钢铁冶金过程中高炉煤气CO和O2在线监测

hb大仁

我国是钢铁生产大国，近年来生铁产量呈逐年上升趋势。目前, 钢铁工业总能耗已占全国工业总能耗的15%左右, 而钢铁企业生产过程中的能源有效率仅为30%左右。在钢铁联合企业，高炉炼铁又是能耗最高的环节。钢铁工业的节能主要包括减少浪费和增加回收两个方面，其中大力回收生产过程中产生的二次能源（例如副产煤气等）是一个非常重要的途径。钢铁生产过程中的副产煤气资源包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。其中高炉煤气排放量约占64 %, 焦炉气约占29 % , 转炉气约占7 %, 因此高炉煤气的有效利用是钢厂节能降耗的重中之重。

高炉煤气是高炉炼铁过程中的副产煤气，是一种无色、无味、有毒的低热值气体燃料。主要成分为CO、CO2、N2 、H2O、及少量H2，各成分的含量与高炉所用燃料、生铁品种和冶炼工艺密切相关，其常见的组成如表1所示。

其中最具有二次利用价值的CO含量仅为25-30%，而惰性组分CO2和N2约占70%，使得高炉煤气的热值很低，一般仅为730-800×4.18 KJ/Nm3左右，而燃料热值只有达到2200×4.18KJ／Nm3左右，才能满足工业炉理论燃烧温度的要求。

目前，高炉煤气的利用并不充分，大部分冶金工厂高热值煤气紧缺，而高炉煤气富余，存在不同程度的高炉煤气放散现象，达不到煤气111的有效利用。很多钢铁联合企业一方面在放散高炉煤气，一方面又要购入重油、天然气或者烧自产焦油等作为能源补充。高炉自身热风炉会用掉40 %～50% 的高炉煤气, 其余大部分如果放散到大气中，将会造成环境的污染和能源的浪费。国家计委、经贸委、科委颁发的《中国节能技术大纲》中要求, 冶金重点企业高炉煤气排放损失率应为4 %以下。

因高炉煤气中含CO量在30%以下，造成燃烧速度低、火焰长，因此高炉煤气的理论燃烧温度为1400~1500℃。高炉煤气中有大量N2和CO2，其主要可燃的成份为CO、H2和CH4（含量很少），故其发热值较低。一般冶炼制钢铁时，发热值为2850kJ/m³~3220kJ/m³；冶炼铸造铁时，发热值为3550kJ/m³~4200kJ/m³。
在钢铁工业用能结构中，煤炭约占70%左右，在煤炭的热能转换中有65.88%是以焦炭和煤粉形式参与冶炼生产的，另有34.12%的热能是以可燃气体（包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气）形式出现。可燃气体的热能数值大，合理、科学、充分地利用对钢铁工业节能工作具有积极的作用。与转炉煤气、焦炉煤气相比，高炉煤气热值低，应用范围小，许多钢铁厂还没有充分利用，甚至大量放散，既浪费了能源，又污染了环境。为了充分利用富余的高炉煤气，一般情况是在燃煤动力锅炉中掺烧一部分或供小型混合煤气锅炉混烧，回收量都不是很大。对其进行综合利用，将成为一个重要发展趋势。下面介绍几种常见且实用的高炉煤气利用技术。
　　1、高炉热风炉
高炉热风炉是目前单一使用高炉煤气应用最广泛的工业炉，高炉热风炉凭借炉内耐火砖砌体热容量大所形成的高温环境，使单一高炉煤气能够稳定燃烧。如要获得更高的热风温度，需将高炉煤气和助燃空气预热后送入热风炉燃烧。

　　2、蓄热式轧钢加热炉
蓄热式轧钢加热炉高温空气燃烧技术(HTAC)是将高炉煤气与助燃空气双预热到1000℃以上，使单一高炉煤气的理论燃烧温度达到2200℃以上。高炉煤气与助燃空气的预热是通过蓄热室得到的，与传统蓄热燃烧的区别在于蓄热材料耐高温、耐急冷急热，以获得高温；蓄热体比表面积大，换向周期短至不到1分钟，使蓄热体小型化；排烟温度低于150℃。蓄热室轧钢加热炉效率比常规加热炉提高30%以上，炉内呈贫氧燃烧气氛，钢坯氧化烧损少，有利于提高成材率，燃烧产物中NOx含量低，自动化程度高。
　　3、复热式炼焦炉
复热式炼焦炉直接使用高炉煤气为燃料，将高炉煤气和助燃空气通过蓄热室的格子砖预热到1000℃左右，然后进入燃烧室立火道燃烧，可使炭化室炉墙加热到1100℃以上。
　　4、与高热值气体掺混为混合燃气
高炉煤气可与焦炉煤气、天然气、液化石油气等混合为混合煤气，作为均热炉、加热炉、热处理炉等的燃料，并可由于烧结机点火，也可用于加热热轧的钢锭、预热钢水包等。高炉煤气与高热值气体掺烧是目前钢厂高炉煤气利用技术中除热风炉以外另一种重要的利用方法。
　　5、高炉炉顶煤气差压发电技术
高炉炉顶煤气压力在大于0.08MPa时，采用压差发电技术(TRT)是可行的。由于压力在0.08MPa时，所发出的电量与设备自身消耗电量相等，故要求煤气压力要大于0.08MPa时才有收益。煤气压力越高，效益越大。因此建议炉顶煤气压力大于0.15MPa的高炉应当积极采用煤气压差发电技术。采用TRT装置，吨铁发电量在20~40kWh。如采取干法煤气除尘技术，可使发电量增加30%左右。总体上讲，TRT装置可回收高炉鼓风机所需能量的30%，经济效益可观，是炼铁工序重大节能项目。
　　6、高炉煤气燃气-蒸汽联合循环发电技术
采用高炉煤气燃气-蒸汽联合循环发电技术(CCPP)，是目前国际上公认的最有价值的二次能源利用技术。CCPP技术气电转化率高，约在40%~50%（不对外供热时），比常规锅炉蒸汽发电多70%～90%，节水约1/3；但对煤气质量要求高（如热值、压力、煤气量要稳定、含尘量小等）。
CCPP一般由高炉煤气供给系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统和发电机组系统组成。其工艺流程为：高炉煤气经除尘加压后进入燃气轮机燃烧器燃烧，而后进入燃气轮机启动涡轮机做功从而带动发电机发电。做完功后的烟气(温度约540℃，压力约5kPa~6kPa)进入余热锅炉生产中压或次高压蒸汽(通常参数为3.82MPa~5.9MPa，450~550℃)，并使蒸汽在汽轮机中继续作功发电，其抽汽或背压排汽用于供热和制冷。CCPP排烟中的CO2排放比常规火力电厂减少45%～50%，没有飞灰和灰渣排放，SO2、NOx排放都很低。

