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煤 气 知 识
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，要合理、科学，充分地利用，这对钢铁工业节能工作具有积极的作用。可燃气体使用的原则是：先供各类炉窑使用(包括热风炉，加热炉、烘烤设施等)，最后才去用于发电。因为煤气-蒸汽-发电的能量转化率约为25%，而煤气-燃汽轮机发电转化率也只有50%左右。
一、 高炉煤气
高炉煤气的产生量约为高炉鼓风风量的1．35~1．40倍。随着高炉冶炼生铁品种的不同，燃烧每吨焦炭约可产生1400吨m3的高炉煤气，但喷吹煤粉和烧结矿中的残碳量也会对高炉煤气的产生量有较大影响。
高炉煤气中有大量的N2，和CO2，其主要可燃的成份为CO、H2相CH4(含量很少)，故其发热值较低。一般冶炼制钢铁时，发热值为2850~3220kJ／m3（678.57~766.7）；冶炼铸造铁时，发热值为3550-4200kJ／m3。
因高炉煤气中含CO量在30％以下，造成燃烧速度低、火焰长。高炉煤气的理论燃烧温度在1400~1500℃。
二、是转炉煤气
因转炉煤气技术装备水平和操作技术水平的不同，造成转炉煤气回收量波动较大，一般为每1吨钢回收的煤气量在50~l00m3。
氧气顶吹转炉的成分一般为：CO为45％-65％，H2<2%，CO2为15％~25％,O2为 0.4％~0.8%，N2为24％~38％。
转炉煤气发热值在6500~8400kJ／m3（1547.6~2000）。日本氧气转炉生产技术水平较高，其煤气发热值为8374kJ／m3。
氧气转炉煤气燃烧温度一般在1400~1500℃; 在转炉炉口部分燃烧，造成烟气温度在2000℃左右，故应加强对这部分余热的回收。
二、 焦炉煤气的情况。
炼焦炉煤的含碳量和挥发分对焦炉煤气发生量有较大影响，故用公式Vr=KVc来计算每吨干煤煤气发生量。每吨洗精煤(挥发分为28％时)，可产生327m3煤气，约用1．35吨洗精煤生产1吨焦炭，焦炉煤气发生量约为440m3／t焦。式中Vr是每吨干煤煤气发生量，单位是m3／t干煤；Vc是干煤的挥发分，为百分数；K是系数，在64~72之间；焦炉煤气的回收量一般在96％~98%。
因焦炉煤气中含H2在60％左右，惰性气体含量少，故燃烧速度快、火焰短、热值高(在18000~19300kJ／m3)。
焦炉煤气燃点低、易着火，与空气易形成爆炸性气体。煤气中的焦油、荼等物质易堵塞管道，因有氢还易腐蚀管道。
焦炉煤气的组成为：H2为55％~60％，CO为5％~8％，CH4为23％-28％．CmHn为2％~4％，苯类为0．5％~1％，在30℃条件下水分在4%~5％，还有少量的N2、CO2、O2焦炉煤气从炭化室出来，经上升管、桥管到集气管。此处煤气的温度在650~700~C，应开展余热回收。
重点钢铁企业煤气应用情况
据统计，2004年全国重点企业高炉煤气平均放散率为4．4％，转炉煤气平均放散率为3．41％，吨钢转炉煤气平均回收量为42m3／t。有关企业煤气应用情况见下表。
2004 年重点钢铁企业煤气应用情况
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项目
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高炉煤气放散率（%）
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焦炉煤气放散率（%）
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转炉煤气吨钢回收（m3／t）
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平均值
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4.4
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3.41
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42
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****值
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0
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0
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95
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落后值
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24.88
