摘要：對不同比例下氮氣和焦爐煤氣混合后的燃燒特性進行分析，根據燃氣互換性的判定方法，當焦爐煤氣在焦氮混合氣的含量在37%～38%時，其混合氣能夠替代人工合成轉爐煤氣穩定燃燒。在實際生產過程中，通過現有的轉爐煤氣柜及混合站等措施，能夠實現焦爐煤氣和氮氣的均勻、穩定的混合，說明利用氮氣替代高爐煤氣進行人工合成轉爐煤氣是可行的，從而達到增加人工合成轉爐煤氣氣源種類的目的。
關鍵詞：煤氣；氮氣；替代；互換性
A Study on the Substitute Nitrogen for Blast Furnace Gas to Synthesize Convert Gas
Shougang Jingtang Iron and Steel United Co.，Ltd.Jia Qiong，Wu Gang，Zhai Guangyong
Abstract：The combustion characteristics were studied for the mixture of nitrogen and coke oven gas under various proportions.According to A.G.A.Bulletin #36 interchangeability method，as the content of coke oven gas is between 37% to 38%，the mixture gas can be well burned.With the employment of gas tanks and mix equipments，the mixed gas of coke oven gas and nitrogen can be obtained in practice.
Keywords：Gas；Nitrogen；Substitute；Interchangeability
1 背景
煉鋼過程中轉爐煤氣的回收是間斷性的，而采用轉爐煤氣作為燃料的工業爐窯的生產過程往往是連續的，為保證轉爐煤氣出現階段性缺口時爐窯能夠連續生產，鋼鐵企業一般設有高、焦爐煤氣混合站，通過調節高、焦兩種煤氣的混合比例人工合成轉爐煤氣，供給用戶使用[1]。采用純轉爐煤氣作為燃料的爐窯燒嘴一般以轉爐煤氣作為設計氣源，以高焦合成轉氣作為校核氣源，從而達到適應兩種氣源穩定燃燒的目的。
高、焦爐煤氣的發生較為穩定，但高爐出現事故休風或因其他高爐煤氣剛性用戶短期內無法退出高爐煤氣時，可能會出現階段性高爐煤氣不足的情況。當上述情況出現時，可以考慮利用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣進行合成，達到轉爐煤氣的主要燃燒參數，供給純轉爐煤氣用戶使用，以保證這些用戶的連續穩定生產。當采用氮氣與焦爐煤氣混合后，混合氣體的成分與純轉爐煤氣及高焦合成轉爐煤氣均有不同，需要對其燃燒特性進行分析。由于氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣混合后，其成分更接近高焦合成轉爐煤氣，而高焦合成轉爐煤氣作為純轉爐煤氣用戶的校核氣源能夠穩定燃燒，因此本文主要通過對焦氮混合氣和高焦合成轉爐氣的燃燒性能進行對比分析，來研究利用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉爐煤氣的可行性，達到增加人工合成轉爐煤氣氣源種類的目的。
2 可行性分析
2.1 煤氣成分
各種煤氣及氮氣的成分見表1，其中高焦合成轉氣是高爐煤氣和焦爐煤氣以一定比例合成，合成后的煤氣熱值與轉爐煤氣的熱值保持相等。從表1中可以看出，轉爐煤氣的主要可燃成分是一氧化碳，而高焦合成轉氣的主要可燃成分為氫氣、甲烷和一氧化碳，不可燃成分中，二氧化碳的比例基本相當，高焦合成轉氣中氮氣的比例明顯大于轉爐煤氣。而當使用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉氣后，合成轉氣中氮氣的比例將更高。
2.2 理論分析
