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鋼鐵工業(yè)使用的燃料氣體

燃料氣體是一種在普通條件下以氣體形式存在的燃料。其中一些氣體含有碳氫化合物（如甲烷或丙烷）、氫氣（H2）、一氧化碳（CO）或這些氣體的混合物。這些氣體是熱能的來源，可以很輕松地通過管線從來源地直接傳輸和分配到應用處。燃料氣體不同于液體燃料和固體燃料，盡管一些燃料氣體可以被液化，以方便儲存或運輸。

燃料氣體在鋼鐵廠有不同的應用領域領域領域領域領域領域領域領域領域，包括（1）熱源（2）作為還原劑，（3）發(fā)電，以及（4）切割和焊接應用。鋼鐵廠通常使用的燃料氣體包括（i）天然氣（NG），（ii）液化石油氣（LPG），（iii）副產(chǎn)品氣體，如高爐（BF）氣體、焦爐氣體（COG）和轉(zhuǎn)爐氣體，以及（iv）乙炔。圖1顯示了燃料氣體的類型和它們在鋼鐵廠的應用。

圖1 燃料氣體的類型及其在鋼鐵廠的應用

天然氣

天然氣是一種環(huán)保的不可再生的氣態(tài)化石燃料，從地球上的礦藏中提取。它是一種清潔的燃料，具有很高的效率。它通過管道網(wǎng)絡被運輸?shù)胶苓h的地方（可達5000公里）。它通常以（i）管道天然氣（PNG），（ii）壓縮天然氣（CNG）和（iii）液化天然氣（LNG）的形式供應給消費者。

通過管道供應給消費者的天然氣是PNG。消費者端的管道壓力通常低于16個大氣壓。壓縮天然氣是天然氣的一種形式，經(jīng)過壓縮（200個大氣壓至250個大氣壓）后進入容器。LNG是通過將天然氣冷卻到零下162攝氏度的溫度制成的。在這個溫度下，NG成為液體，其體積減少600倍。

天然氣是一種主要由甲烷（CH4）組成的碳氫化合物混合物，通常體積百分比超過85%。NG中的其他碳氫化合物包括不同數(shù)量的各種高級烷烴，如乙烷、丙烷和丁烷等。它還含有不同飽和度的水蒸氣（H2O），或冷凝水。它還可能包含一些小比例的氮氣（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）和氦氣（He）等。

天然氣是一種無臭、無色、無味、無毒的氣體。它比空氣輕，與必要數(shù)量的空氣混合并點燃后，會產(chǎn)生清潔的藍色火焰。它被認為是最清潔的燃燒燃料之一。燃燒時，它主要產(chǎn)生熱量、二氧化碳和水。

天然氣的數(shù)量以正常立方米（相當于0攝氏度和1個大氣壓）或標準立方英尺（相當于16攝氏度和14.73磅/平方英寸絕對壓力）來衡量。一立方米（Cum）天然氣的較高熱值約為9,500千卡至10,000千卡不等。其密度約為0.85公斤/立方米。

在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，天然氣的主要用途是煉鐵，它被用作還原劑。在以氣體為基礎的直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)過程中使用NG，需要將NG轉(zhuǎn)化為可用的還原氣體，其H2和CO含量較高。全球90％以上的DRI設備使用天然氣。對于DRI的生產(chǎn)，它被重整以產(chǎn)生還原性氣體，然后用于鐵礦石的還原。主要的重整反應是（i）2CH4 + O2 = 2CO + 4 H2，（ii）CH4 + H2O = CO + 3 H2，以及（iii）CO2 + H2 = CO + H2O。

NG作為一種輔助燃料被注入BF的壺嘴中。它是與富含O2的熱鼓風一起注入的。注入NG作為輔助燃料的目的是為了減少焦炭的具體消耗。在高爐中注入NG氣體實現(xiàn)的焦炭替代率在1.3到1.4之間。注入BF的NG為爐子提供由H2和CO組成的還原性氣體，這些氣體在爐軸上移動并參與鐵氧化物的還原反應。

液化石油氣

液化石油氣是從原油中提取的。LPG的主要成分是含有3或4個碳原子的碳氫化合物。LPG的正常成分是丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）。LPG中也可能存在小比例的其他碳氫化合物。

