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天然氣及其在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

天然氣（NG）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。它是一種清潔和綠色的燃料，具有很高的效率，在幫助許多行業(yè)減少排放和改善整體空氣質(zhì)量方面起著重要作用。它通常以以下方式供應(yīng)：（1）管道天然氣（PNG）；（2）壓縮天然氣（CNG）；以及（3）液化天然氣（LNG）。

天然氣是一種主要由甲烷（CH4）組成的碳氫化合物混合物，按體積計算的百分比通常超過85%。天然氣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）和硫化氫（H2S）以及氦氣（He）等。

當與必要數(shù)量的空氣混合并點燃時，天然氣燃燒時產(chǎn)生清潔的藍色發(fā)光火焰。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、二氧化碳和水蒸氣。

天然氣是一種以氣相形式存在于礦床中的燃料。它無色無味，無毒，并且比空氣輕。它不包含烯烴（在破壞性蒸餾或重整過程中產(chǎn)生的碳氫化合物）。它是一種高度易燃和可燃的氣體。其CAS號為8006-14-2，聯(lián)合國編號為1971。

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）為單位。一立方米天然氣的較高熱值從大約9500大卡到10000大卡不等。其密度約為0.85公斤/立方米。

天然氣通常通過管道網(wǎng)絡(luò)進行遠距離運輸（長達5000公里）。管道中的天然氣壓力取決于幾個因素，包括（i）要運輸?shù)奶烊粴鈹?shù)量，（ii）管道的直徑，（iii）涉及的距離，以及（iv）天然氣管道和環(huán)境的安全。通過管道供應(yīng)給消費者的天然氣是PNG。消費者端的管道壓力一般低于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個大氣壓到250個大氣壓）進入容器，然后再轉(zhuǎn)給那些由于地理和其他原因而無法連接到天然氣管道的消費者。壓縮天然氣是可儲存的。與通過管道輸送并立即消費的天然氣不同（類似于電力），CNG可以用于儲存和不連續(xù)的使用。NG壓縮到容器中會提高風險水平。

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，其體積減少了600倍。LNG氣體比氣態(tài)形式更容易儲存，因為它占用的空間要小得多。LNG在大氣壓下儲存在設(shè)計好的容器中，更容易運輸?shù)接脩羰种小Ｔ谀康牡鼐嚯x一般在5000公里以上的地方，天然氣通常以LNG形式運輸。

NG在鋼鐵行業(yè)的用途

NG在鋼鐵行業(yè)的用途（圖1）包括（i）作為還原劑，（ii）作為熱源或燃料，（iii）用于發(fā)電，以及（iii）用于切割和焊接應(yīng)用。

圖1 天然氣在鋼鐵行業(yè)的用途

天然氣作為還原劑

天然氣作為還原劑主要用于煉鐵。在以天然氣為基礎(chǔ)的直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)過程中，需要將天然氣轉(zhuǎn)化為高氫（H2）和一氧化碳（CO）含量的可用還原氣體。全球90％以上的DRI工廠使用天然氣。在高爐（BF）煉鐵的情況下，NG通常與熱風鼓風一起注入高爐，在風口處。

在DRI生產(chǎn)中使用NG

NG重整是一種先進和成熟的生產(chǎn)工藝。NG重整生產(chǎn)還原氣體的標準工藝是一個熱工藝，被稱為蒸汽-甲烷重整（SMR）工藝。這是一個使用高溫蒸汽（700攝氏度至1000攝氏度）來生產(chǎn)由H2和CO組成的還原氣體的工藝。在SMR工藝中，CH4與蒸汽（H2O）在3個大氣壓到25個大氣壓的壓力下，在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生H2、CO和相對少量的CO2。蒸汽轉(zhuǎn)化是一個內(nèi)熱過程，這意味著需要向該過程提供熱量以使反應(yīng)得以進行。SMR反應(yīng)是CH4 + H2O（+熱量）= CO + 3H2。

在DRI生產(chǎn)過程中，NG在重整爐中進行重整，重整爐是一個氣密性耐火襯里的爐子，里面有充滿催化劑的合金鋼管。進入轉(zhuǎn)化爐的進氣是新鮮的NG與來自豎爐的頂部氣體混合，后者正在被回收。這種混合氣體被加熱并通過充滿催化劑的管道。由于催化劑填充管內(nèi)發(fā)生的催化反應(yīng)，產(chǎn)生了重整的氣體。含有約90％至92％的H2+CO（干基）的新重整氣體，然后作為還原氣體直接送入豎爐。

DRI生產(chǎn)過程通常使用固體催化劑進行氣相反應(yīng)。氧化鋁（Al2O3）或氧化鎂（MgO）是載體材料，使催化劑具有形狀和強度。催化劑的活性成分，增加了反應(yīng)的速度，通常是鎳（Ni）。鈷（Co）在某些情況下也被使用。硫（S）和鹵素是最常見的重整催化劑毒物。