总之，高炉煤气燃气-蒸汽联合循环发电技术在高效、节能、环保方面均具有较大的优势，而且从发展眼光看，其具有广阔的发展前景。近年已开始被国内许多钢铁企业推广使用。
　7、高炉煤气CO提纯技术
高炉煤气CO提纯技术是采用变压吸附的方式将高炉煤气中的主要可燃气体CO进行提纯，根据需要得到40%~99%的CO产品气，该产品气可作为高热值燃烧气体，还原性气体，或者也可用于化工生产等。非常适用于高炉气存在放散情况的钢铁企业，也适合天然气、液化气等资源紧张地区的钢铁企业，可以帮助企业回收高炉煤气中的有效成分，实现节能减排，低碳炼铁。

除了将高炉煤气与转炉煤气、焦炉煤气或其他高热值燃气按不同比例进行混合使用，提高其热值，以满足钢铁工业各种炉窑温度、洁净度、燃烧速度、燃烧形态等方面的要求外。蓄热式燃烧技术的推广，提高了高炉煤气的使用范围，可替代出部分焦炉煤气，使高炉煤气得到了更高效利用。高炉煤气用于发电是近年增长最快利用途径，钢铁企业应充分回收和高效利用高炉煤气，从而实现高炉煤气的零排放，向企业少购电或不外购电方向发展。高炉气中的CO也可以提取出来，用作碳一化工的原料，合成许多重要的化工产品，也是是潜力很大的一个高炉煤气综合利用方向。

钢铁冶金过程中烟气在线监测的必要性

有利于资源再利用，降低企业成本

一般来说，每生产1t粗钢约需2.1×107kJ的能量，约能产生4.2×106kJ的高炉煤气、4.2×106kJ的焦炉煤气及1.0×104kJ的转炉煤气，副产煤气约占钢铁企业能源总收入的30%-40%。因此，实现副产煤气的回收再利用可以降低钢铁冶金产业的成本，实现资源的有效利用。而煤气是否有回收的价值，取决于煤气中CO等能源气体的浓度，CO和O2在线监测系统是测量气体浓度的关键。

保证生产行为的安全性

高炉和焦炉煤气中的CO浓度较高，它在空气中的混合爆炸极限为12.5%～74%，只要浓度达到爆炸极限，遇到明火极容易发生爆炸。一氧化碳的危害性和爆炸可能性均与其浓度相关，因此必须采用的技术对煤气中的CO和O2进行实时监测。

环境保护的需要

目前我国现有20余家年产钢量400-2000万吨的钢铁联合企业，其中相当一部分企业高炉煤气排放量为10-30万m3/H。按照这样的排放量来推理可知冶金企业可以严重影响周围数公里的空气质量，造成大气污染。严重的空气污染不仅危害着周围居民的身体健康，同时恶化了生态环境。总之冶金企业周边环境的质量的优劣与其排放的CO的浓度关系密切。

高炉煤气中的CO和O2进行实时监测,工采网技术工程师推荐使用一氧化碳传感器（抗烟气，带过滤，CO传感器） - CO-CF 和氧气传感器KE-25F3：

一氧化碳传感器CO-CF主要特性
灵敏度：55～90nA/ppm
响应时间：< 30s
量程：5000ppm
过载：10000ppm
分辨率：0.5ppm
尺寸：Φ20.2*23
使用寿命：2年
存储周期：6个月
工作温度：-30～50℃
工作湿度：15～90％RH
负载电阻：10～47Ω

KE-25F3的基本参数：
预期寿命：5年
精度： ±1%（满量程）
温度范围：5-40℃
相对湿度：10-90%RH（无凝结）
气压范围：811hPa-1216hPa
输出特性：mV级线性电压
KE-25F3的优势:
寿命长，几乎不受CO2、CO、H2S、NOx、H2的影响
成本低，无需预热、零功耗无需外部电源，长期输出稳定

总结

高炉煤气中含有丰富的CO气体，具有很高的利用价值。提纯高炉煤气中CO气体，将高炉气中CO组分含量从22%（热值731Kcal/Nm3）提纯到70%（热值2200Kcal/Nm3），作为燃料气用于钢管加工，在节能降耗方面有着重要意义。另外，利用该项技术还能将高炉煤气中的CO提浓至98.5%以上，从而用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等，这不但实现了钢铁和化工两个行业的资源整合，具有良好的经济效益，还有助于降低钢铁和化工企业整体的一次能源使用量，从而降低二氧化碳排放量，促进产业耦合，推动行业实现绿色、低碳、可持续发展。