LPG在大氣壓力和環(huán)境溫度下是一種氣體，但當施加適度壓力或充分降低溫度時，它可以被液化。它可以很輕松地被冷凝、包裝、儲存和利用，這使它成為廣泛應用的理想能源。通常情況下，液化石油氣在壓力下以液體形式儲存在鋼制容器、鋼瓶或油箱中。

LPG是一種無色、無味、無毒的氣體。它是高度易燃的。液化石油氣的蒸汽比空氣重，因此任何泄漏都會下沉到地面，積聚在低洼地區(qū)，難以消散。LPG在溫度上升時迅速膨脹。

LPG是一種無色的液體，很輕松蒸發(fā)成無色無味的氣體。通常情況下，惡臭的乙硫醇被添加到液化石油氣中作為臭味劑，這樣就可以很輕松地發(fā)現(xiàn)泄漏。在泄漏過程中，液體的汽化會冷卻大氣，并使其中的水蒸氣凝結(jié)，形成白色的霧氣，這樣就可以看到液化石油氣的泄漏。

在與空氣混合的情況下，氣體遇到點火源會燃燒或爆炸。它比空氣重，所以它傾向于向地面下沉。LPG可以沿著地面流淌很遠，并可以在排水溝、水溝和地窖中聚集。

液態(tài)的LPG在15攝氏度時的比重為0.51至0.58（水=1）。氣態(tài)的LPG的比重是1.52至2.01（空氣=1）。液化石油氣的沸點在-42攝氏度到0攝氏度之間。在15攝氏度和1公斤/平方厘米壓力下，液化石油氣的物理狀態(tài)是氣體。

液化石油氣的熱值（CV）約為11,000千卡/千克或約22,500千卡/立方厘米。由于其沸點低于室溫，LPG在正常溫度和壓力下會迅速蒸發(fā)。汽化的氣體和液化的氣體的體積之比因成分、壓力和溫度的不同而不同，但通常是250：1左右。在20攝氏度時，LPG在水中的溶解度小于200ppm（百萬分之一）。LPG可溶于酒精等有機溶劑。

攝氏40度時，液化石油氣的蒸汽壓力為5.3公斤/平方厘米至15.6公斤/平方厘米。LPG存儲容器內(nèi)的壓力等于存儲容器內(nèi)LPG溫度所對應的蒸汽壓力。蒸汽壓力取決于溫度以及碳氫化合物的混合比例。在滿液狀態(tài)下，任何液體的進一步膨脹，儲存容器的壓力都會上升，每攝氏度上升約14至15公斤/平方厘米，這清楚地解釋了由于過度填充儲存容器而可能出現(xiàn)的危險情況。

LPG的閃點為-104.4攝氏度。丙烷的自燃溫度為46.1攝氏度，丁烷的自燃溫度為405攝氏度，因此LPG在正常溫度下不會自行點燃。LPG是高度易燃物，其爆炸下限（LEL）為1.9 %，爆炸上限（UEL）為9.5 %。這一爆炸范圍比其他常見的氣體燃料要窄得多。這表明在泄漏或溢出的情況下，液化石油氣蒸汽在低洼地區(qū)的積累存在危險。它對靜電具有爆炸敏感性。

在鋼鐵廠，LPG被用作燃料，或通過與CV值較低的BF氣體混合，用于鋼鐵和其他金屬的氣體切割，以及連鑄機的氣割炬中。它被儲存在壓力容器中。這些容器是球形或圓柱形的水平容器（圖2）。LPG容器有壓力釋放閥，這樣當受到外部加熱源的影響時，它們會將LPG排放到大氣中。

圖2 液化石油氣的儲存罐

副產(chǎn)品氣體

在綜合鋼鐵廠的鋼鐵生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生三種副產(chǎn)品氣體，它們被歸類為燃料氣體，因為它們具有相當?shù)臒嶂?。這些氣體是（i）高爐（BF）氣體，（ii）焦爐（CO）氣體，以及（iii）轉(zhuǎn)爐氣體。