當焦爐煤氣和氮氣以不同比例合成后，混合氣體熱值和華白指數的變化情況如圖1所示。隨著焦爐煤氣在焦氮混合氣中含量的不斷增加，混合氣體的熱值和華白指數均呈增加的趨勢，但由于焦爐煤氣的相對密度較低，其華白指數的增加速度明顯高于熱值。當焦爐煤氣在混合氣體中的含量達到43%時，焦氮混合氣的熱值與高焦合成轉氣的熱值相等，但其華白指數比高焦合成轉氣提高約10%，而當焦氮混合氣的華白指數與高焦合成轉氣相同時，焦爐煤氣在混合氣中的含量約為39%，焦氮混合氣的熱值僅為高焦合成轉氣熱值的93%。因此，能否利用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉爐煤氣，需要對混合氣的燃燒性能進行深入分析。
根據美國燃氣協會A.G.A.36#公告中公布的關于燃氣互換性預測的方法[2～4]，利用“I”指數法，對焦氮混合氣替代高焦合成轉氣時的脫火指數、回火指數和黃焰指數進行了計算，其結果如圖2所示。
根據A·G·A.36#公告，當脫火指數≤1.1、回火指數≤1.2且黃焰指數≥0.86時，可以判定兩種燃氣可以實現互換。結果表明，在圖2所示的混合比例范圍內，焦氮混合氣替代高焦合成轉爐氣時，均不會發生回火現象，降低焦爐煤氣的比例，可能會發生脫火現象，提高焦爐煤氣的比例，可能會出現黃焰，當焦爐煤氣在焦氮混合氣的含量在37%～38%時，其脫火指數、回火指數和黃焰指數均能達到上述要求，即能夠利用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉爐煤氣，此時用戶在使用上述混合氣時能夠穩定燃燒。此時焦氮混合氣的華白指數與高焦合成轉氣基本相當，而其熱值約為高焦合成轉氣的86%～88%。
在實際應用中，當利用氮氣替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉爐煤氣時，由于其能夠互換的范圍較小，難于實現各參數的精確控制，為保證安全及穩定運行，可適當提高焦爐煤氣在混合氣中的比例，以保證不致形成脫火現象。
3 實施方案
3.1 工藝流程
某鋼鐵企業轉爐煤氣系統的工藝流程如圖3所示，來自煉鋼轉爐的轉爐煤氣，通過管網回收儲存到轉爐煤氣柜中，再通過加壓機升壓后供給各煤氣用戶使用。高、焦爐煤氣混合站的出口設置在轉爐煤氣柜之前，并與煤氣柜入口管相連，加壓站大回流也與煤氣柜入口管相連，使加壓機出口的富裕煤氣返回至轉爐煤氣柜中。氮氣來自綜合管網，正常情況下用于轉爐煤氣柜本體的置換，與轉爐煤氣柜本體相連。
3.2 實施方法
為保證焦爐煤氣和氮氣的均勻混合，最好采用離線混合的方法。首先停止用戶的使用和加壓機的運行，關閉合成轉爐煤氣混合站高爐煤氣支路，然后打開合成轉爐煤氣混合站焦爐煤氣支路和氮氣，按照預先設定的比例調節好焦爐煤氣和氮氣的流量，將焦爐煤氣和氮氣送入轉爐煤氣柜中。若焦爐煤氣或氮氣無流量顯示儀表，可分別向轉爐煤氣柜中送氣，并以柜容指示儀計算分別送入煤氣柜中焦爐煤氣和氮氣的總量。當向煤氣柜中送入適量的混合氣后，停止焦爐煤氣和氮氣，啟動轉爐煤氣加壓機，控制好加壓機的負荷，使加壓機送出的煤氣全部通過大回流管道返回轉爐煤氣柜中，以達到使焦爐煤氣和氮氣充分混合均勻的目的。
加壓機停止運行后，分別在轉氣柜進口、出口和加壓機三處對混合氣進行取樣分析，將分析結果與預測結果進行對比。若達到預期的效果，即可通過加壓站供給用戶使用，否則可根據混合氣體的成分，再混入適量的焦爐煤氣或氮氣，直至滿足要求為止。
4 主要結論
通過上述分析，可以得到如下結淪：
(1) 利用氮氣可以替代高爐煤氣與焦爐煤氣合成轉爐煤氣，當焦爐煤氣在焦氮混合氣中的比例達到37%～38%時，焦氮混合氣與高焦合成轉氣互換后其燃燒性能達到最佳，降低焦爐煤氣的比例，可能會引起脫火，提高焦爐煤氣的比例，可能會產生黃焰。
(2) 利用轉爐煤氣柜、煤氣加壓站、合成轉氣混合站等設施，在實際生產過程中町以實現焦爐煤氣和氮氣之間的定量、均勻混合，合成后的混合氣可以通過加壓站供給用戶使用。
參考文獻
1 《鋼鐵企業燃氣設計參考資料》編寫組.《鋼鐵企業燃氣設計——煤氣部分》[M].冶金工業出版社，1978:6:1-26
2 姜正侯.燃氣工程技術手冊[M].同濟大學出版社，1993:5:1022-1024
3 李猷嘉.預測燃氣互換性的各種方法論述.城市燃氣，2010:1:3-16
4 李猷嘉.預測燃氣互換性的各種方法論述（續）.城市燃氣，2010:2：3-8
(本文作者：賈瓊 吳剛 翟廣永 首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部 063000)
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