焦炉煤气生成与利用：炼铁关键能源循环

焦炭是炼铁必需投入。制焦通过隔绝空气加热煤驱除挥发分（VM）。煤转化为焦炭称煤碳化，在焦炉进行。焦炉电池由多座焦炉组成。目前生产高炉焦炭有两大主要方法。

第一法为回收工艺：煤在完全还原气氛中加热，挥发产物在配套副产品厂回收。此法用焦炉称副产品焦炉，焦炉电池称副产品焦炉电池。副产品焦炉电池碳化焦煤时，约25-30%装煤量挥发分作为流出气逸出焦炉室，为热原焦炉煤气。原焦炉煤气可燃，黄褐色，有机气味。

第二法为非回收（称热回收或能量回收）焦炉电池碳化煤。非回收工艺中，空气引入焦炉焦床顶部以上，碳化产生的挥发产物在炉内燃烧为煤碳化提供所需热量。

副产品厂与焦炉煤气处理

副产品厂是副产品炼焦工艺不可分割部分。每座焦炉操作周期性，但电池含足够多焦炉产生基本连续原焦炉煤气流。单炉按碳化周期大致等时隔充料推焦。碳化15-18小时产高炉焦。此期间煤挥发分蒸馏出为原焦炉煤气。碳化时间由配煤、水分、底部加热速率、焦炭目标性质决定。焦炭需求低时碳化时间可增至24小时。碳化温度通常900-1100℃。通过维持集气管正背压防空气漏入焦炉。焦炉维持约10毫米水柱集气管高液压正压。热蒸馏产生气体烃经出焦系统除去送副产品厂回收。

副产品焦炉电池因煤挥发分汽化产生大量气体，在相邻副产品厂处理。碳化周期中大部分时间产气。气体成分和CO演变速率随周期变化，煤装料达700℃时CO演变基本完成。此气称原焦炉煤气，在副产品厂处理。副产品厂功能：处理原气回收有价值煤化工产品，充分处理原焦炉煤气使其成为清洁环保燃料。经副产品厂处理的原焦炉煤气称洁净焦炉煤气或简称CO煤气。

副产品焦炉电池中演变焦炉煤气以接近1100℃高温离开焦炉室。原CO煤气经部分冲洗液（循环液）绝热蒸发冷却至约80℃并饱和水汽。气温充分降低可在集气管处理。从集气管原焦炉煤气流入吸气管。喷入离炉室热气体中冲洗液远超冷却所需，未蒸发余液在集气管形成液流冲走冷凝焦油等化合物。冲洗液流随重力随原焦炉煤气入吸气管。吸气管中用排液罐（下降管）分离冲洗液和原焦炉煤气。冲洗液和原焦炉煤气分别流向副产品厂处理。原焦炉煤气主要成分典型组成见表1。

来自焦炉电池饱和原气含约46-48%水蒸气。其他成分含氢气（H₂）、甲烷（CH₄）、氮气（N₂）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、高石蜡烃和不饱和烃（乙烷、丙烷等）、氧气（O₂）等。原焦炉煤气还含各种污染物，赋其独特特性：①焦油成分；②焦油酸气（酚类气）；③焦油碱气（吡啶碱）；④苯甲苯二甲苯（BTX）、轻油和其他芳烃；⑤萘；⑥氨气；⑦硫化氢；⑧氰化氢；⑨氯化铵；⑩二硫化碳。

为使原焦炉煤气适作清洁环保燃料气，副产品厂须实施：①冷却原炉气冷凝水蒸气和污染物；②除焦油和萘防气管/设备结垢；③除氨（NH₃）防气管腐蚀；④除苯油回收销售苯甲苯二甲苯（BTX）；⑤除硫化氢满足当地焦炉煤气燃烧排放法规。原焦炉煤气处理流程图见图1。

图1 原焦炉煤气处理流程图

从焦炉煤气回收副产品效果：①减少焦炉煤气体积；②降低煤气热值；③影响火焰温度和火焰体积；④改变气体密度和成分。洁净焦炉煤气为无色气体，具硫化氢和烃特征气味。

原CO煤气可含氢、甲烷、氮、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、氧、乙烯、苯。也可含量氨、硫化氢、水蒸气、环戊二烯、甲苯、萘、氰化氢、氰原酸、一氧化氮。洁净焦炉煤气典型组成见表2。

副产品厂处理后洁净焦炉煤气终产量约300标立方米/吨干煤。产气量取决于：①装煤挥发分；②碳化条件。标况下CO煤气密度0.45-0.50公斤/立方米。热值4000-4600千卡/标立方米。理论火焰温度1982℃。火焰传播速率使实际火焰温度接近理论值。CO煤气携带焦炉副产品厂输入能量约18%（图2）。

图2 焦炉副产品厂典型能量平衡

分析数据表明：常规副产品厂处理后CO煤气中挥发性HAP（有害空气污染物）总量远<1%体积分数。故CO煤气在维护良好的燃烧单元（工艺加热炉、锅炉等）燃烧，HAP排放极低。CO燃烧滤过性颗粒物（PM）排放通常低。CO煤气HAP金属排放不显著。

焦炉煤气用途

焦炉煤气是钢厂能量平衡主要组成。通常用于：焦炉电池加热、钢厂其他炉加热、发电。焦炉煤气可直接用或混合高炉煤气作炉燃料。

CO煤气也可作高炉还原剂。CO煤气喷吹工艺向高炉风口喷吹大量焦炉煤气，不只提供补充碳源，还加速生铁生产、减少高炉反应冶金焦需求。CO煤气喷吹技术亦降低高炉绝对CO₂和SO₂排放。

基于一体化钢铁路线利用可用CO煤气生产DRI（直接还原铁）是近期现象。用剩余CO煤气作还原气生产DRI在经济环保双重视角有多重优势。用剩余CO煤气作还原气生产DRI回收97%可用能量，燃烧CO煤气发电仅回收30-40%。图3展示CO煤气利用流向。

图3 钢厂典型气体流向显示CO煤气利用

据国际能源署2007年研究：约70% CO煤气用于炼铁炼钢，15%用于焦炉加热，15%发电。研究指出：更多用CO煤气发电（优选更高效联合循环发电技术，效率约42%，优于蒸汽循环锅炉电厂平均约30%效率）可提升能效。