高炉中的焦炉煤气喷射

高炉中的焦炉煤气喷射

  钢铁行业是能源的主要消耗者之一，因此导致二氧化碳 (CO2) 的高排放。尽管大多数钢铁厂的特定 CO2 排放量显着下降，但由于钢铁产量的不断增加，全球 CO2 排放总量不断增加，2013 年已达到 16.06 亿吨的水平。面临日益增长的减少能源消耗和气体排放的需求，尤其是炼铁过程。由于高能量和所涉及的成本，副产品气体的有效利用对于钢厂运营的盈利能力至关重要。现代高炉注入焦炉煤气(COG)是钢铁工业实现低碳炼铁、节能减排的有效措施之一。

焦炭是炼铁过程中必不可少的原料，是通过在焦炉中加热煤而生产的。为了制造焦炭，煤在没有氧气的情况下被加热以驱除其中的挥发性物质。对于通常安装在钢铁厂的副产品焦炉电池，焦炉煤气是作为该过程的副产品生产的。副产焦炉炼焦过程中产生的具体COG量在290～340 N cum/t煤料的范围内，具体取决于煤料中的挥发物。

焦炉煤气经过焦油、萘、原苯、氨气、硫磺清洗后，目前主要用于高炉炉、烧结厂点火炉、轧钢厂加热炉、电厂发电等领域的加热。

COG 的成分包括大约 55 %-58 % H2、25 %-27 % CH4、6 %-7 % CO 和一些小百分比的 CO2、N2、碳氢化合物和其他元素。由于COG的成分中富含氢，近年来其在还原过程中的应用备受关注。

COG 也可以是高炉中的还原剂。 COG 喷射是一个涉及将大量焦炉煤气喷射到高炉 (BF) 的滚道中的过程。这不仅提供了补充碳源，而且除了减少高炉反应对冶金焦炭的需求外，还加快了液态铁的生产。 COG 喷射技术还可以减少高炉的绝对 CO2 排放量和 SO2 排放量。

1990年代中期，美国进行了向高炉注气的试验。

为了节省能源和降低成本，USS (US Steels) 在其位于宾夕法尼亚州匹兹堡郊外的 Mon Valley 工厂开发了一套系统，使他们能够在高炉中使用 COG。尽管北美的其他钢铁制造商已经尝试过，但 USS 是第一个在高炉中成功使用 COG 的公司。为了做到这一点，USS 彻底清洁气体，提高其压力，并使用改进的高炉风口。该项目的实施成本约为 600 万美元，每年可节省 610 万美元，简单的投资回收期不到一年。除了节省成本外，向高炉注入 COG 也有助于降低能源消耗和 CO2 排放。

向高炉中注入 COG 对滚道条件和铁矿石还原有影响。鼓风氧气在风口前部燃烧 COG 碳氢化合物导致一氧化碳和氢气的产生，这增加了由于 N2 还原气体的潜力。在高炉中用 COG 替代天然气的理论计算和商业试验表明，焦炭消耗量更低，铁水产量更高。 COG 的高效率是因为它所含的碳氢化合物比天然气少 3.5-4 倍。这改善了风口炉膛内的燃烧，激活了焦炭塔，并提高了炉内气体的利用率。已经注意到，通过将 COG 注入高炉，可以产生更高的 BF 炉顶气体积和更高的热值。此外，COG 喷射导致的平均温度随着距喷枪尖端的距离而增加。

需要指出的是，滚道内的条件非常复杂，也会影响风口内的条件，进而影响还原性气体的燃烧。此外，在 COG 喷射的情况下，由于燃烧更完全，并且由于气体的热值高（每标准立方米约 4000 至 4400 大卡），温度升高更高。

在风口处注入的 COG 通常伴随着热风的富氧。 COG 需要压缩以进行喷射，因此需要一个压缩机单元，这意味着功耗的增加。向鼓风中注入氧气会降低气体的比流量，从而导致顶部温度降低和风口中的滚道绝热火焰温度 (RAFT) 升高。这些影响通过注入 COG 得到补偿。因此，在风口处联合注入氧气和 COG 可提高高炉的生产率。热风每富氧1%，生产率提高2-0%至2.5%。图1为高炉COG喷射典型示意图。

图1高炉COG喷射示意图

在一些国家，将 COG 注入高炉是采用不同的注入速率，约为 30 至 280 N cum/tHM。在一些高炉中，COG 只是偶尔注入，因为它在综合工厂的免费供应有限。 COG 利用的灵活性可以提高，因为气体可以在高炉和可用气体的其他用户之间移动，这取决于当前的需要。因此，注入高炉的气体替代了必须从外部购买的替代还原剂。

此外，据报道，根据热化学条件，高炉风口处的最大 COG 喷射水平被认为是 0.1 吨 COG/tHM。正常情况下，焦炭/COG 的替代比为 0.4-0.45 kg/N cum（约 0.98 吨焦炭/吨 COG），而天然气 (NG) 为 0.8-0.85 kg/N cum。

瑞典 MEFOS 开发了一个数学模型，用于高炉中的喷射风口，以模拟喷射还原性气体时的燃烧。将 COG 喷射到高炉风口的数学模型表明，与一根喷枪相比，使用两根喷枪可以获得更好的燃烧条件和更高的喷射速率。用单枪喷射 COG 导致 (i) 温度和速度非常不均匀，(ii) 流动以高速到达滚道末端，(iii) 滚道末端的最高温度，以及 ( iv) 风口没有过热。用两支喷枪喷射 COG 导致 (i) 穿透深度显着降低，(ii) 温度、速度和气体浓度分布更均匀，(iii) 燃烧更均匀，类似于重油喷射，以及 (iv)风口。在典型的高炉中使用一根或两根喷枪的其他要点如下。

• 当使用一根喷枪时，最大喷射量为 10 000 N cum/h。喷入量较多时，部分煤气在风口不燃烧，不燃烧就进入高炉。
• 对于两个喷枪，由于更好的燃烧条件，最大喷射量增加到 15 000 N cum/h。气体入口速度越低，风口管内湍流增强，焦炉煤气与鼓风接触越多，即反应面积越大，条件越好。
• 改变喷枪的喷射角度对预测结果的影响并不明显。

一个典型的风口喷枪系统示意图如图2所示。它包括两个用于COG喷射的喷枪，分别插入鼓风管、一个鼓风管和一个铜风口。

图 2 带有两个喷枪的典型风口喷枪系统。