正常生产过程中,高炉煤气中含有一定量的氢气,在高炉降料面过程以及炉内漏水等异常情况时,炉顶煤气中氢气含量最高可达到15%以上。高炉煤气是高炉生产过程中产生的副产品,其成分包含CO2、CO、CH4、H2等,少部分由于特殊的原料和燃料,可能含有其他气体,如Cl离子等。
我们今天来探讨一下高炉煤气中氢气的来源以及氢冶金高炉的一些相关知识点。
2 煤气成分中H2的含量变化及影响
在实际生产过程中,炉体完整,原料水分含量波动正常的情况下,高炉煤气中的H2含量低于1%。当出现壁体漏水、风口漏水、炉料水分增加的情况下,煤气中的H2含量上升明显,高的可以达到4%以上。
部分高炉采用监测煤气中H2含量的高低,判断炉内是否漏水,并对高炉操作提供预警和报警功能(有需要的可以联系编者咨询相关在线监测系统)。
对于喷吹天然气、重油、塑料、人造煤气、氢气等条件下,高炉煤气中的H2含量具有很大的差别。
提高喷吹煤气中H2含量,不仅能降低铁的直接还原度,有效地减少直接还原耗碳量,有利于提高高炉过程的间接还原度,降低了焦比[2]。研究也明,当H2含量超过30%之后,随着氢气含量的增加,氢气利用率会逐渐降低,而直接还原度降低的幅度有所减小,且炉内产生的煤气总量也在不断减少,因此,用于高炉中上部以气-固反应形式来还原铁氧化物的还原气体出现不足现象。进而能给矿石提供的热量就会减少。所以,控制合理的H2含量对喷吹富氢煤气是十分重要的。
与传统高炉冶炼相比,高炉喷吹煤气后,炉内气体成分变化很大,特别是H2所占的比例较高,在同样的条件下,氢气还原铁氧化物的速度比CO要快得多,因此,高炉冶炼效率相应地也得到了提高,从H2和CO混合气体与它们分别单独对铁氧化物进行还原的研究结果来看,H2的存在可以促进CO的还原,王婷婷等人经研究得到,使用H2和CO二者的混合气体进行还原要比单独使用CO时的还原率高出15%,混合气体中H2含量每提高1%,还原速度就相应提高3%~5%,可见氢在还原方面的贡献是非常明显的。另外,在高炉喷吹煤气新工艺中,郄亚娜研究表明,当煤气中CO含量不变时,随着煤造气中氢含量的增加,炉内温度降低,软熔带位置下移。而当氢含量超过15%后,炉内温度变化幅度变小,H2利用系数降低。因此,高炉喷吹煤造气需要适当调整气体组分从而保证温度的合理分布和还原气体利用率。