐煤氣高效環保利用的重要方向，高爐煤氣凈化是其提質利用的必要步驟，可以首先從“短流程”鑄造工藝的小高爐上示范、推廣。
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