高炉煤气在电厂锅炉的应用分析

高炉煤气在电厂锅炉的应用分析

李东阳温广亮姚洪飞

通化钢铁能源事业部  吉林省通化市  134003

摘要：本文着重描述了高炉煤气的关键组件和工艺特征，并分析高炉煤气在电厂锅炉中的具体应用和成功案例，使高炉煤气的应用价值得到充分体现，最大限度地减轻对环境的影响，促进电厂的可持续发展。

关键词：高炉煤气；电厂锅炉；应用分析

引言：高炉煤气（BFG）现已成为钢铁行业能源问题有效的解决方案，不仅提升了能源利用率，减少了能源消耗量，而且增强了生产过程的安全性，取得了最大化的成本效益。因此，充分剖析高炉煤气在电厂锅炉中的应用价值，获得高炉煤气应用的最佳实践，具有重要意义。

1、高炉煤气的关键组件

高炉煤气（BFG）是高炉炼铁过程中产生的气态副产品。当铁矿石、焦炭和熔剂等原材料在高炉内进行冶炼过程时，它们会因化学反应和热分解而释放出一股气体[1]。BFG常被用于各种工业过程中的后续利用，成分根据多种因素而变化，例如所用原材料的类型、高炉内的操作条件以及气体净化系统的效率。以下是BFG的关键组件：（1）一氧化碳（CO）：作为炼铁过程中的主要还原剂之一，通过焦炭（碳质材料）的燃烧和随后的氧化铁还原而大量产生一氧化碳。CO是BFG的重要组成部分，由于其高热值，可作为燃烧应用的宝贵燃料。（2）氮气（N2）：氮气占BFG的很大一部分，主要来自高炉操作中使用的空气。尽管氮气在燃烧过程中呈惰性，但它可作为BFG的稀释剂，影响其整体热值和燃烧特性。（3）甲烷（CH4）和氢气（H2）：BFG可能含有微量的甲烷和氢气，它们是冶炼过程中有机物和碳氢化合物分解的副产品。虽然与CO和N2相比，它们在BFG中的浓度相对较低，但甲烷和氢气对气体的总能量含量有贡献，并可能影响燃烧行为。（4）二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）：在冶炼过程中，石灰石助熔剂分解释放出二氧化碳，而含氢化合物和原料中的水分燃烧则产生水蒸气。这些气体构成了BFG的整体成分，尽管与CO和氮气相比比例较小。（5）杂质：BFG通常含有微量杂质，包括硫化合物（例如硫化氢、二氧化硫）和颗粒物。这些杂质可能源自炼铁过程中使用的原材料或源自气流中夹带的污染物。适当的气体清洁和纯化技术能够有效去除杂质并确保下游应用的质量。

2、高炉煤气的工艺特征

2.1装料和加热

将原材料装入高炉是锅炉生产的第一步，包括铁矿石（通常是赤铁矿或磁铁矿）、焦炭（一种从煤中提取的高碳燃料）和石灰石熔剂。这些材料经过精心配比，分层装入炉内，以利于形成稳定的炉料。当炉料下降通过炉子时，它会受到焦炭在空气（鼓风）存在下燃烧产生的强烈热量的影响。

2.2铁矿石还原

原材料进入高炉后会发生一系列化学反应，旨在将氧化铁还原为元素铁。碳质焦炭充当还原剂，根据以下方程式与氧（存在于铁氧化物中）反应生成一氧化碳（CO）：铁2氧3+3C→2铁+3一氧化碳铁2氧3+3C→2Fe+3一氧化碳这种还原反应在高炉下部（称为还原区）的高温（约1200-1300°C）下发生。

2.3高炉煤气的形成

随着还原反应的进行，一氧化碳（CO）作为气态副产品与从原材料和助熔剂中释放的其他气体一起释放。这些气体上升穿过高炉并在顶部收集，形成BFG的主要成分。高炉煤气的成分受到所用原材料类型、高炉内操作条件以及煤气净化系统效率等因素的影响。

2.4气体清洁和净化

BFG在用于工业应用之前，需要经过一系列净化过程以去除杂质和颗粒物。这些净化步骤通常包括通过旋风分离器或静电除尘器除尘，然后进行洗涤以去除硫化合物（例如硫化氢）和其他污染物。此外，BFG可进行冷却和冷凝以回收水蒸气并提高其能量含量。

