焦炉煤气喷吹：提升高炉效率降低碳排放

钢铁行业是主要能源消费者，二氧化碳（CO₂）排放量大。尽管多数钢厂单位耗能 CO₂ 排放大幅下降，但因钢产量持续增长（2013 年达 16.06 亿吨），全球 CO₂ 总排放量仍在增加。当前钢铁业面临最小化能耗和气体排放的压力，特别是炼铁工序。副产品气体的高效利用对钢厂盈利至关重要，因其涉及巨大能量和成本。将焦炉煤气（COG）喷吹入现代高炉是实现低碳炼铁、节能减排的有效措施。

焦炭是炼铁必需投入，由煤在焦炉中加热生产。制焦时隔绝氧气加热煤以驱除挥发分。副产品焦炉（钢厂常用）生产焦炭时产生焦炉煤气。副产品焦炉煤气产量随煤充挥发分不同，范围 290~340 Nm³/t 煤。

焦炉煤气经除焦油、萘、粗苯、氨、硫净化后，用于高炉热风炉加热、烧结点火炉、轧钢加热炉及发电。

焦炉煤气成分约含 55%~58% H₂、25%~27% CH₄、6%~7% CO，及少量 CO₂、N₂、烃类等。因富氢，近年受关注用于还原过程。

焦炉煤气也可作高炉还原剂。COG 喷吹是将大量焦炉煤气喷入高炉风口前区，不仅提供补充碳源，还加快生铁生产，减少高炉反应对冶金焦需求。COG 喷吹技术还能降低高炉绝对 CO₂ 和 SO₂ 排放。

1990 年代中期美国曾进行高炉喷吹气体试验。为节能降本，美国钢铁公司（USS）在宾夕法尼亚匹兹堡外蒙谷工厂开发系统，使焦炉煤气用于高炉。虽北美其他钢企尝试，USS 首次成功。其彻底净化煤气、增压、使用改造风口。项目投资约 600 万美元，年节省 610 万美元，静态回收期不足一年。除成本节约，COG 喷吹还降低能耗和 CO₂ 排放。

COG 喷吹影响风口前区条件和铁矿石还原。COG 烃类在风口前由热风氧气燃烧生成 CO 和 H₂，提高还原气潜力（相对 N₂）。理论计算和工业试验显示，用 COG 替代天然气可降低焦比、增高铁产量。COG 高效因其烃含量比天然气少 3.5~4 倍，改善风口炉床燃烧、活化焦柱、提高炉内气体利用率。COG 喷吹可使高炉顶煤气量和热值增加，平均温度随距喷枪尖距离升高。

风口前区条件极其复杂，也影响风口条件及还原气燃烧。COG 喷吹因燃烧更完全、热值高（约 4000~4400 kcal/Nm³），温升更高。

风口层面 COG 喷吹通常伴随热风富氧。COG 喷吹需压缩，需压缩机，增加耗电。富氧减少气体比流量，降低顶温、升高风口绝热火焰温度（RAFT），这些影响可由 COG 喷吹补偿。氧和 COG 联合喷吹提高高炉产能。每 1% 富氧提高产能 2.0%~2.5%。典型 COG 高炉喷吹示意图见图1。

图1 高炉焦炉煤气喷吹示意图

高炉喷吹 COG 在部分国家实践，喷吹率约 30~280 Nm³/t 铁。因一体化厂 COG 可用量有限，部分高炉仅间歇喷吹。COG 利用灵活性可增强：根据即时需求在高炉和其他用气点间调度。因此，喷入高炉的煤气替代了原本需外购的替代还原剂。

据报告，按热力化学条件，高炉风口 COG 最大喷吹量约 0.1 t COG/t 铁。焦炭/COG 置换比通常 0.4~0.45 kg/Nm³（约 0.98 t 焦/ t COG），天然气为 0.8~0.85 kg/Nm³。

瑞典 MEFOS 开发高炉喷吹枪数学模型模拟还原气喷吹燃烧。模型显示：双喷枪比单喷枪燃烧条件更好、喷吹率更高。单喷枪导致：温度速度分布极不均、气流高速到达风口前区末端、末端温度最高、风口无过热。双喷枪导致：穿透深度显著降低、温度/速度/浓度分布更均匀、燃烧更均匀类似重油喷吹、风口无过热。单/双喷枪其他要点：

• 单喷枪最大喷吹量 10,000 Nm³/h，超量部分不燃烧直接进入高炉。
• 双喷枪最大喷吹量增至 15,000 Nm³/h，因入口速度较低、风口管湍流增强、煤气与热风接触面积更大。
• 改变喷枪喷吹角度对预测结果影响不明显。

典型风口喷枪系统见图2，含两根 COG 喷枪插入风口管、风口管和铜风口。

图2 典型双喷枪风口喷枪系统