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(tuán)) 有限責(zé)任公司，甘肅嘉峪關(guān)735100)

摘要: 焦?fàn)t煤氣是一種寶貴的資源，高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”、尋找新的利潤增長點(diǎn)的新技術(shù)、新途徑。重點(diǎn)闡述了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)的工藝機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)，并且較為詳盡的介紹了國內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用效果。新技術(shù)的出現(xiàn)也為酒鋼高爐進(jìn)行低碳煉鐵提供了思考，根據(jù)高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)具有的工藝特點(diǎn)、借鑒國內(nèi)外鋼廠擁有的實踐經(jīng)驗，結(jié)合酒鋼實際現(xiàn)狀，就這一新技術(shù)在酒鋼的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析。

關(guān)鍵詞: 高爐; 噴吹焦?fàn)t煤氣; CO₂減排; 應(yīng)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(nèi)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(fēng)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(shù)措施。

近年來開發(fā)新的綠色能源如天然氣、焦?fàn)t煤氣等富含還原劑( 碳、氫) 的物質(zhì)，來進(jìn)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?fàn)t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?fàn)t煤氣技術(shù)的實施，不僅可通過節(jié)焦作用產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，也會起到CO₂減排作用，能夠給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益。

2 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝特點(diǎn)

2．1 焦?fàn)t煤氣的性質(zhì)

焦?fàn)t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?fàn)t煤氣供用戶使用。凈化后焦?fàn)t煤氣的主要成分如表1 所示。凈焦?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t煤氣工藝

將焦?fàn)t煤氣加壓至高于風(fēng)口壓力，然后經(jīng)管路系統(tǒng)輸送到達(dá)高爐各風(fēng)口，在壓力的作用下，經(jīng)噴槍噴入高爐內(nèi)，實現(xiàn)焦?fàn)t煤氣的高爐噴吹^［4］。

在高爐風(fēng)口回旋區(qū)前端，焦炭與氣體中氧反應(yīng)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(yīng)并吸收部分熱量。同時還有碳的不完全燃燒反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)、碳與氫氣的反應(yīng)等等，其中以碳的完全燃燒和溶損反應(yīng)為主^［5］。回旋區(qū)的主要反應(yīng)詳見表2。

因此，風(fēng)口回旋區(qū)以及爐缸內(nèi)煤氣的最終成分是以CO、H₂和N₂為主^［6］。焦?fàn)t煤氣除本身已含有大量的H₂外，其中的CH₄還將在風(fēng)口回旋區(qū)完成裂解反應(yīng)。噴入高爐的焦?fàn)t煤氣在離開風(fēng)口回旋區(qū)后，最終成分中H₂含量將達(dá)到75%左右。噴入高爐的焦?fàn)t煤氣在風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生燃燒和分解反應(yīng)，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(diǎn)

相比未噴吹焦?fàn)t煤氣的高爐，噴吹焦?fàn)t煤氣有以下幾大優(yōu)點(diǎn)^［3］:

⑴為高爐提供高氫含量的良好還原劑。焦?fàn)t煤氣的主要成分是氫氣。與C 和CO 比較，氫氣是優(yōu)質(zhì)還原劑，具有消耗熱量少、還原速度快等優(yōu)點(diǎn)，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?fàn)t煤氣中氫氣在高爐內(nèi)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?fàn)t煤氣價值。焦?fàn)t煤氣在爐內(nèi)完成還原反應(yīng)后，剩余的能量是爐頂煤氣中的平衡H₂和CO，可作為熱風(fēng)爐加熱的加熱燃料等。與用于發(fā)電相比，焦?fàn)t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?fàn)t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(shè)備投資低，操作簡便。而且由于焦?fàn)t煤氣不含灰分，致使?fàn)t渣量降低小，對降低壓力損失和高爐強(qiáng)化有益處。

3 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

3．1 國外發(fā)展?fàn)顩r

針對焦?fàn)t煤氣噴吹技術(shù)，國外研究已經(jīng)取得預(yù)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(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)研究始于上世紀(jì)60 年代，在技術(shù)實踐上也取得寶貴經(jīng)驗。近年來受燃料價格上漲、新建焦?fàn)t后焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量增加等因素的影響，多家國內(nèi)鋼鐵企業(yè)又開始重點(diǎn)關(guān)注高爐噴吹焦?fàn)t煤氣研究^{［11－14］}，詳細(xì)情況見表4。

