一种高炉煤气CO2高效捕集及煤气高热值利用的方法

本发明属于吸附，尤其涉及一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法。

背景技术：

1、co2是主要的温室气体，大气中co2的浓度从1750年的278ppm升至2020年的412ppm，增长了近50％，预计21世纪末大气中co2的浓度最高将近700ppm，温室效应成为当今人类社会面临的重大全球性挑战，co2的减排刻不容缓。工业排放是co2的主要排放来源，我国钢铁行业在2020年co2的排放量高达15.98亿吨，占工业总排放量的30.9％，钢铁生产流程中的高炉工序是最大的碳排放来源，约占co2排放总量的70％，高炉煤气的co2减排是实现整个钢铁行业co2减排的关键。

2、高炉煤气主要由n2(40～60％)、co2(15～30％)、co(20～30％)、h2(1～3％)和ch4(0.2～0.5％)等可燃气体和o2(0.2～0.4％)、h2o(6～8％)、h2s/cos(100～200ppm)等杂质气体，对高炉煤气进行co2的捕集一方面可减少co2的排放，另一方面可提高高炉煤气的燃烧热值，具有良好的应用前景。

3、针对高炉工序co2的减排，吸附捕集法是一种具有良好前景的碳减排技术，根据工艺的需求，该技术利用吸附剂对不同气体的吸附性能差异进行选择性吸附。现阶段吸附法的应用主要包括变温吸附法(temperature swing adsorption，tsa)和变压吸附法(pressure swing adsorption，psa)，变温吸附法适用于低浓度气体的捕集，变压吸附法则适用于高浓度气体的快速高效捕集。变温吸附是利用吸附剂在低温下进行吸附，吸附完成后在高温下进行解吸。变压吸附则是通过周期性的压力变化实现吸附和解吸过程的交替进行，从而实现气体的分离或提纯。虽然变温吸附和变压吸附具有较多优点，但仍存在一些局限性，限制了该技术的规模化应用。变温吸附在升温热解吸过程中需要消耗大量能量，导致能耗居高不下；变压吸附则受原料气的浓度影响较大，相同的捕集规模下，低浓度的原料气需要更大的吸附捕集装置、压缩和解吸功率，增加了占地及能耗。另外，对于钢铁高炉工序来说，高炉煤气中co2的浓度偏低，煤气的热值受煤气中不可燃气体的影响较大，提高高炉煤气中co2的浓度和热值具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法。该方法是将高炉煤气中的co2进行变压吸附捕集，通过减少高炉煤气中非可燃气体的组分占比提高高炉煤气的热值，并利用高炉煤气燃烧放热对工艺中变温吸附工序解吸阶段进行升温解吸，实现高炉工序co2捕集装置的集成化和co2的低成本捕集。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法，所述方法包括高炉煤气的预处理单元、co2吸附捕集单元和煤气高热值利用单元。

4、变压吸附法提高燃烧热值并对co2进行捕集，得到的燃烧热作为变温吸附工艺中升温解吸的热源，以此实现高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用。对于变温吸附(tsa)，吸附温度越低，解吸温度越高，脱除性能越好；对于变压吸附(psa)，吸附压力越高、吸附温度越低、吸附时间/均压时间/真空解吸时间越长、真空解吸压力越低，co2捕集性能越高。tsa只是属于预处理环节，对于最终co2产品气纯度和生产效率影响最大的环节是psa阶段。

5、所述高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法中具体包括以下步骤：

6、步骤1、将高炉煤气在预处理单元进行预处理，具体为：高炉煤气经过除尘和高炉煤气余压透平发电(trt)后进行降温。

7、降温后然后进入tsa脱硫和tsa除水装置进行脱硫、除水；经过预处理的高炉煤气经压缩机压缩后进入一段变压吸附工序(psa-1)进行co2捕集，在吸附过程中排放的未吸附气体为吸附尾气(即浓缩煤气)，吸附完成后经真空泵抽真空解吸得到产品气1，浓缩煤气储存于煤气储罐中，产品气1储存于缓冲罐中；

8、步骤2、所述浓缩煤气进入热水锅炉与o2混合后燃烧为锅炉循环水加热，该部分燃烧尾气经过tsa除水后进入产品气1的缓冲罐与产品气1混合作为二级变压吸附工序的原料气(记为原料气2)，加热后的循环水用于高炉煤气预处理阶段和浓缩煤气燃烧尾气除水阶段中吸附剂解吸过程的热交换加热升温，进行热交换后的循环冷水再次进入热水锅炉进行加热循环；

9、步骤3、产品气1的缓冲罐中出来的气体与燃烧尾气2混合后作为原料气2，经压缩机压缩后进入二段变压吸附工序(psa-2)进行co2捕集，在吸附过程中未吸附气体进入尾气储罐储存，吸附完成后经真空泵抽真空解吸得到产品气2，储存于产品气2储罐中；吸附过程中产生的psa-2尾气可用于预处理单元的降温工序，以及高炉煤气进行热交换后对高炉煤气预处理阶段和浓缩煤气燃烧尾气除水阶段中的吸附剂解吸过程的吹扫；产品气2对这三处完成吸附剂热解吸的吸附剂进行辅助换热降温，最后得到最终的co2产品气。

