我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，近年來生鐵產(chǎn)量呈逐年上升趨勢。目前, 鋼鐵工業(yè)總能耗已占全國工業(yè)總能耗的15%左右, 而鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中的能源有效率僅為30%左右。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，高爐煉鐵又是能耗最高的環(huán)節(jié)。鋼鐵工業(yè)的節(jié)能主要包括減少浪費(fèi)和增加回收兩個(gè)方面，其中大力回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二次能源（例如副產(chǎn)煤氣等）是一個(gè)非常重要的途徑。鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)煤氣資源包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。其中高爐煤氣排放量約占64%, 焦?fàn)t氣約占29 % , 轉(zhuǎn)爐氣約占7 %, 因此高爐煤氣的有效利用是鋼廠節(jié)能降耗的重中之重。
高爐煤氣是高爐煉鐵過程中的副產(chǎn)煤氣，是一種無色、無味、有毒的低熱值氣體燃料。主要成分為CO、CO2、N2 、H2O、及少量H2，各成分的含量與高爐所用燃料、生鐵品種和冶煉工藝密切相關(guān)，其常見的組成如表1所示。
其中最具有二次利用價(jià)值的CO含量僅為25-30%，而惰性組分CO2和N2約占70%，使得高爐煤氣的熱值很低，一般僅為730-800×4.18 KJ/Nm3左右，而燃料熱值只有達(dá)到2200×4.18KJ／Nm3左右，才能滿足工業(yè)爐理論燃燒溫度的要求。
目前，高爐煤氣的利用并不充分，大部分冶金工廠高熱值煤氣緊缺，而高爐煤氣富余，存在不同程度的高爐煤氣放散現(xiàn)象，達(dá)不到煤氣111的有效利用。很多鋼鐵聯(lián)合企業(yè)一方面在放散高爐煤氣，一方面又要購入重油、天然氣或者燒自產(chǎn)焦油等作為能源補(bǔ)充。高爐自身熱風(fēng)爐會(huì)用掉40 %～50% 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中，將會(huì)造成環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)。國家計(jì)委、經(jīng)貿(mào)委、科委頒發(fā)的《中國節(jié)能技術(shù)大綱》中要求, 冶金重點(diǎn)企業(yè)高爐煤氣排放損失率應(yīng)為4 %以下。
因高爐煤氣中含CO量在30%以下，造成燃燒速度低、火焰長，因此高爐煤氣的理論燃燒溫度為1400~1500℃。高爐煤氣中有大量N2和CO2，其主要可燃的成份為CO、H2和CH4（含量很少），故其發(fā)熱值較低。一般冶煉制鋼鐵時(shí)，發(fā)熱值為2850kJ/m3~3220kJ/m3；冶煉鑄造鐵時(shí)，發(fā)熱值為3550kJ/m3~4200kJ/m3。
在鋼鐵工業(yè)用能結(jié)構(gòu)中，煤炭約占70%左右，在煤炭的熱能轉(zhuǎn)換中有65.88%是以焦炭和煤粉形式參與冶煉生產(chǎn)的，另有34.12%的熱能是以可燃?xì)怏w（包括高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣）形式出現(xiàn)。可燃?xì)怏w的熱能數(shù)值大，合理、科學(xué)、充分地利用對鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作具有積極的作用。與轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣相比，高爐煤氣熱值低，應(yīng)用范圍小，許多鋼鐵廠還沒有充分利用，甚至大量放散，既浪費(fèi)了能源，又污染了環(huán)境。為了充分利用富余的高爐煤氣，一般情況是在燃煤動(dòng)力鍋爐中摻燒一部分或供小型混合煤氣鍋爐混燒，回收量都不是很大。對其進(jìn)行綜合利用，將成為一個(gè)重要發(fā)展趨勢。下面介紹幾種常見且實(shí)用的高爐煤氣利用技術(shù)。
1、高爐熱風(fēng)爐
高爐熱風(fēng)爐是目前單一使用高爐煤氣應(yīng)用最廣泛的工業(yè)爐，高爐熱風(fēng)爐憑借爐內(nèi)耐火磚砌體熱容量大所形成的高溫環(huán)境，使單一高爐煤氣能夠穩(wěn)定燃燒。如要獲得更高的熱風(fēng)溫度，需將高爐煤氣和助燃空氣預(yù)熱后送入熱風(fēng)爐燃燒。
2、蓄熱式軋鋼加熱爐
