浅谈高炉作为煤气发生炉的可能

刘爱国

（天津天铁冶金集团有限公司 河北涉县 0 5 6404）

一、前言

高炉冶炼过程中一直追求降低焦比、节约燃料、提升炼铁经济性指标，其副产品高炉煤气的有效利用也成为企业的头痛问题。伴随着蓄热燃烧技术在钢铁冶金行业的应用，技术目前已经非常完善，燃烧效率极大提高，高炉煤气已经不能简单的看作生产过程中的副产品那么简单。以天铁为例，高炉煤气小时发生量就达到120万 m3/h以上，为轧钢、锅炉提供了充分的燃料。随着煤气的广泛使用，煤气不足问题越来越突出，越来越成为制约企业发展的因素。

二、高炉煤气的产生过程及其气体组成

高压鼓风机鼓风，并且通过热风炉加热后进入了高炉，这种热风和焦炭或煤粉助燃，产生的是二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳又和炙热的焦炭或煤炭产生一氧化碳，一氧化碳在上升的过程中，还原了铁矿石中的铁元素，使之成为生铁。这时候在高炉的炉气中，还有大量的过剩的一氧化碳，这种混和气体，就是高炉煤气。每炼一吨铁可产生1400-2200m3的高炉煤气。

这种含有可燃一氧化碳的气体，是一种低热值的气体燃料，可以用于冶金企业的自用燃气，如加热热轧的钢锭、烧锅炉等。

高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为:CO,C O2, N2、 H2、 CH4等 ， 其 中 可 燃 成 分CO含 量 约 占20~25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2, N2的含量分别占15~25%,51~58 %，热值仅为2800~3600KJ/m3左右。

三、现在高炉冶炼工艺对高炉煤气的影响

高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高富氧、高喷煤粉量等生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，其代价是所产的高炉煤气数量和热值普遍降低，为后续的煤气利用增添了很大难度。以天铁高炉煤气吨铁发生量和热值为例子。2003年吨铁高炉煤气发生量在1 700m3，其热值普遍高于3 100 KJ/m3,在3 150~3 350 KJ/m3,而2009年，高炉煤气吨铁发生量维持在1400m3左右，热值普遍低于3 000 KJ/m3,通常在2 800~2 900KJ/m3。通过对比发现，其能耗大幅度降低，从2003年的近600kgce/t降低到2009年的395kgce/t。富氧水平极大提高，从吨铁不足20 m3提高 到2009年近70 m3。

四、造成高炉煤气数量和热值降低的原因分析

被加热的空气中的氧气与灼热的焦炭或煤粉在高炉风口附近反应生成 C O2和少量CO, 然后上升过程中部分 C O2与焦炭反应生成CO, 但是随着富氧等技术的应用，碳与氧气反应更加剧烈，导致最终外排炉气 C O2含量增加，而CO含量降低，从而导致最终炉气热值降低。因为氧气替代了部分空气，其替代比可以达到1: 5, 随着富氧量的增加，空气需求量大幅度降低，从而导致最终高炉煤气放生量的大幅度降低。

五、现在工艺对煤气需求巨大

1、高炉煤气用户得到广泛开发

随着蓄热燃烧技术的广泛应用，钢铁冶金企业副产煤气早已不是企业的环保安全负担，越来越成为企业发展的血液，现在没有任何一个钢铁联合企业可以没有煤气而生存。轧钢加热炉、高炉热风炉、发电锅炉成为高炉煤气的主要用户。同时有自备焦炉的企业，还用高炉煤气替代焦炉煤气作为加热燃料使用，很多企业基本不在有高炉煤气放散现象。尤其是燃气蒸汽轮机技术的应用，使得高炉煤气利用效率更是得到了质的飞跃。

2、煤气需求巨大

随着企业产品的延伸，轧钢加热需求煤气成为又一个煤气需求的用户，使得产生的高炉煤气在高炉热风炉和轧钢加热炉的使用量达到其吨铁1100m3以上，同时白灰窑、发电锅炉、燃气蒸汽轮机等也大量的需求，尤其是发电需求巨大。因为钢铁企业随着生产和环保需求吨钢耗电达到600kWh以上，而生产这600kWh就需要至少需要2 000m3高炉煤气，显然其缺口巨大。以1 000万吨的钢铁企业为例，年需求60亿kWh, 显然就地产生电能是十分节能和经济的。