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23.31
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0
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2004年，重点钢铁企业煤气应用情况分析如下；
高炉煤气方面：北钢、石钢、西钢、新疆八钢等10个企业实现了高炉煤气零排放。有10个企业高炉煤气放散率超过10％，最高的达24．88％。
焦炉煤气方面：宝钢、北钢、石钢、承钢、杭钢、合钢、安钢、广钢、江西新钢、型钢、天铁等18个企业焦炉煤气放散率为零， 有8个企业家、焦炉煤气放散率大于10％，最高的达23．31％。
转炉煤气方面：宝钢转炉煤气吨钢回收量为95m3，是全国最高值；其次为鄂钢(88)、太钢(86)、本钢和石钢(85)，武钢(83)。首钢、湘钢、承钢、宝钢集团上海一钢在60m3t以上。有25个企业没有回收转炉煤气。
钢铁企业煤气高效利用途径探讨 高炉煤气高效利用问题
炼铁系统占钢铁工业总能耗的70％左右，高炉煤气所拥有的物理能和化学能占高炉入炉燃料能量的40％左右，占钢铁企业总能耗的12％。高炉煤气的高效利用途径如下：
一、高炉炉顶煤气余压发电(TRT)技术
高炉炉顶煤气压力在>0．08MPa时，采用压差发电技术是可行的。但是，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。压力大于0．12MPa时，经济上是合理的。煤气压力越高，效益越大。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。现在全国已有66座高炉有TRT装置，其中1000 m3以下容积的高炉有19座，450 m3高炉已用上TRT装置。
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。
二、采用蓄热式燃烧技术提高煤气质量，扩大应用范围
热风炉应用蓄热式燃烧技术，对空气和煤进行双预热(达到250~ 500℃)，就可以100％使用低热值的高炉煤气，使热风温度达到1200cC以上。高炉煤气应用蓄热式燃烧技术之后，可提高煤气的温度，为在轧钢加热炉和烧结机点火、钢包烘烤、热处理炉等方面使用1l供了有利条件，替代出部分高热值的焦炉煤气。高炉煤气含尘量要低于15mg/m3；应建立专用煤气柜，以保证供应压力和气量的稳定。
三是高炉煤气发电
高炉煤气发电可采用高压锅炉蒸汽发电和燃气轮机发电(CCPP)。燃气轮机发电，气电转化率高，约在40%~50％(不对外供热)，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）。
全烧高炉煤气锅炉发电技术，主要是设计高温高压锅炉并可作为冬季取暖抽蒸汽使用。一台220t／h蒸发量的锅炉，每年用14亿~16亿m3高炉煤气，投资约6000万-7000万元，全年可供蒸汽57．6万t，发电量4320万kWh，增加供电量3181．66万kwh，节约17．6万吨标准煤，年综合效益达4000万元以上。该设备投资仅为菅通发电站的60％~70％。
四是高炉煤气余热利用
应用余热锅炉可将高炉煤气的部分余热进行回收。煤气温度降低，对于干式除尘的布袋有保护作用。
转炉煤气高效利用问题
转炉煤气不含硫，含氢量也很少。
转炉煤气的物理热可以通过余热锅炉来回收，所产生的蒸汽基本上能够满足炼钢工序能源消耗，实现负能炼钢，蒸汽可以用于炉外精炼工序中真空精炼。
可以用于热风炉烧炉，混铁炉、钢包等的烘烤，还可以用于轧钢加热炉、耐火材料厂炉窑的燃料，也可以用于发电。
焦炉煤气高效利用问题
焦炉煤气含氢在60％左右，应当采用适当的技术(如变压吸附)进行提氢，供其他行业作为原料或燃料(可替代汽曲)。目前，这方面的应用尚存在储存、运输、价格等问题，但发展前景广阔，效益也会提高。
焦炉煤气可以用于各种工业炉窑作为燃料，因其发热值高、含尘量小，可用于轧钢加热炉，为优化钢坯表面质量提供了条件。
焦炉煤气因热值高，毒性小(CO含量低)，可以作为各种烘烤的燃料，甚至可以用焦炉煤气配加氧气对金属切割和表面处理。
焦炉煤气因热值高、杂质少、毒性小，而被国内一些城市用于主要的生活用煤气的来源。
煤气的成分及性质
1.煤气的成分
我们通常所说的煤气是指含有多种气体成分的可燃性混合气体。由于煤气的生产过程不同，不同煤气的组成部分及所占的百分比也不同。冶金行业常见的有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气等。
2.煤气的性质
（1）煤气中各种气体的理化性质。煤气是由一些单一气体混合而成的，其中可燃气体成分有CO、H2、H2S和碳氢化合物（CnHm）。不可燃气体成分有CO2、N2、少量的02及粉尘微粒。
