利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣的可行性研究

摘 要

摘要：對不同比例下氮氣和焦?fàn)t煤氣混合后的燃燒特性進行分析，根據(jù)燃?xì)饣Q性的判定方法，當(dāng)焦?fàn)t煤氣在焦氮混合氣的含量在37%～38%時，其混合氣能夠替代人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣穩(wěn)定燃燒。在
摘要：對不同比例下氮氣和焦?fàn)t煤氣混合后的燃燒特性進行分析，根據(jù)燃?xì)饣Q性的判定方法，當(dāng)焦?fàn)t煤氣在焦氮混合氣的含量在37%～38%時，其混合氣能夠替代人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣穩(wěn)定燃燒。在實際生產(chǎn)過程中，通過現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐煤氣柜及混合站等措施，能夠?qū)崿F(xiàn)焦?fàn)t煤氣和氮氣的均勻、穩(wěn)定的混合，說明利用氮氣替代高爐煤氣進行人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣是可行的，從而達到增加人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣氣源種類的目的。
關(guān)鍵詞：煤氣；氮氣；替代；互換性
A Study on the Substitute Nitrogen for Blast Furnace Gas to Synthesize Convert Gas
Shougang Jingtang Iron and Steel United Co.，Ltd.Jia Qiong，Wu Gang，Zhai Guangyong
Abstract：The combustion characteristics were studied for the mixture of nitrogen and coke oven gas under various proportions.According to A.G.A.Bulletin #36 interchangeability method，as the content of coke oven gas is between 37% to 38%，the mixture gas can be well burned.With the employment of gas tanks and mix equipments，the mixed gas of coke oven gas and nitrogen can be obtained in practice.
Keywords：Gas；Nitrogen；Substitute；Interchangeability
1 背景
    煉鋼過程中轉(zhuǎn)爐煤氣的回收是間斷性的，而采用轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料的工業(yè)爐窯的生產(chǎn)過程往往是連續(xù)的，為保證轉(zhuǎn)爐煤氣出現(xiàn)階段性缺口時爐窯能夠連續(xù)生產(chǎn)，鋼鐵企業(yè)一般設(shè)有高、焦?fàn)t煤氣混合站，通過調(diào)節(jié)高、焦兩種煤氣的混合比例人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣，供給用戶使用[1]。采用純轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料的爐窯燒嘴一般以轉(zhuǎn)爐煤氣作為設(shè)計氣源，以高焦合成轉(zhuǎn)氣作為校核氣源，從而達到適應(yīng)兩種氣源穩(wěn)定燃燒的目的。
    高、焦?fàn)t煤氣的發(fā)生較為穩(wěn)定，但高爐出現(xiàn)事故休風(fēng)或因其他高爐煤氣剛性用戶短期內(nèi)無法退出高爐煤氣時，可能會出現(xiàn)階段性高爐煤氣不足的情況。當(dāng)上述情況出現(xiàn)時，可以考慮利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣進行合成，達到轉(zhuǎn)爐煤氣的主要燃燒參數(shù)，供給純轉(zhuǎn)爐煤氣用戶使用，以保證這些用戶的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。當(dāng)采用氮氣與焦?fàn)t煤氣混合后，混合氣體的成分與純轉(zhuǎn)爐煤氣及高焦合成轉(zhuǎn)爐煤氣均有不同，需要對其燃燒特性進行分析。由于氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合后，其成分更接近高焦合成轉(zhuǎn)爐煤氣，而高焦合成轉(zhuǎn)爐煤氣作為純轉(zhuǎn)爐煤氣用戶的校核氣源能夠穩(wěn)定燃燒，因此本文主要通過對焦氮混合氣和高焦合成轉(zhuǎn)爐氣的燃燒性能進行對比分析，來研究利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣的可行性，達到增加人工合成轉(zhuǎn)爐煤氣氣源種類的目的。
2 可行性分析
2.1 煤氣成分
    各種煤氣及氮氣的成分見表1，其中高焦合成轉(zhuǎn)氣是高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣以一定比例合成，合成后的煤氣熱值與轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值保持相等。從表1中可以看出，轉(zhuǎn)爐煤氣的主要可燃成分是一氧化碳，而高焦合成轉(zhuǎn)氣的主要可燃成分為氫氣、甲烷和一氧化碳，不可燃成分中，二氧化碳的比例基本相當(dāng)，高焦合成轉(zhuǎn)氣中氮氣的比例明顯大于轉(zhuǎn)爐煤氣。而當(dāng)使用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)氣后，合成轉(zhuǎn)氣中氮氣的比例將更高。

2.2 理論分析
    當(dāng)焦?fàn)t煤氣和氮氣以不同比例合成后，混合氣體熱值和華白指數(shù)的變化情況如圖1所示。隨著焦?fàn)t煤氣在焦氮混合氣中含量的不斷增加，混合氣體的熱值和華白指數(shù)均呈增加的趨勢，但由于焦?fàn)t煤氣的相對密度較低，其華白指數(shù)的增加速度明顯高于熱值。當(dāng)焦?fàn)t煤氣在混合氣體中的含量達到43%時，焦氮混合氣的熱值與高焦合成轉(zhuǎn)氣的熱值相等，但其華白指數(shù)比高焦合成轉(zhuǎn)氣提高約10%，而當(dāng)焦氮混合氣的華白指數(shù)與高焦合成轉(zhuǎn)氣相同時，焦?fàn)t煤氣在混合氣中的含量約為39%，焦氮混合氣的熱值僅為高焦合成轉(zhuǎn)氣熱值的93%。因此，能否利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣，需要對混合氣的燃燒性能進行深入分析。
 