在重整爐中發(fā)生的主要蒸汽重整反應(yīng)是CnH（2n+2）+n H2O=（2n+1）H2+nCO。在蒸汽重整過程中，有可能出現(xiàn)重碳氫化合物的裂解。裂解反應(yīng)是CnH（2n+2）=（n+1）H2+nC。這也被稱為碳（C）沉積反應(yīng)。在實際操作中，在DRI生產(chǎn)過程中，由于來自豎爐的爐頂氣體被循環(huán)使用，它含有二氧化碳和氧氣（O2）。這些氣體也參與了NG的重整反應(yīng)。下面給出了CH4的重整反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生由CO和H2組成的還原氣體。

CH4 + CO2 = 2CO + 2H2

CH4 + H2O = Co + 3H2

2CH4 + O2 = 2CO + 4H2

Co + H2O = Co2 + H2

CH4 = C(S) + 2H2 (碳沉積反應(yīng))

改質(zhì)器和催化劑的設(shè)計應(yīng)使其在促進改質(zhì)反應(yīng)的同時，不允許發(fā)生碳沉積反應(yīng)。對于蒸汽轉(zhuǎn)化器，NG氣體需要被脫硫。

DRI的生產(chǎn)過程通常使用化學計量重整器。在這種轉(zhuǎn)化器中，化學計量比是一個重要參數(shù)。隨機比例是指氧化劑與碳氫化合物的摩爾或體積比，如果反應(yīng)完成，通常會導致碳氫化合物的消耗，沒有氧化劑剩余。在蒸汽轉(zhuǎn)化器中，它是蒸汽與碳的比率。

以天然氣為基礎(chǔ)的DRI生產(chǎn)的能耗是眾所周知的，并確定為每噸DRI消耗10.4千兆焦耳?；贜G的DRI生產(chǎn)也導致了較低的二氧化碳排放量，從每噸鋼0.77噸二氧化碳到每噸鋼0.92噸二氧化碳，這取決于使用的電力類型。

在BF中注入NG

NG作為一種輔助燃料被注入到BF的壺嘴中。它與富含O2的熱鼓風一起注入。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BF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(yīng)。

明顯更高的NG注入率（通過水口）是不可行的，因為在水口注入NG會對流道絕熱火焰溫度（RAFT）產(chǎn)生內(nèi)熱效應(yīng)。這極大地限制了可以通過分水器注入的NG數(shù)量。為了補償火焰溫度的降低，熱鼓風需要富含O2。然而，鼓風中O2含量的增加降低了N2含量，這反過來又導致頂部氣體溫度下降。頂層氣體溫度必須始終高于露點，以防止在BF的上部出現(xiàn)任何不良的冷凝現(xiàn)象。

質(zhì)量和能量平衡的計算表明，在BF噴口的NG注入率不能超過每噸熱金屬150公斤（kg/tHM）。這可以通過計算不同的NG注入率所允許的熱風O2富集水平來證明，這樣就可以滿足頂部氣體溫度大于最小值和RAFT大于最小值的條件。這兩個條件定義了BF的 "操作窗口"。因此，要保持最低RAFT（通常在1700攝氏度到1900攝氏度之間）和最低氣體溫度（通常平均高于100攝氏度）以確保BF的穩(wěn)定運行。

由于火焰溫度和頂部氣體溫度的雙重限制，可以在噴口注入的天然氣數(shù)量受到限制。如果要提高天然氣在BF中的利用率，就必須采取不同的方法。根據(jù)這種方法，需要在BF軸的高處注入NG，即分水口的上方。在爐軸上注入NG預計會導致CH4在鐵/氧化鐵上的裂解，眾所周知，鐵/氧化鐵可以作為C沉積的催化劑。目前，在HYL直接還原工藝中利用了將NG直接注入氧化鐵軸的做法。HYL零改造（ZR）工藝（也被稱為Energiron工藝）通過結(jié)合高還原溫度（高于1050攝氏度）和豎爐內(nèi)的 "原位 "改造，優(yōu)化了其整體能源效率。

將NG注入BF的豎爐，預計將導致CH4在高溫下裂解，通常高于800攝氏度（開爾文）。此外，在這些地區(qū)存在的CO2和H2O預計會對CH4進行改造，并產(chǎn)生CO和H2。預計CO、CO2、H2和H2O的濃度將被水-氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)所控制。將天然氣注入BF的預期反應(yīng)如下：

甲烷裂解 - CH4 = C + 2H2，在298攝氏度時，Delta H = +75.6千焦耳/每摩爾（kJ/mol）的CH4

甲烷的二氧化碳轉(zhuǎn)化 - CH4 + CO2 - 2CO + 2H2，在298度K時的Delta H = 247千焦/摩爾的CH4

甲烷的蒸汽重整--CH4 + H2O = CO + 3H2，在298度時的Delta H = 206 kJ/mol的CH4

水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)--CO + H2O = CO2 + H2，在298度K時的Delta H = -41.1 kJ/mol

由上述反應(yīng)產(chǎn)生的H2和CO氣體在BF軸上移動并參與還原反應(yīng)。需要注意的是，水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)在高溫下是動力學上有利的，在低溫下是熱力學上有利的，因為反應(yīng)的平衡常數(shù)隨著溫度的升高而降低。由于從反應(yīng)物到產(chǎn)品的體積沒有變化，反應(yīng)平衡不受壓力變化的影響。