高爐煤氣 - 高爐煤氣是在高爐中生產(chǎn)熱金屬（液態(tài)鐵）時產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)品。 它的密度很高，在0攝氏度的溫度和1個大氣壓下，密度約為1.25公斤/立方米。這一密度在所有氣態(tài)燃料中是最高的。由于其密度高于空氣的密度，在發(fā)生泄漏的情況下，它會沉淀在底部。

堿性氣體的四個主要成分是N2、CO、CO2和H2。這些成分在BF氣體中的百分比通常為：N2-40%至60%，CO-20%至28%，CO2-17%至25%，和H2-1%至7%。CH4也可以存在于BF氣體中，最高為0.2 %。堿性氣體還可能含有一些氫氰酸（HCN）和氰化物（CN2），這些氣體是由于熱風中的N2和焦炭中的碳反應而形成的。該反應是由堿氧化物催化的。這些氣體是高度有毒的。由于注入BF的燃料類型和數(shù)量不同，氣體中的H2含量也不同。

在BF頂部的BF氣體中，按體積計算，CO和CO2的總量約占氣體總量的40％至45％。CO/CO2的比例可以從1.25:1到2.5:1不等。氣體中高比例的CO使BF氣體變得危險。BF氣體的CV值各不相同，但通常較低，在650千卡/N cum到900千卡/N cum之間，并取決于氣體中的CO含量。因此，在使用前，BF氣體經(jīng)常被COG或NG所富集。

BF氣體的主要特點是：（i）它幾乎是一種無色的氣體（微白），通常沒有氣味，但有時會有輕微的硫磺氣味；（ii）低CV值；（iii）理論火焰溫度低，約為1455攝氏度；（iv）火焰?zhèn)鞑ヂ实?，通常低于任何其他普通氣體燃料；（v）它燃燒時不發(fā)光。(vi) 自燃點約為630攝氏度，(vii)在正常溫度和壓力下的空氣混合氣體中，LEL為27%，UEL為75%，(viii)易燃，可與空氣形成爆炸性混合物，容易被靜電點燃，以及(ix)在正常儲存和處理條件下具有穩(wěn)定的化學穩(wěn)定性。

在鋼鐵廠，BF氣體通常與CO氣體或轉(zhuǎn)爐氣體或兩者混合使用?；旌虾蟮臍怏w在鋼鐵廠的各種爐子中用作燃料。無需混合和預熱的BF氣體可用于BF爐、燒結(jié)廠、浸泡池、正火爐和退火爐、鑄造廠核心爐、吹氣用燃氣發(fā)動機、發(fā)電用鍋爐、發(fā)電用燃氣渦輪機。

焦爐氣 - COG是在副產(chǎn)品焦爐電池中的焦煤碳化過程中產(chǎn)生的。從電池中出來的原始COG在副產(chǎn)品設備中被凈化，其中包括焦油、氨和苯甲醇等，以生產(chǎn)清潔的COG。清潔COG的主要成分是H2（42%至65%）、CH4（17%至34%）、CO（4.6%至7.5%）和烴類（CmHn）。它還含有惰性氣體，如N2（1.2 %至18 %）和CO2（0.2 %至3.2 %）。氣體中還存在少量的氧氣（O2）。

清潔COG是一種無色氣體，具有硫化氫和碳氫化合物的氣味。它的LEL值為4.4 %，UEL值為34 %。其蒸汽密度為0.36（空氣=1）。 在標準溫度和壓力下，COG的密度在0.45公斤/體積到0.50公斤/體積之間。COG的CV值在4,000 kcal/N cum到4,600 kcal/N cum之間。

COG的理論火焰溫度為1,982攝氏度，它的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁蛊鋵嶋H火焰溫度接近其理論火焰溫度。當暴露在高濃度下時，COG作為一種簡單的窒息劑發(fā)揮作用。它替換了氧氣，并通過表現(xiàn)出缺氧的癥狀而導致快速窒息。

清潔的COG通常用于焦爐電池加熱、其他爐子的加熱和發(fā)電。它可以這樣使用，也可以與BF氣和/或轉(zhuǎn)爐氣混合，然后作為燃料在爐子里使用。在一些鋼鐵廠，已經(jīng)成功地嘗試了將COG注入到BF中。COG也被用于生產(chǎn)DRI，它可以替代NG。

