趙貴清，謝紹瑋，徐世彪，王世剛，王昌文，彭寧寧，妥建德
( 酒鋼( 集團) 有限責任公司，甘肅嘉峪關735100)
摘要: 焦爐煤氣是一種寶貴的資源，高爐噴吹焦爐煤氣技術是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”、尋找新的利潤增長點的新技術、新途徑。重點闡述了高爐噴吹焦爐煤氣技術的工藝機理和技術特點，并且較為詳盡的介紹了國內外關于該技術的發(fā)展現(xiàn)狀及應用效果。新技術的出現(xiàn)也為酒鋼高爐進行低碳煉鐵提供了思考，根據(jù)高爐噴吹焦爐煤氣技術具有的工藝特點、借鑒國內外鋼廠擁有的實踐經(jīng)驗，結合酒鋼實際現(xiàn)狀，就這一新技術在酒鋼的應用進行了可行性分析。
關鍵詞: 高爐; 噴吹焦爐煤氣; CO2減排; 應用
1 引言
焦炭在高爐中有一項無可替代的作用，就是維持高爐料柱透氣性的骨架作用。而焦炭在高爐內的發(fā)熱劑和還原劑的作用則可通過提高噴煤量、提高熱風溫度來代替，它們對于降焦的作用是顯而易見的。噴吹煤粉也是高爐實現(xiàn)降本增效的重要技術措施。
近年來開發(fā)新的綠色能源如天然氣、焦爐煤氣等富含還原劑( 碳、氫) 的物質，來進行高爐噴吹，既能通過替代部分冶金焦炭緩解煤炭資源緊張局面，又能實現(xiàn)節(jié)能減排，同時也為煤氣尋求一種更為高效的利用途徑［1-2］。焦爐煤氣屬于氫系還原劑，與碳系還原劑相比，在還原鐵礦石時產(chǎn)生的是H2O 而非CO2，所以更有利于減少CO2排放。因此，高爐噴吹焦爐煤氣技術的實施，不僅可通過節(jié)焦作用產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，也會起到CO2減排作用，能夠給企業(yè)帶來經(jīng)濟和環(huán)保的雙重效益。
2 高爐噴吹焦爐煤氣工藝特點
2．1 焦爐煤氣的性質
焦爐煤氣( Coke Oven Gas，簡寫COG) 是在煉焦過程中，在隔絕空氣條件下，精煤經(jīng)高溫干餾產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物［3］。經(jīng)過生產(chǎn)回收和凈化處理后成為煉焦最主要的副產(chǎn)品。生產(chǎn)1 t 焦炭大約產(chǎn)生425 m3煤氣量，除去回爐助燃外，會產(chǎn)生約200 m3的焦爐煤氣供用戶使用。凈化后焦爐煤氣的主要成分如表1 所示。凈焦爐煤氣的主要成分是H2和CH4，發(fā)熱值為16 500～18 500 kJ /m3。因此，焦爐煤氣是一種氣體燃料，更是一種高氫含量的良好還原劑。
2．2 高爐噴吹焦爐煤氣工藝
將焦爐煤氣加壓至高于風口壓力，然后經(jīng)管路系統(tǒng)輸送到達高爐各風口，在壓力的作用下，經(jīng)噴槍噴入高爐內，實現(xiàn)焦爐煤氣的高爐噴吹［4］。
在高爐風口回旋區(qū)前端，焦炭與氣體中氧反應主要生成二氧化碳，并放出大量的熱。在回旋區(qū)后端及邊界層，氧基本消耗殆盡，焦炭與二氧化碳發(fā)生碳的溶損反應并吸收部分熱量。同時還有碳的不完全燃燒反應、水煤氣反應、碳與氫氣的反應等等，其中以碳的完全燃燒和溶損反應為主［5］?；匦齾^(qū)的主要反應詳見表2。
因此，風口回旋區(qū)以及爐缸內煤氣的最終成分是以CO、H2和N2為主［6］。焦爐煤氣除本身已含有大量的H2外，其中的CH4還將在風口回旋區(qū)完成裂解反應。噴入高爐的焦爐煤氣在離開風口回旋區(qū)后，最終成分中H2含量將達到75%左右。噴入高爐的焦爐煤氣在風口回旋區(qū)發(fā)生燃燒和分解反應，既提供了還原劑也供給了大量熱量，實現(xiàn)替代部分焦炭的作用。
2．3 工藝特點