同樣，還原性氣體的軸注入是歐洲 "超低二氧化碳煉鋼（ULCOS）計劃 "中考慮的選項之一。爐頂氣體循環(huán)BF工藝（ULCOS-TGRBF）（已經(jīng)在試驗階段進行了測試）從爐頂氣體中去除CO2，并在熔爐的壺嘴和下部軸區(qū)重新注入剩余的CO和H2。

天然氣作為爐內(nèi)燃料

天然氣是主要的能源之一，可用于滿足鋼鐵行業(yè)的加熱要求。它是一種極其重要的能源，可以減少污染，保持清潔和健康的環(huán)境。與其他能源，特別是其他化石燃料相比，使用天然氣還具有許多環(huán)境優(yōu)勢。

基本上，需要能源的工業(yè)應(yīng)用，特別是供暖，都是利用化石燃料的燃燒來獲得能源。由于其清潔燃燒的性質(zhì)，盡可能使用天然氣，無論是與其他化石燃料一起使用，還是替代它們，都有助于減少有害污染物的排放。

NG主要由CH4組成，其燃燒的主要產(chǎn)品是CO2和水蒸氣。CH4的燃燒過程包括CH4和O2之間的反應(yīng)。當這個反應(yīng)發(fā)生時，結(jié)果是CO2、H2O和大量的能量。顯示CH4燃燒的反應(yīng)由方程式CH4[g] + 2O2[g] = CO2[g] + 2H2O[l] + 891 kJ表示。

作為最清潔的化石燃料，天然氣可以在許多方面被用來幫助減少排放到大氣中的污染物。燃燒NG代替其他化石燃料排放的有害污染物較少，增加對NG的依賴可能會減少許多這些最有害的污染物的排放。另一方面，天然氣的燃燒釋放出非常少量的硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx），幾乎沒有灰燼或顆粒物，以及較低水平的二氧化碳、一氧化碳和其他反應(yīng)性碳氫化合物。

基于天然氣的發(fā)電

基于天然氣的發(fā)電廠通過燃燒天然氣作為其燃料來發(fā)電。有許多類型的基于天然氣的發(fā)電廠，它們都能發(fā)電，但用途不同。天然氣發(fā)電廠價格便宜，建造速度快。與其他發(fā)電廠相比，它們的熱力學效率也非常高。天然氣可用于發(fā)電的方式多種多樣，如下所示。

傳統(tǒng)的鍋爐式發(fā)電 - 最基本的天然氣發(fā)電包括一個蒸汽發(fā)電裝置，其中天然氣在鍋爐中燃燒以加熱水并產(chǎn)生蒸汽，然后使渦輪機轉(zhuǎn)動以發(fā)電。盡管這些基本的蒸汽裝置在大型煤炭或核能發(fā)電設(shè)施中更為典型，但天然氣也可用于這一過程。這些基本的蒸汽發(fā)電裝置的能源效率相當?shù)汀ＭǔＧ闆r下，在這些類型的機組中，只有33%到35%的用于產(chǎn)生蒸汽的熱能被轉(zhuǎn)化為電能。

聯(lián)合循環(huán)機組 - 許多新的燃氣發(fā)電廠被稱為 "聯(lián)合循環(huán) "機組。在這些類型的發(fā)電設(shè)施中，有一個燃氣輪機和一個蒸汽裝置，都是一體的。燃氣輪機的運行方式與普通燃氣輪機基本相同，利用天然氣燃燒后釋放的熱氣來轉(zhuǎn)動渦輪機并發(fā)電。在聯(lián)合循環(huán)電廠中，燃氣輪機過程中的廢熱被用于產(chǎn)生蒸汽，然后像蒸汽裝置一樣用于發(fā)電。由于這種對天然氣釋放的熱能的有效利用，聯(lián)合循環(huán)電廠比單獨的蒸汽裝置或燃氣輪機的效率要高很多。事實上，聯(lián)合循環(huán)電廠的熱效率可以達到50％至60％。

集中式燃氣輪機發(fā)電廠 - 所有這些發(fā)電廠都使用燃氣輪機和內(nèi)燃機來發(fā)電。在這些類型的機組中，不是加熱蒸汽來驅(qū)動渦輪機，而是利用燃燒天然氣產(chǎn)生的熱氣來驅(qū)動渦輪機并發(fā)電。燃氣輪機和內(nèi)燃機工廠傳統(tǒng)上主要用于高峰負荷需求，因為可以快速和容易地打開它們。由于技術(shù)的進步和有天然氣的地方，這些工廠已經(jīng)越來越受歡迎。然而，它們在傳統(tǒng)上仍然比大型蒸汽驅(qū)動的發(fā)電廠效率略低。

在氣焊和氣割作業(yè)中使用NG

NG氣體由于其高CV值而被用于氣焊和氣割操作，這取決于它的可用性。對于鋼的氧燃料氣割，NG被用于手動氣割炬和自動機器安裝的氣割裝置中。它也被用于小方坯、大方坯和板坯連鑄機的氣割設(shè)備中。