高炉煤气

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什么是高炉煤气

  高炉煤气是从高炉炉顶逸出的煤气,是高炉炼铁过程中所得到的一种副产品。高炉燃料的热量约有60%转移到高炉煤气中。据统计,高炉每消耗1吨焦炭约可产出3800-4000立方米高炉煤气。高炉煤气的理论燃烧温度约为1400-1500℃,在许多情况下,必须通过把空气和煤气预热来提高它的燃烧温度,才能满足用户的要求。高炉煤气从高炉逸出时含有大量粉尘,约为60-80克/立方米,必须经过除尘处理才能符合使用要求[1]

  在冶金生产中,高炉煤气主要用于焦炉,在冶金联合企业中,与焦炉煤气混合后也可以用于平炉[1]

  高炉煤气的成分和发热值如下[2]

表1 高炉煤气的成分和发热值
φ(CO)/
φ(CO2)/
φ(H2)/
φ(O2)/
φ(N2)/
发热值/
(kJ.Nm − 3)
232020553056

高炉煤气的特点[3]

  高炉煤气是高炉炼铁的副产品,煤气成分以N2C02和C0为主,其特点是含尘量大、不易着火、燃烧不稳定、热值低,一般为3 000~3 800 kJ/m3,产出波动大,尤其是高炉休风或发生待料的时候。高炉煤气的主要用户是高炉热风炉、焦炉、电站锅炉以及燃用高焦混合煤气的轧钢加热炉等。由于高炉煤气的热值较低,一般企业在煤气平衡不好时首先选择放散高炉煤气,因此高炉煤气放散率一般作为衡量一个企业煤气平衡措施和水平的标志

高炉煤气利用的发展概况[2]

  高炉煤气锅炉的发展随着锅炉燃烧技术的发展经历了链条锅炉掺烧高炉煤气、煤粉锅炉掺烧高炉煤气、焦炉煤气高炉煤气混烧锅炉、纯烧高炉煤气锅炉、燃气蒸汽联合循环等阶段。

  1.链条锅炉掺烧高炉煤气锅炉

  在高炉容量较小的早期,为摸索燃烧高炉煤气的技术,在原有的链条锅炉中设计改装上预混式燃烧器,就可烧高炉煤气。

  采用这种方法简单方便,但在运行时,链条也要运行,煤仍然要给人,链条上有一层红热的煤渣层,此渣层对对进入的混合气体有加热作用,对煤气的燃烧有帮助作用。

  这种锅炉因炉排还要运行而不能全烧高炉煤气,过热器一般为了保证在没有高炉煤气时的运行按全烧煤设计,也会因掺烧高炉煤气烟气量大而超温,同时受链条锅炉容量的限制,单台锅炉消耗高炉煤气的量不大,要消耗大量的煤气就要很多台锅炉,这样运行管理也不便,只在一些年产量低于50万t的小型钢厂采用这种炉型。

  2.煤粉锅炉掺烧高炉煤气

  煤粉锅炉的燃烧为悬浮燃烧,这种燃烧方式与高炉煤气的燃烧很相似,只要在煤粉燃烧器的下部装设煤气燃烧器即可成为掺烧高炉煤气锅炉。这种锅炉的本体结构与煤粉锅炉相比变化不大,但锅炉的额定工况设计还是要以烧煤为主,否则就不能保证锅炉在锅炉启动时因此时没有高炉煤气的过热蒸汽参数的正常。同时要配备2套燃料制备输送系统,工程造价很高。

  由于高炉煤气燃烧速度要大大快于煤粉的双相燃烧速度,燃尽时间短于煤粉的燃尽时间,在燃烧时就要做到高炉煤气与空气的混合比例最佳,在煤粉燃烧器的下部就有足够的氧气,使高炉煤气在此区段内就获得足够的氧气,否则高炉煤气燃烧时会与煤粉争夺氧气,使煤粉燃烧区域缺氧,煤粉燃烧不完全,锅炉效率大大降低。

  高炉煤气的燃烧为扩散燃烧,要做到煤气与煤粉不争氧,工程上往往较难。此种锅炉在各钢厂使用较少,一般用在新建钢厂且无其他气源又要使用汽轮鼓风机(一种给高炉送风的由汽轮机带动的高压头大型风机)的项目中。

  3.焦炉煤气掺烧高炉煤气锅炉

  低热值煤气,其完全燃烧的条件高,完全燃烧放出的热量也不高,燃烧就不完全、燃烧不安全,人为提高其热值就可以使其燃烧放出的热量多,燃烧温度高,燃烧完全且安全。

  一般钢铁厂也有焦炉,有一定量的焦炉煤气,但焦炉煤气是城市管道煤气的主要气源,在钢厂的各工段,如炼钢、轧钢、烧结也在用此气体,能给锅炉使用的量少,这也给锅炉的安全稳定运行也带来严重的威胁。同时焦炉煤气的价值高,用于动力锅炉其经济性也不好,这种锅炉也较少。

