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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?xì)浠衔铮ㄈ缂淄榛虮椋?、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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)域領(lǐng)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(yīng)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?fàn)t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(yīng)用。

圖1 燃料氣體的類型及其在鋼鐵廠的應(yīng)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(luò)被運輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方（可達(dá)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(yīng)給消費者。

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(jìn)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?xì)浠衔锘旌衔?，通常體積百分比超過85%。NG中的其他碳?xì)浠衔锇ú煌瑪?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(lán)色火焰。它被認(rèn)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(dāng)于0攝氏度和1個大氣壓）或標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（相當(dāng)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(chǔ)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(shè)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(yīng)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(fēng)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(yīng)。

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?xì)浠衔?。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?xì)浠衔铩?/p>

LPG在大氣壓力和環(huán)境溫度下是一種氣體，但當(dāng)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(yīng)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(yuǎn)，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(jī)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(yīng)的蒸汽壓力。蒸汽壓力取決于溫度以及碳?xì)浠衔锏幕旌媳壤?。在滿液狀態(tài)下，任何液體的進(jìn)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(jī)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(dāng)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(dāng)?shù)臒嶂怠＿@些氣體是（i）高爐（BF）氣體，（ii）焦?fàn)t（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(fēng)中的N2和焦炭中的碳反應(yīng)而形成的。該反應(yīng)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?xì)怏w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)鞑ヂ实停ǔ５陀谌魏纹渌胀怏w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(xué)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(yù)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?xì)獍l(fā)動機(jī)、發(fā)電用鍋爐、發(fā)電用燃?xì)鉁u輪機(jī)。

焦?fàn)t氣 - COG是在副產(chǎn)品焦?fàn)t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(shè)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?xì)浠衔锏臍馕?。它的LEL值為4.4 %，UEL值為34 %。其蒸汽密度為0.36（空氣=1）。 在標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dǎo)致快速窒息。

清潔的COG通常用于焦?fàn)t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(yán)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(xué)窒息劑。它能置換出氧氣，并通過表現(xiàn)出缺氧的癥狀而導(dǎo)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(xué)式為C2H2的化合物。它是一種不飽和的碳?xì)浠衔?，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(jī)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(dāng)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(dá)到100％。它在水中的溶解度為1.2克/升。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)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?xì)浠衔锏牧呀膺^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(jī)的火焰切割機(jī)。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。