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)爐會用掉40 %～50% 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中，將會造成環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)。國家計委、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，發(fā)熱值為2850kJ/m3~3220kJ/m3；冶煉鑄造鐵時，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)?？扇?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，采用壓差發(fā)電技術(shù)(TRT)是可行的。由于壓力在0.08MPa時，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），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)啟動渦輪機(jī)做功從而帶動發(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，同時惡化了生態(tài)環(huán)境?？傊苯鹌髽I(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）GS+4CO?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，推動行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。
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