    根據(jù)美國燃?xì)鈪f(xié)會A.G.A.36#公告中公布的關(guān)于燃?xì)饣Q性預(yù)測的方法[2～4]，利用“I”指數(shù)法，對焦氮混合氣替代高焦合成轉(zhuǎn)氣時的脫火指數(shù)、回火指數(shù)和黃焰指數(shù)進行了計算，其結(jié)果如圖2所示。
 

    根據(jù)A·G·A.36#公告，當(dāng)脫火指數(shù)≤1.1、回火指數(shù)≤1.2且黃焰指數(shù)≥0.86時，可以判定兩種燃?xì)饪梢詫崿F(xiàn)互換。結(jié)果表明，在圖2所示的混合比例范圍內(nèi)，焦氮混合氣替代高焦合成轉(zhuǎn)爐氣時，均不會發(fā)生回火現(xiàn)象，降低焦?fàn)t煤氣的比例，可能會發(fā)生脫火現(xiàn)象，提高焦?fàn)t煤氣的比例，可能會出現(xiàn)黃焰，當(dāng)焦?fàn)t煤氣在焦氮混合氣的含量在37%～38%時，其脫火指數(shù)、回火指數(shù)和黃焰指數(shù)均能達到上述要求，即能夠利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣，此時用戶在使用上述混合氣時能夠穩(wěn)定燃燒。此時焦氮混合氣的華白指數(shù)與高焦合成轉(zhuǎn)氣基本相當(dāng)，而其熱值約為高焦合成轉(zhuǎn)氣的86%～88%。
    在實際應(yīng)用中，當(dāng)利用氮氣替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣時，由于其能夠互換的范圍較小，難于實現(xiàn)各參數(shù)的精確控制，為保證安全及穩(wěn)定運行，可適當(dāng)提高焦?fàn)t煤氣在混合氣中的比例，以保證不致形成脫火現(xiàn)象。
3 實施方案
3.1 工藝流程
    某鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示，來自煉鋼轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)爐煤氣，通過管網(wǎng)回收儲存到轉(zhuǎn)爐煤氣柜中，再通過加壓機升壓后供給各煤氣用戶使用。高、焦?fàn)t煤氣混合站的出口設(shè)置在轉(zhuǎn)爐煤氣柜之前，并與煤氣柜入口管相連，加壓站大回流也與煤氣柜入口管相連，使加壓機出口的富裕煤氣返回至轉(zhuǎn)爐煤氣柜中。氮氣來自綜合管網(wǎng)，正常情況下用于轉(zhuǎn)爐煤氣柜本體的置換，與轉(zhuǎn)爐煤氣柜本體相連。
 

3.2 實施方法
    為保證焦?fàn)t煤氣和氮氣的均勻混合，最好采用離線混合的方法。首先停止用戶的使用和加壓機的運行，關(guān)閉合成轉(zhuǎn)爐煤氣混合站高爐煤氣支路，然后打開合成轉(zhuǎn)爐煤氣混合站焦?fàn)t煤氣支路和氮氣，按照預(yù)先設(shè)定的比例調(diào)節(jié)好焦?fàn)t煤氣和氮氣的流量，將焦?fàn)t煤氣和氮氣送入轉(zhuǎn)爐煤氣柜中。若焦?fàn)t煤氣或氮氣無流量顯示儀表，可分別向轉(zhuǎn)爐煤氣柜中送氣，并以柜容指示儀計算分別送入煤氣柜中焦?fàn)t煤氣和氮氣的總量。當(dāng)向煤氣柜中送入適量的混合氣后，停止焦?fàn)t煤氣和氮氣，啟動轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機，控制好加壓機的負(fù)荷，使加壓機送出的煤氣全部通過大回流管道返回轉(zhuǎn)爐煤氣柜中，以達到使焦?fàn)t煤氣和氮氣充分混合均勻的目的。
    加壓機停止運行后，分別在轉(zhuǎn)氣柜進口、出口和加壓機三處對混合氣進行取樣分析，將分析結(jié)果與預(yù)測結(jié)果進行對比。若達到預(yù)期的效果，即可通過加壓站供給用戶使用，否則可根據(jù)混合氣體的成分，再混入適量的焦?fàn)t煤氣或氮氣，直至滿足要求為止。
4 主要結(jié)論
    通過上述分析，可以得到如下結(jié)淪：
    (1) 利用氮氣可以替代高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣合成轉(zhuǎn)爐煤氣，當(dāng)焦?fàn)t煤氣在焦氮混合氣中的比例達到37%～38%時，焦氮混合氣與高焦合成轉(zhuǎn)氣互換后其燃燒性能達到最佳，降低焦?fàn)t煤氣的比例，可能會引起脫火，提高焦?fàn)t煤氣的比例，可能會產(chǎn)生黃焰。
    (2) 利用轉(zhuǎn)爐煤氣柜、煤氣加壓站、合成轉(zhuǎn)氣混合站等設(shè)施，在實際生產(chǎn)過程中町以實現(xiàn)焦?fàn)t煤氣和氮氣之間的定量、均勻混合，合成后的混合氣可以通過加壓站供給用戶使用。
參考文獻
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2 姜正侯.燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊[M].同濟大學(xué)出版社，1993:5:1022-1024
3 李猷嘉.預(yù)測燃?xì)饣Q性的各種方法論述.城市燃?xì)猓?010:1:3-16
4 李猷嘉.預(yù)測燃?xì)饣Q性的各種方法論述（續(xù)）.城市燃?xì)猓?010:2：3-8
 
(本文作者：賈瓊 吳剛 翟廣永 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部 063000)