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鋼鐵冶金過程中高爐煤氣CO和O2在線監測

鋼鐵冶金過程中高爐煤氣CO和O2在線監測

我國是鋼鐵生產大國,近年來生鐵產量呈逐年上升趨勢。目前, 鋼鐵工業總能耗已占全國工業總能耗的15%左右, 而鋼鐵企業生產過程中的能源有效率僅為30%左右。在鋼鐵聯合企業,高爐煉鐵又是能耗最高的環節。鋼鐵工業的節能主要包括減少浪費和增加回收兩個方面,其中大力回收生產過程中產生的二次能源(例如副產煤氣等)是一個非常重要的途徑。鋼鐵生產過程中的副產煤氣資源包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣。其中高爐煤氣排放量約占64 %, 焦爐氣約占29 % , 轉爐氣約占7 %, 因此高爐煤氣的有效利用是鋼廠節能降耗的重中之重。
高爐煤氣是高爐煉鐵過程中的副產煤氣,是一種無色、無味、有毒的低熱值氣體燃料。主要成分為CO、CO2、N2 、H2O、及少量H2,各成分的含量與高爐所用燃料、生鐵品種和冶煉工藝密切相關,其常見的組成如表1所示。

其中最具有二次利用價值的CO含量僅為25-30%,而惰性組分CO2和N2約占70%,使得高爐煤氣的熱值很低,一般僅為730-800×4.18 KJ/Nm3左右,而燃料熱值只有達到2200×4.18KJ/Nm3左右,才能滿足工業爐理論燃燒溫度的要求。
目前,高爐煤氣的利用并不充分,大部分冶金工廠高熱值煤氣緊缺,而高爐煤氣富余,存在不同程度的高爐煤氣放散現象,達不到煤氣111的有效利用。很多鋼鐵聯合企業一方面在放散高爐煤氣,一方面又要購入重油、天然氣或者燒自產焦油等作為能源補充。高爐自身熱風爐會用掉40 %~50% 的高爐煤氣, 其余大部分如果放散到大氣中,將會造成環境的污染和能源的浪費。國家計委、經貿委、科委頒發的《中國節能技術大綱》中要求, 冶金重點企業高爐煤氣排放損失率應為4 %以下。
因高爐煤氣中含CO量在30%以下,造成燃燒速度低、火焰長,因此高爐煤氣的理論燃燒溫度為1400~1500℃。高爐煤氣中有大量N2和CO2,其主要可燃的成份為CO、H2和CH4(含量很少),故其發熱值較低。一般冶煉制鋼鐵時,發熱值為2850kJ/m3~3220kJ/m3;冶煉鑄造鐵時,發熱值為3550kJ/m3~4200kJ/m3。
在鋼鐵工業用能結構中,煤炭約占70%左右,在煤炭的熱能轉換中有65.88%是以焦炭和煤粉形式參與冶煉生產的,另有34.12%的熱能是以可燃氣體(包括高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣)形式出現。可燃氣體的熱能數值大,合理、科學、充分地利用對鋼鐵工業節能工作具有積極的作用。與轉爐煤氣、焦爐煤氣相比,高爐煤氣熱值低,應用范圍小,許多鋼鐵廠還沒有充分利用,甚至大量放散,既浪費了能源,又污染了環境。為了充分利用富余的高爐煤氣,一般情況是在燃煤動力鍋爐中摻燒一部分或供小型混合煤氣鍋爐混燒,回收量都不是很大。對其進行綜合利用,將成為一個重要發展趨勢。下面介紹幾種常見且實用的高爐煤氣利用技術。
  1、高爐熱風爐
高爐熱風爐是目前單一使用高爐煤氣應用最廣泛的工業爐,高爐熱風爐憑借爐內耐火磚砌體熱容量大所形成的高溫環境,使單一高爐煤氣能夠穩定燃燒。如要獲得更高的熱風溫度,需將高爐煤氣和助燃空氣預熱后送入熱風爐燃燒。

