淺談高爐作為煤氣發(fā)生爐的可能

劉愛國

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司 河北涉縣 0 5 6404）

一、前言

高爐冶煉過程中一直追求降低焦比、節(jié)約燃料、提升煉鐵經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其副產(chǎn)品高爐煤氣的有效利用也成為企業(yè)的頭痛問題。伴隨著蓄熱燃燒技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)的應(yīng)用，技術(shù)目前已經(jīng)非常完善，燃燒效率極大提高，高爐煤氣已經(jīng)不能簡單的看作生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品那么簡單。以天鐵為例，高爐煤氣小時(shí)發(fā)生量就達(dá)到120萬 m3/h以上，為軋鋼、鍋爐提供了充分的燃料。隨著煤氣的廣泛使用，煤氣不足問題越來越突出，越來越成為制約企業(yè)發(fā)展的因素。

二、高爐煤氣的產(chǎn)生過程及其氣體組成

高壓鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，并且通過熱風(fēng)爐加熱后進(jìn)入了高爐，這種熱風(fēng)和焦炭或煤粉助燃，產(chǎn)生的是二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳又和炙熱的焦炭或煤炭產(chǎn)生一氧化碳，一氧化碳在上升的過程中，還原了鐵礦石中的鐵元素，使之成為生鐵。這時(shí)候在高爐的爐氣中，還有大量的過剩的一氧化碳，這種混和氣體，就是高爐煤氣。每煉一噸鐵可產(chǎn)生1400-2200m3的高爐煤氣。

這種含有可燃一氧化碳的氣體，是一種低熱值的氣體燃料，可以用于冶金企業(yè)的自用燃?xì)?，如加熱熱軋的鋼錠、燒鍋爐等。

高爐煤氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要成分為:CO,C O2, N2、 H2、 CH4等 ， 其 中 可 燃 成 分CO含 量 約 占20~25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2, N2的含量分別占15~25%,51~58 %，熱值僅為2800~3600KJ/m3左右。

三、現(xiàn)在高爐冶煉工藝對高爐煤氣的影響

高爐煤氣的成分和熱值與高爐所用的燃料、所煉生鐵的品種及冶煉工藝有關(guān)，現(xiàn)代的煉鐵生產(chǎn)普遍采用大容積、高風(fēng)溫、高冶煉強(qiáng)度、高富氧、高噴煤粉量等生產(chǎn)工藝，采用這些先進(jìn)的生產(chǎn)工藝提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率并降低能耗，其代價(jià)是所產(chǎn)的高爐煤氣數(shù)量和熱值普遍降低，為后續(xù)的煤氣利用增添了很大難度。以天鐵高爐煤氣噸鐵發(fā)生量和熱值為例子。2003年噸鐵高爐煤氣發(fā)生量在1 700m3，其熱值普遍高于3 100 KJ/m3,在3 150~3 350 KJ/m3,而2009年，高爐煤氣噸鐵發(fā)生量維持在1400m3左右，熱值普遍低于3 000 KJ/m3,通常在2 800~2 900KJ/m3。通過對比發(fā)現(xiàn)，其能耗大幅度降低，從2003年的近600kgce/t降低到2009年的395kgce/t。富氧水平極大提高，從噸鐵不足20 m3提高 到2009年近70 m3。

四、造成高爐煤氣數(shù)量和熱值降低的原因分析

被加熱的空氣中的氧氣與灼熱的焦炭或煤粉在高爐風(fēng)口附近反應(yīng)生成 C O2和少量CO, 然后上升過程中部分 C O2與焦炭反應(yīng)生成CO, 但是隨著富氧等技術(shù)的應(yīng)用，碳與氧氣反應(yīng)更加劇烈，導(dǎo)致最終外排爐氣 C O2含量增加，而CO含量降低，從而導(dǎo)致最終爐氣熱值降低。因?yàn)檠鯕馓娲瞬糠挚諝?，其替代比可以達(dá)到1: 5, 隨著富氧量的增加，空氣需求量大幅度降低，從而導(dǎo)致最終高爐煤氣放生量的大幅度降低。

五、現(xiàn)在工藝對煤氣需求巨大

1、高爐煤氣用戶得到廣泛開發(fā)

隨著蓄熱燃燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用，鋼鐵冶金企業(yè)副產(chǎn)煤氣早已不是企業(yè)的環(huán)保安全負(fù)擔(dān)，越來越成為企業(yè)發(fā)展的血液，現(xiàn)在沒有任何一個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)可以沒有煤氣而生存。軋鋼加熱爐、高爐熱風(fēng)爐、發(fā)電鍋爐成為高爐煤氣的主要用戶。同時(shí)有自備焦?fàn)t的企業(yè)，還用高爐煤氣替代焦?fàn)t煤氣作為加熱燃料使用，很多企業(yè)基本不在有高爐煤氣放散現(xiàn)象。尤其是燃?xì)庹羝啓C(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得高爐煤氣利用效率更是得到了質(zhì)的飛躍。

2、煤氣需求巨大

隨著企業(yè)產(chǎn)品的延伸，軋鋼加熱需求煤氣成為又一個(gè)煤氣需求的用戶，使得產(chǎn)生的高爐煤氣在高爐熱風(fēng)爐和軋鋼加熱爐的使用量達(dá)到其噸鐵1100m3以上，同時(shí)白灰窯、發(fā)電鍋爐、燃?xì)庹羝啓C(jī)等也大量的需求，尤其是發(fā)電需求巨大。因?yàn)殇撹F企業(yè)隨著生產(chǎn)和環(huán)保需求噸鋼耗電達(dá)到600kWh以上，而生產(chǎn)這600kWh就需要至少需要2 000m3高爐煤氣，顯然其缺口巨大。以1 000萬噸的鋼鐵企業(yè)為例，年需求60億kWh, 顯然就地產(chǎn)生電能是十分節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的。

