论焦炉煤气革命

　　鞍山钢铁集团

　　1北美页岩气革命

　　当今的世界普遍重视能源的开发发展，特别关注气体资源能源结构创新与改革，成为发展经济的重要元素。美国突破页岩气开发的关键技术，颠覆式发展页岩气工业，改变美国的能源结构，美国由能源进口国跨越成为能源出口国，奥巴马称之为美国页岩气革命。当今的美国已经向欧亚各国大量出口液化天然气（LNG），这种气体资源长距离运输出口（特殊高压，冷装，运输船）又称气体资源运输的革命，推动了页岩气革命。

　　页岩气革命引发美国钢铁工艺流程的再造，美国钢铁流程中的长流程（BF-FOB）与短流程（DR-EAF）长期共存，其中长流程占80%，短流程约占20%。由于页岩气的突飞猛进的发展， 价格低廉，组分与天然气相同的页岩气代替天然气用于生产DRI，从而改变两种流程的格局，推进DR-EAF短流程的新发展，据报道北美钢铁工业DRI工艺的钢铁厂有10家在运营或正在建设中。2015年，美国直接还原铁的年产量总计为920万吨，DRI超出常规的发展推动了钢铁业的转型升级和钢铁流程的再造。

　　首先，改善钢铁厂内工艺气体的平衡，降低钢铁厂的能耗指标。在长流程钢铁厂中（BF-BOF流程）产生多种工艺气体，如焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等，当两种工艺流程并存构建以后，合理高效利用工艺气体，将成为新型钢铁厂节能的关键点，例如焦炉煤气不用作燃料而用作还原剂，代替焦炭。高炉煤气属于低热值煤气（LHV），只能与高热值煤气联合配合使用，转炉煤气由于CO含量高，适合用于化工合成工艺。总之，钢铁生产过程中的气体和能量必须进行工艺平衡和能量平衡，在必要的情况下（能源短缺）也可外购天然气参与平衡（见世界金属导报2018.9.4,B12版，系统中气体流图1）。为了保证系统中COG可用性最大化，在加热炉中使用高炉煤气与转炉气的混合气体，最大限度使用长流程生产的焦炉煤气生产直接还原铁，可使吨还原铁的能耗达到2GJ/tDRI。

　　其次，考虑到长流程（BF-BOF）与短流程（DR-FAF）共存模式的需要，可以采用其他流程，例如向高炉或转炉中加入热压铁块或冷直接还原铁，大大改善钢铁厂各项技术操作指标，在典型的DR-EAF短流程中，采用天然气为还原气源，为了使运行成本和CO2排放最优化，采用热送技术，将热还原铁送入EAF中，可使EAF的电耗降到385kWh/tLS，这是阿联酋钢铁厂的成功实践之一。

　　另外，特别值得提及的是长流程吨铁CO2排放量为1600公斤而短流程CO2排放量为800公斤，按CO2交易规则计算，大大影响钢铁生产运行成本，仅此而言，在当前价格情况下，短流程（DR-EAF）比长流程（BF-BOF）的运行成本显著降低。

　　2 中国焦炉煤气革命

　　中国的页岩气和可燃冰资源相当可观，但实现大规模工业化生产，还需时日。由于我国天然气产能相对短缺，急需一种合适的气体能源资源来满足我国钢铁工艺流程再造的需要和氢资源开发的需要。必须用战略思维、革命的精神来应对，合理利用焦炉煤气改变能源结构，或称中国焦炉煤气革命。

　　焦炉煤气产生和发展，还是要从中国的钢铁工艺发展历程谈起。我国钢铁工艺流程，由于历史原因和资源的限制，长流程（BF-BOF）约占90%以上。有了高炉，必然有相应规模的焦化厂。焦化厂生产大量高化学能的（含氢60%以上）气体资源，为钢铁工艺短流程（DR-EAF)提供氢资源和高质量的还原剂，为钢铁工艺流程再造提供发展机遇，为钢铁转型升级创造资源条件。

　　统观全球直接还原铁生产几乎全部采用天然气作为气体资源，生产直接还原铁。由于我国天然气相对短缺，发展直接还原工艺受阻，经过研究实验表明，用焦炉煤气代替天然气生产直接还原铁（DRI）无论是经济上，还是技术上都是合理的，其理由如下：

　　（1）中国高炉铁的产能已达9-10亿吨年占全世界铁产量60-70%，而焦炭年产量高达4-5亿吨，焦炉煤气年产量为3000-4000亿立方米。合理、高效地利用焦炉煤气，完全可以补上我国天然气短缺的短板，可谓我国的一次能源革命。

　　（2）焦炉煤气是高化学能气体资源，是宝贵的氢资源，是不可多得的还原剂。充分利用其应用本能，可以释放巨大正能量，改变能源领域的传统格局。长期以来，巨额焦炉煤气的利用被扭曲，将含60%H2的焦炉煤气用作燃料或用作发电。由于H2的热值仅为2586kCal/m3，焦炉煤气被用作燃料是低效益的，而改变这种状况是一项系统工程，必须用创新的思维转型升级，用焦炉煤气生产直接还原铁，构建直接还原铁电炉炼钢短流程工艺（DR-EAF），保持钢铁工业的可持续发展。

　　（3）焦炉煤气合成氨大规模工业生产装置为我国在40年前首创。焦炉煤气生产甲醇、乙二醇装置国内多有生产，为焦炉煤气的利用开辟新路径，为利用焦炉煤气生产DRI工业化生产提供了技术支撑，积累了技术和生产经验，为焦炉煤气革命打下了技术基础。

　　（4）从焦炉煤气和天然气的组分分析中不难看出，焦炉煤气的最大优势在于焦炉煤气中含H2为60%，而天然气中含氢为0%，焦炉煤气中CH4为26%，而天然气中CH4含量为92-95%。由此可见，当原料气转化、重整时，焦炉煤气生成的还原介质（H2+CO）产率高，从而降低DRI能耗。而天然气热裂解时，由于CH4含量过高，故耗热高（高于焦炉煤气4倍）耗氧量高近4倍。由此增加天然气转化成本，造成天然气市场价格居高不下。根据报道，东南亚的直接还原厂，由于天然气价格过高，纷纷停产。这也是开发焦炉煤气生产DRI理由之一。

　　用焦炉煤气生产DRI技术可行吗？经过在墨西哥HYL-SA公司的半工业性试验，结论是可行的。但由于焦炉煤气中含有环烃化合物（苯、萘、酚、硫化物、噻吩等即BTX）在进入转化重整炉前必须按要求清除，否则，采用HYL零重整技术（或自重整），在加热器中会产生碳沉积，堵塞设备，影响生产。由于这个问题的出现，可以认为：用焦炉煤气为原料气，采用HYL零重整工艺，流程是打不通的。以上关键问题采用WTY专利技术，可以针对性的，完善的得到解决。

　　3 WTY发明专利技术的诠释

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