  2、蓄熱式軋鋼加熱爐
蓄熱式軋鋼加熱爐高溫空氣燃燒技術(HTAC)是將高爐煤氣與助燃空氣雙預熱到1000℃以上,使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達到2200℃以上。高爐煤氣與助燃空氣的預熱是通過蓄熱室得到的,與傳統蓄熱燃燒的區別在于蓄熱材料耐高溫、耐急冷急熱,以獲得高溫;蓄熱體比表面積大,換向周期短至不到1分鐘,使蓄熱體小型化;排煙溫度低于150℃。蓄熱室軋鋼加熱爐效率比常規加熱爐提高30%以上,爐內呈貧氧燃燒氣氛,鋼坯氧化燒損少,有利于提高成材率,燃燒產物中NOx含量低,自動化程度高。
  3、復熱式煉焦爐
復熱式煉焦爐直接使用高爐煤氣為燃料,將高爐煤氣和助燃空氣通過蓄熱室的格子磚預熱到1000℃左右,然后進入燃燒室立火道燃燒,可使炭化室爐墻加熱到1100℃以上。
  4、與高熱值氣體摻混為混合燃氣
高爐煤氣可與焦爐煤氣、天然氣、液化石油氣等混合為混合煤氣,作為均熱爐、加熱爐、熱處理爐等的燃料,并可由于燒結機點火,也可用于加熱熱軋的鋼錠、預熱鋼水包等。高爐煤氣與高熱值氣體摻燒是目前鋼廠高爐煤氣利用技術中除熱風爐以外另一種重要的利用方法。
  5、高爐爐頂煤氣差壓發電技術
高爐爐頂煤氣壓力在大于0.08MPa時,采用壓差發電技術(TRT)是可行的。由于壓力在0.08MPa時,所發出的電量與設備自身消耗電量相等,故要求煤氣壓力要大于0.08MPa時才有收益。煤氣壓力越高,效益越大。因此建議爐頂煤氣壓力大于0.15MPa的高爐應當積極采用煤氣壓差發電技術。采用TRT裝置,噸鐵發電量在20~40kWh。如采取干法煤氣除塵技術,可使發電量增加30%左右。總體上講,TRT裝置可回收高爐鼓風機所需能量的30%,經濟效益可觀,是煉鐵工序重大節能項目。
  6、高爐煤氣燃氣-蒸汽聯合循環發電技術
采用高爐煤氣燃氣-蒸汽聯合循環發電技術(CCPP),是目前國際上公認的最有價值的二次能源利用技術。CCPP技術氣電轉化率高,約在40%~50%(不對外供熱時),比常規鍋爐蒸汽發電多70%~90%,節水約1/3;但對煤氣質量要求高(如熱值、壓力、煤氣量要穩定、含塵量小等)。
CCPP一般由高爐煤氣供給系統、燃氣輪機系統、余熱鍋爐系統、蒸汽輪機系統和發電機組系統組成。其工藝流程為:高爐煤氣經除塵加壓后進入燃氣輪機燃燒器燃燒,而后進入燃氣輪機啟動渦輪機做功從而帶動發電機發電。做完功后的煙氣(溫度約540℃,壓力約5kPa~6kPa)進入余熱鍋爐生產中壓或次高壓蒸汽(通常參數為3.82MPa~5.9MPa,450~550℃),并使蒸汽在汽輪機中繼續作功發電,其抽汽或背壓排汽用于供熱和制冷。CCPP排煙中的CO2排放比常規火力電廠減少45%~50%,沒有飛灰和灰渣排放,SO2、NOx排放都很低。