六、使用煤气比其他能源更经济环保

1、使用高炉煤气的经济性比较

因高炉煤气是生产过程中的副产品，因此生产成为零，所以与其他能源比较，具有先天的优势。但是，我们更多的考虑提高高炉燃料比的角度出发，对比分析其经济性。因目前钢铁联合企业最终富余煤气被用于发电，我们就有以高炉煤气发电的角度出发，对比分析其经济性。

（1) 适当增加高炉入炉焦炭的综合经济性分析

针对高炉生产，适当少量增加焦炭只是增加鼓风消耗，同时对高炉生产有一定的顺行效果，可以增加高炉产量，但是其成本将上升。我们把增产顺行效果忽略，仅仅看增加焦炭和增加的高炉煤气的经济性比较。因其反应原理与气化炉原理相同，我们认为增加的焦炭反应生成CO, 参考价值最低的发电技术如下：

1公斤焦炭可以产生1.87m3CO, 折算成25%含量的高炉煤气为7.5m3（高炉平均1公斤焦炭产生高炉煤气3.5~4m3），采用燃气蒸汽轮机发电技术可以产生4.3~5kWh的电，其价值按照购电价格0.6元计算，在2.58~3元，而成本按照吨焦1400元计算，原料成本仅仅1.4元，效益非常明显，但是与上网电价0.37元对比分析，其效益仅仅1.591~1.85元，效益性也是明显的。但是采用价格更低的煤（目前在1 000元/吨以下）替代焦炭经济性更强。综合考虑，增加入炉燃料的经济性还是可以认真研究的。

（2) 采用燃煤发电与高炉煤气发电的经济性对比分析

目前动力煤的价格在600~650元/吨（市场价），发电综合效率在35%以下，而以高炉煤气为燃料，采用燃气蒸汽轮机发电的综合效率在50%以上，可以达到60%，从效率角度出发有非常大的优势，从经济性比较，动力煤需要490克（按照350克标煤/kWh计算）才能生产1kWh电能，燃料成本在0.294~0.319元，而采用燃气蒸汽轮机发电燃料成本在0.28~0.326元，价格基本相当。

（3) 设备投资经济性分析

因其煤气产生过程是利用现有高炉及管道设备，不会增加新的投资和占地，仅仅是发供电设备比较，作为新的发电技术，其占地和投资均比传统火电有非常明显的优势，具体请参考相关书籍，这里就不在累述了。但是需要指出的是：以高炉煤气为燃料的燃气蒸汽轮机发电技术还不十分成熟，有待进一步完善，但是目前采用此技术发电的企业越来越多，其技术完善程度也会越来越高、更具有可比性。

2、使用高炉煤气的环保优势

煤气与其他燃料相比较有非常明显的优势，基本作为清洁燃料。因其这方面的研究非常广泛而深入，这里就简单列举如下：

（1) 没有粉尘排放压力；

（2) 没有固体放散废弃物；

（3) 不会造成水体污染；

（4) 降低生产环节用水；

（5) 场地占用比较少；

还有很多优势，这里就不在累述了。

七、目前面临的问题

1、把高炉作为煤气发生炉看到的研究非常匮乏，目前国内外几乎没有相关的研究成果；

2、需要的燃料要求比较高，从长远角度考虑，此项技术的实施必将对高炉冶炼技术提出更多的研究课题；

3、目前以高炉煤气为燃料的燃气蒸汽轮机发电技术还不十分成熟，有待进一步完善，但是越来越多的企业已经采用此项技术，也可能使未来火力发电技术得到变革。

八、结论

随着技术的革命性发展，气体能源越来越作为清洁能源使用，作为高炉煤气发生体的高炉未来可以作为煤气发生炉成为研究对象，彻底改变目前高炉污染源的形象，为社会的节能减排工作做出新的贡献。