六、使用煤氣比其他能源更經(jīng)濟(jì)環(huán)保

1、使用高爐煤氣的經(jīng)濟(jì)性比較

因高爐煤氣是生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，因此生產(chǎn)成為零，所以與其他能源比較，具有先天的優(yōu)勢。但是，我們更多的考慮提高高爐燃料比的角度出發(fā)，對比分析其經(jīng)濟(jì)性。因目前鋼鐵聯(lián)合企業(yè)最終富余煤氣被用于發(fā)電，我們就有以高爐煤氣發(fā)電的角度出發(fā)，對比分析其經(jīng)濟(jì)性。

（1) 適當(dāng)增加高爐入爐焦炭的綜合經(jīng)濟(jì)性分析

針對高爐生產(chǎn)，適當(dāng)少量增加焦炭只是增加鼓風(fēng)消耗，同時(shí)對高爐生產(chǎn)有一定的順行效果，可以增加高爐產(chǎn)量，但是其成本將上升。我們把增產(chǎn)順行效果忽略，僅僅看增加焦炭和增加的高爐煤氣的經(jīng)濟(jì)性比較。因其反應(yīng)原理與氣化爐原理相同，我們認(rèn)為增加的焦炭反應(yīng)生成CO, 參考價(jià)值最低的發(fā)電技術(shù)如下：

1公斤焦炭可以產(chǎn)生1.87m3CO, 折算成25%含量的高爐煤氣為7.5m3（高爐平均1公斤焦炭產(chǎn)生高爐煤氣3.5~4m3），采用燃?xì)庹羝啓C(jī)發(fā)電技術(shù)可以產(chǎn)生4.3~5kWh的電，其價(jià)值按照購電價(jià)格0.6元計(jì)算，在2.58~3元，而成本按照噸焦1400元計(jì)算，原料成本僅僅1.4元，效益非常明顯，但是與上網(wǎng)電價(jià)0.37元對比分析，其效益僅僅1.591~1.85元，效益性也是明顯的。但是采用價(jià)格更低的煤（目前在1 000元/噸以下）替代焦炭經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。綜合考慮，增加入爐燃料的經(jīng)濟(jì)性還是可以認(rèn)真研究的。

（2) 采用燃煤發(fā)電與高爐煤氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性對比分析

目前動(dòng)力煤的價(jià)格在600~650元/噸（市場價(jià)），發(fā)電綜合效率在35%以下，而以高爐煤氣為燃料，采用燃?xì)庹羝啓C(jī)發(fā)電的綜合效率在50%以上，可以達(dá)到60%，從效率角度出發(fā)有非常大的優(yōu)勢，從經(jīng)濟(jì)性比較，動(dòng)力煤需要490克（按照350克標(biāo)煤/kWh計(jì)算）才能生產(chǎn)1kWh電能，燃料成本在0.294~0.319元，而采用燃?xì)庹羝啓C(jī)發(fā)電燃料成本在0.28~0.326元，價(jià)格基本相當(dāng)。

（3) 設(shè)備投資經(jīng)濟(jì)性分析

因其煤氣產(chǎn)生過程是利用現(xiàn)有高爐及管道設(shè)備，不會增加新的投資和占地，僅僅是發(fā)供電設(shè)備比較，作為新的發(fā)電技術(shù)，其占地和投資均比傳統(tǒng)火電有非常明顯的優(yōu)勢，具體請參考相關(guān)書籍，這里就不在累述了。但是需要指出的是：以高爐煤氣為燃料的燃?xì)庹羝啓C(jī)發(fā)電技術(shù)還不十分成熟，有待進(jìn)一步完善，但是目前采用此技術(shù)發(fā)電的企業(yè)越來越多，其技術(shù)完善程度也會越來越高、更具有可比性。

2、使用高爐煤氣的環(huán)保優(yōu)勢

煤氣與其他燃料相比較有非常明顯的優(yōu)勢，基本作為清潔燃料。因其這方面的研究非常廣泛而深入，這里就簡單列舉如下：

（1) 沒有粉塵排放壓力；

（2) 沒有固體放散廢棄物；

（3) 不會造成水體污染；

（4) 降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)用水；

（5) 場地占用比較少；

還有很多優(yōu)勢，這里就不在累述了。

七、目前面臨的問題

1、把高爐作為煤氣發(fā)生爐看到的研究非常匱乏，目前國內(nèi)外幾乎沒有相關(guān)的研究成果；

2、需要的燃料要求比較高，從長遠(yuǎn)角度考慮，此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施必將對高爐冶煉技術(shù)提出更多的研究課題；

3、目前以高爐煤氣為燃料的燃?xì)庹羝啓C(jī)發(fā)電技術(shù)還不十分成熟，有待進(jìn)一步完善，但是越來越多的企業(yè)已經(jīng)采用此項(xiàng)技術(shù)，也可能使未來火力發(fā)電技術(shù)得到變革。

八、結(jié)論

隨著技術(shù)的革命性發(fā)展，氣體能源越來越作為清潔能源使用，作為高爐煤氣發(fā)生體的高爐未來可以作為煤氣發(fā)生爐成為研究對象，徹底改變目前高爐污染源的形象，為社會的節(jié)能減排工作做出新的貢獻(xiàn)。