3、高炉煤气在电厂锅炉中的具体应用

3.1高热值

BFG是炼铁过程的副产品，由于一氧化碳（CO）含量较高，所以具有相当大的热值[2]。CO的燃烧释放大量热能，贡献于高炉煤气的总能量含量。BFG的高热值使其成为基于燃烧的应用（包括发电和供暖）的可行能源。

3.2燃烧温度低

BFG的显著特征之一是与煤炭或天然气等传统燃料相比，它能够在相对较低的温度下燃烧。BFG的燃烧主要通过一氧化碳（CO）氧化成二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）进行。较低的燃烧温度减少了氮氧化物（NOx）的形成，氮氧化物是导致空气污染和环境退化的有害污染物。

3.3成分可变

BFG的成分存在差异，具体取决于多种因素，例如所使用的原材料类型、高炉内的操作条件以及所采用的气体净化工艺。这种变化给高炉煤气的利用带来了挑战和机遇。虽然可变成分可能需要调整燃烧参数和锅炉设计，但它也允许燃料混合和优化策略的灵活性，以最大限度地提高能源效率和环境绩效。

3.4低热值

尽管BFG的单位体积热值较高，但与传统化石燃料相比，其热值较低。BFG的较低热值主要归因于其被氮气等惰性气体稀释以及微量杂质的存在。因此，BFG的利用可能需要对锅炉系统进行改造，以适应较低的能量密度并优化燃烧效率。

3.5可再生和可持续

BFG作为燃料的固有优势之一是其可再生和可持续性质。BFG是炼铁过程的副产品，其产生与钢铁生产有着内在的联系。通过利用BFG作为燃料来源，工业界可以有效减少废物产生，最大限度地减少对环境的影响，并提高资源效率。此外，BFG的利用通过将工业副产品转化为宝贵的能源资源来促进循环经济，从而促进可持续性并减少对有限化石燃料的依赖。

4、高炉煤气用于电厂锅炉的成功案例

4.1宝钢湛江钢铁有限公司

宝钢湛江钢铁有限公司位于广东省湛江市，是中国最大的钢铁生产商之一。该公司在其综合钢铁厂内实施了高炉煤气综合利用系统。该系统包括BFG发电装置，其中BFG被用作主要燃料来发电。由于多种原因，这一实施已被证明非常成功。首先，宝钢湛江通过利用BFG，减少了对传统化石燃料的依赖，从而降低了运营成本，提高了能源效率。其次，与燃烧煤炭或天然气相比，使用高炉煤气可显著减少温室气体排放，符合中国环境可持续发展和碳减排的目标。

4.2武汉钢铁集团公司

武汉钢铁集团公司（武钢）是中国历史最悠久、规模最大的钢铁制造商之一，在其运营中同样采用了高炉煤气。武钢注重可持续发展，在湖北省武汉市的工厂内实施了最先进的高炉煤气回收利用系统。通过高炉煤气发电机组的整合，武钢有效地将炼钢过程中的副产品转化为宝贵的能源。这种方法不仅增强了钢厂的能源自给自足，而且还通过提供清洁和可再生电力为区域电网做出了贡献。

4.3首钢集团

总部位于北京的首钢集团是中国钢铁行业的另一家知名企业，已成功将高炉煤气利用纳入其发电战略。首钢在城市重建和环境整治方面的努力尤其值得关注。通过采用先进的高炉煤气回收技术，首钢不仅减少了二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放，还改变了工业格局[3]。该公司从传统钢厂向环保工业园的转型，展现了高炉煤气利用在振兴城市、促进可持续发展方面的变革潜力。

结束语

总而言之，高炉煤气应在电厂锅炉中得到更为广泛的应用，通过释放变革潜力，推动钢铁行业的可持续发展，增强电厂的综合竞争力，使电厂更好地适应市场需求，创造最大化的经济效益、社会效益和环境效益，推动社会不断进步，顺利迈向更高效、更绿色、更可持续的能源未来。

参考文献：

[1]李庭.钢铁企业燃气电厂氮氧化物治理对策[J].山西建筑，2021，47(24)：119-121+126.

[2]庞鹏飞，郑云飞，杨绍宗.湛江钢铁高炉煤气放散塔改造创新实践[J].冶金管理，2021，(20)：56-58.

[3]韩彩凤.煤粉锅炉燃用高炉煤气改造关键技术实绩[J].锅炉技术，2021，52(03)：61-65.