10、进一步地，步骤1中，所述降温工序采用水冷和二段吸附尾气联合降温的方式进行，冷却介质与高炉煤气为列管换热。tsa的除水和脱硫工序分别至少包括两个吸附塔以保证原料气的连续处理，每个吸附塔内装填吸附剂。所述脱水、脱硫工艺的吸附终点为吸附尾气中h2o含量≤1000ppm，硫含量≤20ppm；当相应气体浓度超过该值，吸附工序结束，切换进行吸附剂解吸。例如可以是h2o含量为500ppm、550ppm、600ppm和650ppm等，硫含量为10ppm、12ppm、14ppm和16ppm等，以上不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、tsa包括吸附、解吸和降温三个阶段，变温吸附的降温阶段采用吸附产品气2换热和自然冷却相结合的方式进行。所述吸附温度为10-40℃，例如可以是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述解吸温度为50-80℃，例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃或70℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述降温的终点温度为30-50℃，例如可以是30℃、35℃、40℃或45℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

12、所述一段变压吸附工序(psa-1)至少包含四个吸附塔以保证高炉煤气中co2的连续捕集，每个吸附塔内装填吸附剂；所述一段变压吸附工序(psa-1)包括增压吸附、塔间均压和真空解吸三个阶段。其中，所述增压吸附的参数为：压力150-500kpa(绝对压力，下同)，例如可以是150kpa、200kpa、300kpa、400kpa或500kpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；时间1-10min，例如可以是1min、3min、5min、7min、9min或10min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述塔间均压时间为10-30s，例如可以是10s、15s、20s、25s或30s等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述真空解吸的参数为：压力10-50kpa，例如可以是10kpa、20kpa、30kpa、40kpa或50kpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；时间1-10min，例如可以是1min、2min、4min、6min、8min或10min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

13、进一步地，步骤2中，浓缩煤气进入热水锅炉燃烧加热循环水(加热终点温度为70-90℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用)，采用tsa除水装置对燃烧过程(h2和ch4燃烧)生成的水进行去除，所述tsa过程中至少包括两个吸附塔以保证燃烧尾气的连续处理，每个吸附塔内装填吸附剂；所述tsa包括吸附、解吸和降温三个阶段，变温吸附的降温阶段采用产品气2换热和自然冷却相结合的方式进行。其中：所述吸附阶段的参数为：温度10-40℃，例如可以是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。吸附终点为h2o含量≤1000ppm，例如可以是500ppm、550ppm、600ppm和650ppm等，以上不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，当相应气体浓度超过该值，吸附工序结束，切换进行吸附剂再生。所述解析阶段的参数为：温度50-80℃，例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃或70℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述降温的终点温度为30-50℃，例如可以是30℃、35℃、40℃或45℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

14、进一步地，步骤3中，所述二段变压吸附工序(psa-2)至少包含四个吸附塔以保证装置的连续运行，每个吸附塔内装填吸附剂；所述二段变压吸附工序(psa-2)包括增压吸附、塔间均压和真空解吸三个阶段。所述增压吸附的参数为：压力200-600kpa，例如可以是200kpa、300kpa、400kpa、500kpa或600kpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；时间1-10min，例如可以是1min、3min、5min、7min、9min或10min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；所述塔间均压时间为10-30s，例如可以是10s、15s、20s、25s或30s等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；所述真空解吸的参数为：压力10-50kpa，例如可以是10kpa、20kpa、30kpa、40kpa或50kpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；时间1-10min，例如可以是1min、2min、4min、6min、8min或10min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

15、所述产品气2中co2的纯度≥90％。

16、本发明工艺中所有吸附剂均包括活性炭、分子筛、硅胶或氧化铝中的任意一种或至少两种的组合，除水工序优选为硅胶，脱硫工序优选为活性炭，co2吸附捕集工序优选为分子筛。

17、本发明通过变压吸附提供高炉煤气可燃气体的占比，提高燃烧热值，并用于变温吸附的升温解吸，避免了其他能源的消耗；浓缩煤气经燃烧提升了co2的浓度，有利于提升捕集规模及装置使用率。

18、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

19、(1)通过psa-1段对高炉煤气进行初步浓缩，得到可燃烧组分(co、h2和ch4)较高的浓缩高炉煤气，一方面提升煤气的热值，另一方面获得较高浓度的co2原料气体；

20、(2)浓缩高炉煤气燃烧为循环水进行加热，加热后的循环水用于变温吸附脱硫和除水阶段吸附剂的再生，减少其他能源的消耗，未完全消耗的高热值煤气还可进行他用；

21、(3)燃烧后的尾气具有较高co2浓度，与psa-1段产品气混合后进入psa-2段，最终可获得纯度大于90％的co2产品气，且该段的吸附尾气中n2纯度大于90％，可用于变温吸附阶段吸附剂的吹扫，提升吸附剂再生程度，而产品气2则可辅助tsa工序解吸后吸附塔的降温。