4 噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)在酒鋼高爐應(yīng)用的前景

對于焦?fàn)t煤氣的高爐噴吹技術(shù)，由于國內(nèi)外鋼企曾擁有的寶貴實踐經(jīng)驗及其具有的技術(shù)特點(diǎn)，為酒鋼高爐的低碳煉鐵進(jìn)而實現(xiàn)CO₂ 減排提供了可能。我們一方面應(yīng)抓緊研究技術(shù)細(xì)節(jié)、跟蹤相關(guān)企業(yè)的應(yīng)用實踐，為快速實現(xiàn)新技術(shù)的引進(jìn)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(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣的回收率和利用率，并改進(jìn)各用戶的燃燒技術(shù)以提高燃燒效率等技術(shù)措施，進(jìn)一步節(jié)約焦?fàn)t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?fàn)t煤氣相比，有效成分是焦?fàn)t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(dāng)然這是一項系統(tǒng)工程，需要通盤考慮。如果實現(xiàn)焦?fàn)t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(shù)，將取得更為客觀的綜合經(jīng)濟(jì)效果。

5 結(jié)語

焦?fàn)t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?fàn)t煤氣時不應(yīng)僅僅停留在它的熱值上，還應(yīng)關(guān)注煤氣的綜合資源化利用上。針對酒鋼實際情況，應(yīng)密切跟蹤國內(nèi)外高爐低碳煉鐵的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，同時抓緊研究高爐噴吹焦?fàn)t煤氣等還原性氣體的工藝路線和關(guān)鍵技術(shù)，這對實現(xiàn)酒鋼煉鐵可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能減排具有重要意義。

參考文獻(xiàn):

［1］ 劉潤生．低碳高爐煉鐵新技術(shù)及在安鋼應(yīng)用的可行性［J］．河南冶金，2011，19( 03) : 1-4/ /9．

［2］ 毛艷麗，曲余玲．鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦?fàn)t煤氣高附加值利用技術(shù)［J］．冶金叢刊，2014( 04) : 36-40．

［3］ 郭同來，柳政根，儲滿生，等．焦?fàn)t煤氣綜合利用技術(shù)淺析［A］．2010 年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會論文集［C］．北京: 中國金屬學(xué)會煉鐵分會，2010: 1098-1105．

［4］ 康媛，朱世杰，姜海罡．承鋼6#高爐噴吹焦?fàn)t煤氣實踐［A］．2012 年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集( 下) ［C］．中國金屬學(xué)會，2012: 21-22 / /43．

［5］ 郭術(shù)義．高爐回旋區(qū)湍流特性研究［D］．山東: 山東大學(xué)，2006: 7-8．

［6］ Chu M，Yagi J，Shen E Modelling on blast furnace process and innovative ironmaking technologies［M］． Shenyang: Northeaetem University Press，2006: 160-162．

［7］ 郭同來．高爐噴吹焦?fàn)t煤氣低碳煉鐵新工藝的數(shù)學(xué)模擬［D］．沈陽: 東北大學(xué)，2010: 79．

［8］ 張子鎧( 譯) ，崔時( 注校) ．馬凱耶沃鋼鐵公司高爐噴吹焦?fàn)t煤氣( 摘譯) ［J］．太鋼譯文，1991( 02) : 7-11．

［9］ 崔艷( 譯) ，歐治學(xué)( 校) ．高爐噴吹焦?fàn)t煤氣［J］．重鋼技術(shù)，1997，40( 02) : 15-18．

［10］ JusseuN，魯洪大( 譯) ．法國索爾梅廠2 號高爐噴吹焦?fàn)t煤氣［J］．冶金能源，1988，07( 02) : 61-62．

［11］ 中國煉鐵三十年編輯組．中國煉鐵三十年( 1949-1979) ［M］．北京: 冶金工業(yè)出版社，1981: 229-246．

［12］ 鞍鋼九高爐噴吹焦?fàn)t煤氣［J］．鋼鐵，1966( 03) : 64-65．

［13］ 王月秋，趙冬云，劉穎．鞍鋼鲅魚圈高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)［A］．第九屆中國鋼鐵年會論文集［C］．中國金屬學(xué)會，2013: 608-611．

［14］ 賈立軍，王冰，孟淑敏．高爐煉鐵節(jié)能降耗及資源合理利用技術(shù)［A］．2014 年全國中小高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會論文集［C］．中國金屬學(xué)會，2014: 115-118．