  4.纯烧高炉煤气锅炉

  随着各钢铁企业对高炉煤气的综合利用较为重视,对高炉煤气的燃烧特性认识更加透彻及技术的进步,纯烧高炉煤气的锅炉也进一步开发成功,它的成功运行,减少了烧高炉煤气时对其他燃料的依赖,同时又减化了锅炉的辅助系统,减少了系统投资,做到了投资的最佳化。

  5.燃气轮机联合循环

  过去由于燃气轮机的功率远远小于蒸汽轮机,可靠性也不够高,但是,20世纪80年代以来,燃气轮机技术得到迅速发展,单机功率已达200 MW,单机供电效率达40%左右,因为燃气轮机的排气温度高、流量大,排气的能量还很高,尾部配有余热锅炉,产生高温高压蒸汽到汽轮机做功,提高了能量的转化效率,一般燃气轮机使用的燃料为天然气或液体燃料,近年来开发了使用高炉煤气掺烧焦炉煤气的燃气轮机,把燃气轮机的使用领域扩大到钢铁行业;目前燃气一蒸汽联合循环有3种基本方案,即:不补燃的余热锅炉型方案、有补燃的余热锅炉型方案和增压锅炉型方案。

提高高炉煤气利用的措施[3]

  低热值高炉煤气的特点是可燃成分低,燃烧不稳定,燃烧温度低,烟气量大。火焰稳定直接关系到燃烧的安全性,对低热值煤气一般都采用稳定强化燃烧的措施,如富化高炉煤气或采用换热器对高炉煤气和助燃空气双预热等。

  1.富化高炉煤气

  炼铁过程中产生的大量高炉煤气也作为高炉热风炉的燃料使用,_般占到煤气产量的40%左右。然而,随着高炉入炉焦比的降低,高炉煤气的热值已降到3 300 kJ/m^3以下,显然,如果不采取其它附加措施,用此高炉煤气获得高风温是不大可能的。为了获得高风温,国内外基本上采用富化高炉煤气的办法,即掺烧一部分高热值煤气(如焦炉煤气、转炉煤气等)以获得高风温。宝钢2#高炉掺烧转炉煤气、鞍钢部分高炉掺烧焦炉煤气均以获得高风温来满足生产

  2.采取双预热,提高高炉煤气利用率

  在高炉煤气不被预热的条件下,很难满足工业加热要求,因而大量的高炉煤气因无法使用被放散。如果对这些低热值煤气及其助燃空气进行预热,完全可以满足工业加热的高温要求,这不仅可以节约大量的燃料,而且可以减少对大气环境的污染,扩大了低热值煤气的应用范围。

  耗能设备(如加热炉、热处理炉等)的燃料利用系数指的是遗留于炉内的热量(有效热与炉子热损失的和)与供给炉子的燃料燃烧热量之比,或在热工设备中,物料得到的有效能和设备的热损失之和与燃料的燃烧热之比叫做燃料的利用系数。

  即η燃=(Q有+Q失)/Q燃

  式中:Q有——炉子的有效热

  Q失——炉子的热损失

  Q燃——供给炉子的燃烧热

  由η燃的定义式可见,炉子的燃料利用系数仅取决于燃料的性质和燃烧条件(空气}肖耗系数)。根据炉子热平衡关系式

  Q有+Q失=Q燃-Qw

  Qw=B×Vn×Cw×tw

  Q燃=B××QD

  式中:Qw——废气带走的热量,GJ或kJ

  B——燃料量,m3/h或m3/kg

  Cw——燃烧产物的定压热容,kJ/(m3·℃)

  QD——燃料的低发热值,kJ/m3或kJ/kg

  上式可写为:

  η燃=\times{Q_D-V_nC_wt_w}{Q_D}

  如果燃料和空气预热,则有

  η燃=\times{Q_D+Q_a+Q_f-V_nC_wt_w}{Q_D}

  Qa = LnCata

  Qf=C燃×t燃

  式中:Ln——预热空气量,m3/h

  Ca——预热空气t时的比热容,kJ/(m^3·℃)

  ta——空气预热温度,℃

  C燃——预热燃料比热容,kJ/(m3·℃)

  即最终燃料的利用系数可表达为:

η燃=

QD+Q空-VnCwtwQD
分母


  式中:Q空——预热助燃空气和燃料带入的物理热,

  Q空=Qa + Qf

  Vn——燃烧废气的体积

  tw——废气的温度,℃

  Cw——燃烧废气的比热容,kJ/(m3·℃)

  可见,燃料和空气预热,能够提高燃料利用系数,如果回收利用高温烟气进行空气和高炉煤气预热,则可提高高炉煤气的利用系数,使低热值高炉煤气得到更为广泛的应用。

参考文献

  1. 1.0 1.1 能源统计知识手册.国家统计局工交司编,2006年8月
  2. 2.0 2.1 余期升.高炉煤气的综合利用与趋向[J].能源研究与管理,2013(2)
  3. 3.0 3.1 张琦,蔡九菊,吴复忠,庞兴露,葛红.高炉煤气在冶金工业的应用研究[J].工业炉,2007(1)
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