總之,高爐煤氣燃氣-蒸汽聯合循環發電技術在高效、節能、環保方面均具有較大的優勢,而且從發展眼光看,其具有廣闊的發展前景。近年已開始被國內許多鋼鐵企業推廣使用。
 7、高爐煤氣CO提純技術
高爐煤氣CO提純技術是采用變壓吸附的方式將高爐煤氣中的主要可燃氣體CO進行提純,根據需要得到40%~99%的CO產品氣,該產品氣可作為高熱值燃燒氣體,還原性氣體,或者也可用于化工生產等。非常適用于高爐氣存在放散情況的鋼鐵企業,也適合天然氣、液化氣等資源緊張地區的鋼鐵企業,可以幫助企業回收高爐煤氣中的有效成分,實現節能減排,低碳煉鐵。
除了將高爐煤氣與轉爐煤氣、焦爐煤氣或其他高熱值燃氣按不同比例進行混合使用,提高其熱值,以滿足鋼鐵工業各種爐窯溫度、潔凈度、燃燒速度、燃燒形態等方面的要求外。蓄熱式燃燒技術的推廣,提高了高爐煤氣的使用范圍,可替代出部分焦爐煤氣,使高爐煤氣得到了更高效利用。高爐煤氣用于發電是近年增長最快利用途徑,鋼鐵企業應充分回收和高效利用高爐煤氣,從而實現高爐煤氣的零排放,向企業少購電或不外購電方向發展。高爐氣中的CO也可以提取出來,用作碳一化工的原料,合成許多重要的化工產品,也是是潛力很大的一個高爐煤氣綜合利用方向。
鋼鐵冶金過程中煙氣在線監測的必要性有利于資源再利用,降低企業成本
一般來說,每生產1t粗鋼約需2.1×107kJ的能量,約能產生4.2×106kJ的高爐煤氣、4.2×106kJ的焦爐煤氣及1.0×104kJ的轉爐煤氣,副產煤氣約占鋼鐵企業能源總收入的30%-40%。因此,實現副產煤氣的回收再利用可以降低鋼鐵冶金產業的成本,實現資源的有效利用。而煤氣是否有回收的價值,取決于煤氣中CO等能源氣體的濃度,CO和O2在線監測系統是測量氣體濃度的關鍵
保證生產行為的安全性
高爐和焦爐煤氣中的CO濃度較高,它在空氣中的混合爆炸極限為12.5%~74%,只要濃度達到爆炸極限,遇到明火極容易發生爆炸。一氧化碳的危害性和爆炸可能性均與其濃度相關,因此必須采用的技術對煤氣中的CO和O2進行實時監測
環境保護的需要
目前我國現有20余家年產鋼量400-2000萬噸的鋼鐵聯合企業,其中相當一部分企業高爐煤氣排放量為10-30萬m3/H。按照這樣的排放量來推理可知冶金企業可以嚴重影響周圍數公里的空氣質量,造成大氣污染。嚴重的空氣污染不僅危害著周圍居民的身體健康,同時惡化了生態環境。總之冶金企業周邊環境的質量的優劣與其排放的CO的濃度關系密切。
高爐煤氣中的CO和O2進行實時監測,工采網技術工程師推薦使用一氧化碳傳感器(抗煙氣,帶過濾,CO傳感器) - CO-CF 和氧氣傳感器KE-25F3

一氧化碳傳感器CO-CF主要特性
靈敏度:55~90nA/ppm
響應時間:< 30s
量程:5000ppm
過載:10000ppm
分辨率:0.5ppm
尺寸:Φ20.2*23
使用壽命:2年
存儲周期:6個月
工作溫度:-30~50℃
工作濕度:15~90%RH
負載電阻:10~47Ω

KE-25F3的基本參數:
預期壽命:5年
精度: ±1%(滿量程)
溫度范圍:5-40℃
相對濕度:10-90%RH(無凝結)
氣壓范圍:811hPa-1216hPa
輸出特性:mV級線性電壓
KE-25F3的優勢:
壽命長,幾乎不受CO2、CO、H2S、NOx、H2的影響
成本低,無需預熱、零功耗無需外部電源,長期輸出穩定
總結
高爐煤氣中含有豐富的CO氣體,具有很高的利用價值。提純高爐煤氣中CO氣體,將高爐氣中CO組分含量從22%(熱值731Kcal/Nm3)提純到70%(熱值2200Kcal/Nm3),作為燃料氣用于鋼管加工,在節能降耗方面有著重要意義。另外,利用該項技術還能將高爐煤氣中的CO提濃至98.5%以上,從而用于化工生產,合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等,這不但實現了鋼鐵和化工兩個行業的資源整合,具有良好的經濟效益,還有助于降低鋼鐵和化工企業整體的一次能源使用量,從而降低二氧化碳排放量,促進產業耦合,推動行業實現綠色、低碳、可持續發展。
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