淺談高爐作為煤氣發生爐的可能

劉愛國

（天津天鐵冶金集團有限公司 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、節約燃料、提升煉鐵經濟性指標，其副產品高爐煤氣的有效利用也成為企業的頭痛問題。伴隨著蓄熱燃燒技術在鋼鐵冶金行業的應用，技術目前已經非常完善，燃燒效率極大提高，高爐煤氣已經不能簡單的看作生產過程中的副產品那么簡單。以天鐵為例，高爐煤氣小時發生量就達到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發展的因素。

二、高爐煤氣的產生過程及其氣體組成

高壓鼓風機鼓風，并且通過熱風爐加熱后進入了高爐，這種熱風和焦炭或煤粉助燃，產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，可以用于冶金企業的自用燃氣，如加熱熱軋的鋼錠、燒鍋爐等。

高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，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，現代的煉鐵生產普遍采用大容積、高風溫、高冶煉強度、高富氧、高噴煤粉量等生產工藝，采用這些先進的生產工藝提高了勞動生產率并降低能耗，其代價是所產的高爐煤氣數量和熱值普遍降低，為后續的煤氣利用增添了很大難度。以天鐵高爐煤氣噸鐵發生量和熱值為例子。2003年噸鐵高爐煤氣發生量在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。通過對比發現，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口附近反應生成 C O2和少量CO, 然后上升過程中部分 C O2與焦炭反應生成CO, 但是隨著富氧等技術的應用，碳與氧氣反應更加劇烈，導致最終外排爐氣 C O2含量增加，而CO含量降低，從而導致最終爐氣熱值降低。因為氧氣替代了部分空氣，其替代比可以達到1: 5, 隨著富氧量的增加，空氣需求量大幅度降低，從而導致最終高爐煤氣放生量的大幅度降低。

五、現在工藝對煤氣需求巨大

1、高爐煤氣用戶得到廣泛開發

隨著蓄熱燃燒技術的廣泛應用，鋼鐵冶金企業副產煤氣早已不是企業的環保安全負擔，越來越成為企業發展的血液，現在沒有任何一個鋼鐵聯合企業可以沒有煤氣而生存。軋鋼加熱爐、高爐熱風爐、發電鍋爐成為高爐煤氣的主要用戶。同時有自備焦爐的企業，還用高爐煤氣替代焦爐煤氣作為加熱燃料使用，很多企業基本不在有高爐煤氣放散現象。尤其是燃氣蒸汽輪機技術的應用，使得高爐煤氣利用效率更是得到了質的飛躍。

2、煤氣需求巨大

隨著企業產品的延伸，軋鋼加熱需求煤氣成為又一個煤氣需求的用戶，使得產生的高爐煤氣在高爐熱風爐和軋鋼加熱爐的使用量達到其噸鐵1100m3以上，同時白灰窯、發電鍋爐、燃氣蒸汽輪機等也大量的需求，尤其是發電需求巨大。因為鋼鐵企業隨著生產和環保需求噸鋼耗電達到600kWh以上，而生產這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為例，年需求60億kWh, 顯然就地產生電能是十分節能和經濟的。

六、使用煤氣比其他能源更經濟環保

1、使用高爐煤氣的經濟性比較

因高爐煤氣是生產過程中的副產品，因此生產成為零，所以與其他能源比較，具有先天的優勢。但是，我們更多的考慮提高高爐燃料比的角度出發，對比分析其經濟性。因目前鋼鐵聯合企業最終富余煤氣被用于發電，我們就有以高爐煤氣發電的角度出發，對比分析其經濟性。

（1) 適當增加高爐入爐焦炭的綜合經濟性分析

針對高爐生產，適當少量增加焦炭只是增加鼓風消耗，同時對高爐生產有一定的順行效果，可以增加高爐產量，但是其成本將上升。我們把增產順行效果忽略，僅僅看增加焦炭和增加的高爐煤氣的經濟性比較。因其反應原理與氣化爐原理相同，我們認為增加的焦炭反應生成CO, 參考價值最低的發電技術如下：

1公斤焦炭可以產生1.87m3CO, 折算成25%含量的高爐煤氣為7.5m3（高爐平均1公斤焦炭產生高爐煤氣3.5~4m3），采用燃氣蒸汽輪機發電技術可以產生4.3~5kWh的電，其價值按照購電價格0.6元計算，在2.58~3元，而成本按照噸焦1400元計算，原料成本僅僅1.4元，效益非常明顯，但是與上網電價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。但是采用價格更低的煤（目前在1 000元/噸以下）替代焦炭經濟性更強。綜合考慮，增加入爐燃料的經濟性還是可以認真研究的。

（2) 采用燃煤發電與高爐煤氣發電的經濟性對比分析

目前動力煤的價格在600~650元/噸（市場價），發電綜合效率在35%以下，而以高爐煤氣為燃料，采用燃氣蒸汽輪機發電的綜合效率在50%以上，可以達到60%，從效率角度出發有非常大的優勢，從經濟性比較，動力煤需要490克（按照350克標煤/kWh計算）才能生產1kWh電能，燃料成本在0.294~0.319元，而采用燃氣蒸汽輪機發電燃料成本在0.28~0.326元，價格基本相當。

（3) 設備投資經濟性分析

因其煤氣產生過程是利用現有高爐及管道設備，不會增加新的投資和占地，僅僅是發供電設備比較，作為新的發電技術，其占地和投資均比傳統火電有非常明顯的優勢，具體請參考相關書籍，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氣蒸汽輪機發電技術還不十分成熟，有待進一步完善，但是目前采用此技術發電的企業越來越多，其技術完善程度也會越來越高、更具有可比性。

2、使用高爐煤氣的環保優勢

煤氣與其他燃料相比較有非常明顯的優勢，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) 降低生產環節用水；

（5) 場地占用比較少；

還有很多優勢，這里就不在累述了。

七、目前面臨的問題

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

2、需要的燃料要求比較高，從長遠角度考慮，此項技術的實施必將對高爐冶煉技術提出更多的研究課題；

3、目前以高爐煤氣為燃料的燃氣蒸汽輪機發電技術還不十分成熟，有待進一步完善，但是越來越多的企業已經采用此項技術，也可能使未來火力發電技術得到變革。

八、結論

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