蓄熱式軋鋼加熱爐高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC)是將高爐煤氣與助燃空氣雙預(yù)熱到1000℃以上，使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達(dá)到2200℃以上。高爐煤氣與助燃空氣的預(yù)熱是通過蓄熱室得到的，與傳統(tǒng)蓄熱燃燒的區(qū)別在于蓄熱材料耐高溫、耐急冷急熱，以獲得高溫；蓄熱體比表面積大，換向周期短至不到1分鐘，使蓄熱體小型化；排煙溫度低于150℃。蓄熱室軋鋼加熱爐效率比常規(guī)加熱爐提高30%以上，爐內(nèi)呈貧氧燃燒氣氛，鋼坯氧化燒損少，有利于提高成材率，燃燒產(chǎn)物中NOx含量低，自動(dòng)化程度高。
3、復(fù)熱式煉焦?fàn)t
復(fù)熱式煉焦?fàn)t直接使用高爐煤氣為燃料，將高爐煤氣和助燃空氣通過蓄熱室的格子磚預(yù)熱到1000℃左右，然后進(jìn)入燃燒室立火道燃燒，可使炭化室爐墻加熱到1100℃以上。
4、與高熱值氣體摻混為混合燃?xì)?/span>
高爐煤氣可與焦?fàn)t煤氣、天然氣、液化石油氣等混合為混合煤氣，作為均熱爐、加熱爐、熱處理爐等的燃料，并可由于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火，也可用于加熱熱軋的鋼錠、預(yù)熱鋼水包等。高爐煤氣與高熱值氣體摻燒是目前鋼廠高爐煤氣利用技術(shù)中除熱風(fēng)爐以外另一種重要的利用方法。
5、高爐爐頂煤氣差壓發(fā)電技術(shù)
高爐爐頂煤氣壓力在大于0.08MPa時(shí)，采用壓差發(fā)電技術(shù)(TRT)是可行的。由于壓力在0.08MPa時(shí)，所發(fā)出的電量與設(shè)備自身消耗電量相等，故要求煤氣壓力要大于0.08MPa時(shí)才有收益。煤氣壓力越高，效益越大。因此建議爐頂煤氣壓力大于0.15MPa的高爐應(yīng)當(dāng)積極采用煤氣壓差發(fā)電技術(shù)。采用TRT裝置，噸鐵發(fā)電量在20~40kWh。如采取干法煤氣除塵技術(shù)，可使發(fā)電量增加30%左右。總體上講，TRT裝置可回收高爐鼓風(fēng)機(jī)所需能量的30%，經(jīng)濟(jì)效益可觀，是煉鐵工序重大節(jié)能項(xiàng)目。
6、高爐煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)
采用高爐煤氣燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(CCPP)，是目前國際上公認(rèn)的最有價(jià)值的二次能源利用技術(shù)。CCPP技術(shù)氣電轉(zhuǎn)化率高，約在40%~50%（不對外供熱時(shí)），比常規(guī)鍋爐蒸汽發(fā)電多70%～90%，節(jié)水約1/3；但對煤氣質(zhì)量要求高（如熱值、壓力、煤氣量要穩(wěn)定、含塵量小等）。
CCPP一般由高爐煤氣供給系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成。其工藝流程為：高爐煤氣經(jīng)除塵加壓后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器燃燒，而后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)渦輪機(jī)做功從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做完功后的煙氣(溫度約540℃，壓力約5kPa~6kPa)進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)中壓或次高壓蒸汽(通常參數(shù)為3.82MPa~5.9MPa，450~550℃)，并使蒸汽在汽輪機(jī)中繼續(xù)作功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱和制冷。CCPP排煙中的CO2排放比常規(guī)火力電廠減少45%～50%，沒有飛灰和灰渣排放，SO2、NOx排放都很低。
總之，高爐煤氣燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)在高效、節(jié)能、環(huán)保方面均具有較大的優(yōu)勢，而且從發(fā)展眼光看，其具有廣闊的發(fā)展前景。近年已開始被國內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)推廣使用。
7、高爐煤氣CO提純技術(shù)