（2）甲烷（CH4）。无色气体，微量葱味，分子质量16.04，密度0.715kg/m3，难溶于水，最低燃烧值Q低=8530kcal/m3（1kcal=4.19kJ），与空气混合可形成爆炸性气体，爆炸界限为5.4％～15％，着火温度650～750℃。
（3）氢气（H4）。无色无臭气体，分子质量2.016，密度0.0899kg/m3，难溶于水。Q低＝2570kcal/m3（1kcal＝4.19kJ），爆炸范围为4.2％～74％，着火温度为580～590℃。
（4）一氧化碳（CO）。无色无臭气体，分子质量28，密度1.25kg/m3，Q低＝3020kcal/m3（1kcal=4.19kJ），爆炸范围为12.5％～74％.2％，着火温度644～658℃，毒性极强。
（5）氮（N2）。无色无臭气体，分子质最28，密度1.25kg/m3，不燃烧，化学性质不活泼，空气中N2含量增加时会造成缺氧窄息。
（6）硫化氢（H2S）。无色气体，有恶臭（臭皮蛋气味）。分子质量34.08，密度1.539kg/m3,能溶于水和乙醇，Q低=5660kcal/m3（1kcal=4.19kJ），爆炸范围40％～44％,自燃点260℃，有毒性。
（7）二氧化碳（C02）。无色无臭不燃性气体，正常大气中含量为。.03％，能溶于水（生成碳酸H2C03），分子质量44，密度1.977kg/m3，空气中C02含量增加时有发生窒息的危险。
（8）氧（02）。无色无味助燃气体，正常空气中含有约21％的氧气，分子质量32，密度1.429kg/m3。
3.煤气的腐蚀性和毒性
煤气中的腐蚀性的成分主要有硫化氢（H2S）、二氧化碳（C02）、氧（02）和硫化物。这些气体在有水条件下具有较强的腐蚀性，H2S、C02在水中呈酸性，02在水中则具有氧化腐蚀性。因此，为降低煤气对管道的腐蚀，必须降低煤气中的水分。
煤气中具有毒性的成分有一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）等。煤气中毒是一氧化碳与血液中的血红蛋白结合所致。一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧和血红蛋白的亲和力大230～270倍。当一氧化碳通过呼吸系统进人血液后，即与氧争夺血红蛋白，使大部分血红蛋白变成碳氧血红蛋白，由于其无携氧功能，致使血液失去送氧能力，从而造成全身组织，尤其是中枢神经系统严重缺氧，轻者产生中毒症状，重者造成死亡。
硫化氢、甲烷在空气中的含量超过一定浓度时，会造成缺氧窒息。
4.煤气的燃烧
燃烧是一种同时发热和发光的剧烈氧化反应。在氧化反应中，某些物质被氧化，同时伴随着另一些物质被还原。从化学反应角度来看，一切燃烧反应均是氧化反应，但氧化反应并不都属燃烧反应。
（1）燃烧的条件。燃烧必须具备以下三个条件：
l）有可燃物存在。不论固体、液体、气体，在一定条件下凡能与空气中氧气起剧烈反应，并同时伴有光和热发生的物质均称为可燃物，如木材、纸张、棉花、汽油、酒精、氢气、一氧化碳、煤气等。
2）有助燃物氧气或氧化剂。常见的助燃物是指空气。
3）有点火源。
（2）燃烧时所需的空气量。上述三点是燃烧的必要条件，但有时虽然已具备了三个条件，燃烧也不一定发生，这是因为燃烧必须有充分的条件一一可燃物与助燃物要达到一定比例。
（3）燃烧温度。燃料燃烧时燃烧产物所能达到的温度称为燃烧温度。一般认为燃烧温度就是火焰温度，但实际上是有差别的，火焰温度要高于燃烧温度。
（4）燃烧速度。燃烧速度一般是指混合气体的燃烧速度，即单位时间内单位火焰面积上燃烧混合物的体积。燃烧速度不是一个定值，它往往受许多因素的影响，但最主要的因素是混合气体的性质。
5.煤气爆炸
爆炸是一种非常迅速的物理或化学的能量释放过程，是物质由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间以机械功的形式放出巨大能量的现象。
（l）燃烧与爆炸。从化学反应的角度上讲，燃烧与爆炸没有明显的区别，它们所需的能量都由化学反应提供，但在传播过程和机理上则有所不同，具体区别如下：
1）燃烧时，化学反应区域的能量是通过传导、热辐射以及燃烧产物的扩散作用传人反应物中的，而爆炸的传播则是借助于冲击波对爆炸物质的强烈冲击压缩作用而进行的。
2）燃烧波与冲击波传播的速度不同，燃烧波的传播速度通常约为每秒数毫米到数米，而爆炸时冲击波的传播速度总是超过声波，甚至可达每秒数千米。
3）燃烧过程中燃烧反应区域内，燃烧产物的运动方向与燃烧波传播方向相反，而爆炸反应区域内，燃烧产物的运动方向与冲击波的传播方向一致。
（2）爆炸的分类。爆炸根据其产生的原因不同可分为物理性爆炸与化学性爆炸两大类。
1）物理性爆炸。由物理变化原因所引起的爆炸称物理性爆炸，其特征是，爆炸前后物质的化学组成及化学性质均不变化。如容器内液体过热气化而引起的爆炸，锅炉的爆炸，压缩气体、液化气体超压引起的爆炸等都属物理性爆炸。
2）化学性爆炸。化学性爆炸是山化学反应原因造成的，其特征是，爆炸前后物质和组分发生了变化。化学性爆炸按爆炸时所发生的化学变化不同义分为三类：简单分解爆炸、复杂分解爆炸、爆炸性混合物爆炸。其中第三类发生较普遍，危害性也较大。