轉(zhuǎn)爐氣 - 在堿性氧氣爐（BOF）的煉鋼過程中，在950攝氏度左右的溫度下，會產(chǎn)生大量富含CO的氣體，這種氣體混合物被稱為轉(zhuǎn)爐氣或BOF氣。轉(zhuǎn)爐氣體也被稱為LD氣體。

轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分是CO、CO2、O2和N2。 從成分上看，它與BF氣體相似，但其中的N2比例較低。轉(zhuǎn)爐氣體的成分是：CO在58%至70%之間，CO2在15%至20%之間，N2在12%至20%之間，H2在0.9%至1%之間，O2在0.1%至0.3%之間。轉(zhuǎn)爐氣體的密度為0.865公斤/立方米。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，每噸粗鋼產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣約為75至95升。轉(zhuǎn)爐煤氣的CV值在1,600千卡/Num到2,400千卡/Num的范圍內(nèi)變化。它是空氣比例的函數(shù)?？諝獗壤降停珻V越高，因為氣體中的N2比例降低。較低的空氣比例也意味著氣體的具體產(chǎn)量較低。

轉(zhuǎn)換器氣體具有高度的毒性和爆炸性，在回收時需要高度嚴格的操作。它不能通過氣味檢測出來。它很輕松與空氣形成爆炸性混合物，容易被靜電點燃。它是一種化學窒息劑。它能置換出氧氣，并通過表現(xiàn)出缺氧的癥狀而導致快速窒息。

轉(zhuǎn)換器氣體通常以不同比例與BF氣體混合，混合氣體在各種爐子中用于加熱。

乙炔

乙炔是化學式為C2H2的化合物。它是一種不飽和的碳氫化合物，也是最簡單的炔烴。一個乙炔分子由兩個碳原子和兩個H2原子組成。這兩個碳原子通過所謂的三碳鍵結(jié)合在一起。這種鍵很有用，因為它儲存了大量的能量，在燃燒時可以作為熱量釋放。然而，三碳鍵是不穩(wěn)定的，使乙炔氣體對超壓、超溫、靜電或機械沖擊等情況非常敏感。

乙炔是一種易燃、無色、無味的氣體。其摩爾質(zhì)量為26.04克/摩爾。它在純的形式下是不穩(wěn)定的，因此通常被當作溶液處理。純凈的乙炔是無味的，但由于雜質(zhì)的存在，商業(yè)等級的乙炔通常有明顯的大蒜味。在大氣壓下，乙炔不能作為液體存在，也沒有熔點。乙炔氣體的總熱值和凈熱值分別為11,932千卡/千克（13,980千卡/年累計）和11,514千卡/千克（13,490千卡/年累計）。

在1個大氣壓和15攝氏度的條件下，乙炔的密度為1.11公斤/升，比重為0.91（空氣=1）。 它比空氣輕，所以不會在低水平上積累，而在低水平上會造成潛在的危險。氣體的沸點為零下84.7攝氏度，熔點為零下80.75攝氏度。常壓下空氣中的絕熱火焰溫度（AFT）為2,534攝氏度。上限可以達到100％。它在水中的溶解度為1.2克/升。

根據(jù)化學反應CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2，乙炔是由電石的水解產(chǎn)生的。如今，乙炔主要由CH4的部分燃燒產(chǎn)生，或在碳氫化合物的裂解過程中作為乙烯流的副產(chǎn)品出現(xiàn)。

由于乙炔的性質(zhì)不穩(wěn)定，需要在特殊條件下儲存。這是通過將乙炔溶解在液體丙酮中來實現(xiàn)的。然后，液態(tài)丙酮被儲存在乙炔瓶中，而乙炔瓶又被填充了多孔（類似海綿）的水泥材料。

乙炔用于鋼鐵廠的氧乙炔氣體切割和焊接，也用于連鑄機的火焰切割機。它有時也用于鋼的滲碳、火焰加熱、火焰刨削、火焰硬化、火焰清洗、火焰矯直、熱噴涂、點加熱、釬焊、紋理和型材切割以及碳涂層。