高爐煤氣CO提純技術(shù)是采用變壓吸附的方式將高爐煤氣中的主要可燃?xì)怏wCO進(jìn)行提純，根據(jù)需要得到40%~99%的CO產(chǎn)品氣，該產(chǎn)品氣可作為高熱值燃燒氣體，還原性氣體，或者也可用于化工生產(chǎn)等。非常適用于高爐氣存在放散情況的鋼鐵企業(yè)，也適合天然氣、液化氣等資源緊張地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，可以幫助企業(yè)回收高爐煤氣中的有效成分，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳煉鐵。
除了將高爐煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣或其他高熱值燃?xì)獍床煌壤M(jìn)行混合使用，提高其熱值，以滿足鋼鐵工業(yè)各種爐窯溫度、潔凈度、燃燒速度、燃燒形態(tài)等方面的要求外。蓄熱式燃燒技術(shù)的推廣，提高了高爐煤氣的使用范圍，可替代出部分焦?fàn)t煤氣，使高爐煤氣得到了更高效利用。高爐煤氣用于發(fā)電是近年增長最快利用途徑，鋼鐵企業(yè)應(yīng)充分回收和高效利用高爐煤氣，從而實(shí)現(xiàn)高爐煤氣的零排放，向企業(yè)少購電或不外購電方向發(fā)展。高爐氣中的CO也可以提取出來，用作碳一化工的原料，合成許多重要的化工產(chǎn)品，也是是潛力很大的一個(gè)高爐煤氣綜合利用方向。
鋼鐵冶金過程中煙氣在線監(jiān)測的必要性
有利于資源再利用，降低企業(yè)成本
一般來說，每生產(chǎn)1t粗鋼約需2.1×107kJ的能量，約能產(chǎn)生4.2×106kJ的高爐煤氣、4.2×106kJ的焦?fàn)t煤氣及1.0×104kJ的轉(zhuǎn)爐煤氣，副產(chǎn)煤氣約占鋼鐵企業(yè)能源總收入的30%-40%。因此，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)煤氣的回收再利用可以降低鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)的成本，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。而煤氣是否有回收的價(jià)值，取決于煤氣中CO等能源氣體的濃度，CO和O2在線監(jiān)測系統(tǒng)是測量氣體濃度的關(guān)鍵。
保證生產(chǎn)行為的安全性
高爐和焦?fàn)t煤氣中的CO濃度較高，它在空氣中的混合爆炸極限為12.5%～74%，只要濃度達(dá)到爆炸極限，遇到明火極容易發(fā)生爆炸。一氧化碳的危害性和爆炸可能性均與其濃度相關(guān)，因此必須采用的技術(shù)對煤氣中的CO和O2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
環(huán)境保護(hù)的需要
目前我國現(xiàn)有20余家年產(chǎn)鋼量400-2000萬噸的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，其中相當(dāng)一部分企業(yè)高爐煤氣排放量為10-30萬m3/H。按照這樣的排放量來推理可知冶金企業(yè)可以嚴(yán)重影響周圍數(shù)公里的空氣質(zhì)量，造成大氣污染。嚴(yán)重的空氣污染不僅危害著周圍居民的身體健康，同時(shí)惡化了生態(tài)環(huán)境。總之冶金企業(yè)周邊環(huán)境的質(zhì)量的優(yōu)劣與其排放的CO的濃度關(guān)系密切。
高爐煤氣中的CO和O2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,深圳三達(dá)特推薦使用一氧化碳傳感器（抗煙氣，帶過濾，CO傳感器） 和氧氣傳感器S+4OX.
總結(jié)
高爐煤氣中含有豐富的CO氣體，具有很高的利用價(jià)值。提純高爐煤氣中CO氣體，將高爐氣中CO組分含量從22%（熱值731Kcal/Nm3）提純到70%（熱值2200Kcal/Nm3），作為燃料氣用于鋼管加工，在節(jié)能降耗方面有著重要意義。另外，利用該項(xiàng)技術(shù)還能將高爐煤氣中的CO提濃至98.5%以上，從而用于化工生產(chǎn)，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，這不但實(shí)現(xiàn)了鋼鐵和化工兩個(gè)行業(yè)的資源整合，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，還有助于降低鋼鐵和化工企業(yè)整體的一次能源使用量，從而降低二氧化碳排放量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)耦合，推動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。
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