相比未噴吹焦爐煤氣的高爐，噴吹焦爐煤氣有以下幾大優(yōu)點［3］:
⑴為高爐提供高氫含量的良好還原劑。焦爐煤氣的主要成分是氫氣。與C 和CO 比較，氫氣是優(yōu)質還原劑，具有消耗熱量少、還原速度快等優(yōu)點，噴入高爐替代焦炭中的碳，有利于實現(xiàn)節(jié)焦。
⑵實現(xiàn)CO2減排。焦爐煤氣中氫氣在高爐內的還原產(chǎn)物是H2O，與噴入煤粉相比，由于入爐碳含量減少，最終實現(xiàn)CO2排放量的明顯降低。
⑶改善能量利用率，提高焦爐煤氣價值。焦爐煤氣在爐內完成還原反應后，剩余的能量是爐頂煤氣中的平衡H2和CO，可作為熱風爐加熱的加熱燃料等。與用于發(fā)電相比，焦爐煤氣的能量利用率提高約80%。因此，總的能量利用率得到較大幅度的提高。
⑷工藝成熟操作簡便。焦爐煤氣噴吹包括加壓、輸送以及噴吹。與噴吹煤粉相比，由于主要是針對氣體的處理過程，設備投資低，操作簡便。而且由于焦爐煤氣不含灰分，致使爐渣量降低小，對降低壓力損失和高爐強化有益處。
3 高爐噴吹焦爐煤氣技術在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀
3．1 國外發(fā)展狀況
針對焦爐煤氣噴吹技術，國外研究已經(jīng)取得預期效果，個別高爐也成功得到實踐［7－10］。其中比較典型的詳見表3。
3．2 國內發(fā)展狀況
國內研究始于上世紀60 年代，在技術實踐上也取得寶貴經(jīng)驗。近年來受燃料價格上漲、新建焦爐后焦爐煤氣產(chǎn)量增加等因素的影響，多家國內鋼鐵企業(yè)又開始重點關注高爐噴吹焦爐煤氣研究［11－14］，詳細情況見表4。
4 噴吹焦爐煤氣技術在酒鋼高爐應用的前景
對于焦爐煤氣的高爐噴吹技術，由于國內外鋼企曾擁有的寶貴實踐經(jīng)驗及其具有的技術特點，為酒鋼高爐的低碳煉鐵進而實現(xiàn)CO2 減排提供了可能。我們一方面應抓緊研究技術細節(jié)、跟蹤相關企業(yè)的應用實踐，為快速實現(xiàn)新技術的引進和落地，取得低碳、節(jié)能、減排的效果做出積極的努力; 另一方面可通過采取提高轉爐煤氣、高爐煤氣的回收率和利用率，并改進各用戶的燃燒技術以提高燃燒效率等技術措施，進一步節(jié)約焦爐煤氣供高爐噴吹，以期獲取更高的效益。
榆鋼閑置的發(fā)生爐煤氣站也是實現(xiàn)低碳煉鐵的潛力所在。發(fā)生爐煤氣主要成分是CO ( 28% ～32%) 和H2 ( 13% ～ 15%) ，還有少量的CH4 ( 2% ～3%) ，其余成分為N2 和少量CO2，發(fā)熱值6 500 kJ /m3。就高爐噴吹來說，發(fā)生爐煤氣有效成分為CO+H2+CH4，體積百分含量為43%～ 50%。與焦爐煤氣相比，有效成分是焦爐煤氣的二分之一。
與高爐煤氣相比，CO 和H2含量較高，有效成分是高爐煤氣的二倍。當然這是一項系統(tǒng)工程，需要通盤考慮。如果實現(xiàn)焦爐煤氣或發(fā)生爐煤氣噴吹高爐，再配以富裕煤氣發(fā)電技術，將取得更為客觀的綜合經(jīng)濟效果。
5 結語
焦爐煤氣是一種寶貴的資源，可成為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)新的利潤增長引擎。我們在利用焦爐煤氣時不應僅僅停留在它的熱值上，還應關注煤氣的綜合資源化利用上。針對酒鋼實際情況，應密切跟蹤國內外高爐低碳煉鐵的技術發(fā)展狀況，同時抓緊研究高爐噴吹焦爐煤氣等還原性氣體的工藝路線和關鍵技術，這對實現(xiàn)酒鋼煉鐵可持續(xù)發(fā)展，促進節(jié)能減排具有重要意義。
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