天然气冲天炉（1）

天然气冲天炉（1） 天然气冲天炉(1) 天然气冲天炉 最早的天然气冲天炉可能出现于上世纪初的苏联，来源于当时苏联人对燃油冲天炉的改进。上世纪60,70年代，英国、美国、德国等也先后开始了天然气冲天炉的研发。天然气冲天炉有非常广泛的前景，避免了焦炭中的,、,等有害元素进入铁液，在球铁生产中可避免脱,的麻烦。由于天然气属于清洁能源，同时吨铁液熔化的燃料费用低于燃焦冲天炉，因此国内目前对天然气冲天炉有了明显的市场需求。天然气与燃焦冲天炉吨铁熔化燃料成本的对比如表-1。 表-1 天然气冲天炉与燃焦冲天炉吨铁燃料成本 对比项目 燃焦冲天炉 天然气冲天炉 备注 铁焦比 8 — 天然气冲天炉燃料消耗指标一般为70,3燃料消耗指标 125kg/t 铁 80Nm/t铁 380 Nm/t铁 焦炭价格按照当前山西二级冶金焦价格 计算，天然气价格按照当前太原民用价格计32.1元/m天然燃料单价 2.2元/kg焦炭 算 气 有关计算未考虑工业用气的价格低于民 用的因素 吨铁燃料费用 275 元/t铁 168元/t铁 天然气冲天炉(2) 天然气冲天炉 1.天然气冲天炉中的燃烧反应 天然气是地下岩层中以烃为主的混合气体的统称，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等，其主要成分甲烷约为93-98%，另外包含少量的乙烷、丙烷、丁烷、氢气、二氧化碳、氮气、硫化氢等。甲烷的物理性能如表2。 表2 甲烷的物理性质 3熔点/? 沸点/? 燃点/? 在空气中燃爆的临界浓度 /(,%) 标准状态下的密度 /(kg/Nm) -182.5-161.5 537 3.0,16.0 0.71 天然气冲天炉的热量主要来源于甲烷的燃烧，甲烷在氧气中燃烧的化学反应为: CH+2O=CO+2HO-ΔH 4222 天然气冲天炉(3) 天然气冲天炉 其中，ΔH=802.23kJ/mol，即在标准状态下，每摩尔甲烷(16g甲烷)在氧气中燃烧， 放出的热量为802.23kJ(低发热值)。在标准状态下，每立方米纯甲烷为44.64mol 333(0.714kg/Nm)，燃烧可以放出35811.55kJ的热量，需要2Nm的氧气(合9.52 Nm空气)。 天然气冲天炉中不存在焦炭，基本不存在CO还原为CO的反应，炉气中CO的含量几2 乎等于零。因此天然气冲天炉的燃料利用率高、炉气中基本不包含化学热，炉中的冶金反应 也不同于燃焦冲天炉。两种冲天炉的燃烧学对比如表-3。 表-3 天然气与燃焦冲天炉的燃烧学对比 对比项目 天然气冲天炉 燃焦冲天炉 备注 CH+2O=CO+2HO 4222 CH+4 ?100 ?0.4,0.6 燃烧比 单位燃料的反应热335811.55kJ/Nm k(23802+10268)kJ/kg焦炭 k 为焦炭的固定碳含量 CC ΔH 3 单位燃料燃烧所需4.45k(1+)Nm/ kg焦炭 C33 9.52Nm/Nm天然气 空气 N 71.5 79 完全燃烧2 CO 9.5 21 时的炉气2 19.0 0 成分% HO ()2g 333 炉气产量 6.762 Nm/Nm天然气k(5.378+3.511 )Nm/ kg焦炭 C 天然气冲天炉(4) 天然气冲天炉 2.天然气冲天炉的热交换与冶金反应 天然气冲天炉的燃烧、炉气成分、热交换方式等与燃焦冲天炉有很大区别，其中的热交换、冶金反应明显区别于燃焦冲天炉。 (1)与燃焦冲天炉相比，天然气冲天炉的过热区不存在焦炭与铁液的对流换热，同时炉气中的水蒸气含量很大、辐射能力强，因此铁液过热主要依靠炉气、炉壁的辐射(约占95%)。影响铁液温度的主要因素为炉气温度、铁液滴的直径、辐射换热系数等。 (2)与燃焦冲天炉相比，由于炉内不存在焦炭，铁液不存在焦炭增硫、增碳过程。同时由于炉气主要为CO，基本不存在CO，炉气氧化性强，Fe、Si、Mn等元素烧损率较高。 2 元素烧损发生在铁液与炉气的接触过程中。影响铁液氧化烧损的主要因素为空气过量系数、铁液滴穿过炉气的时间或距离等。因此控制元素烧损，应该首先在保证天然气完全燃烧的前提下，减少空气过量系数;同时在冲天炉的结构设计上，在充分保证铁液过热的前提下，减少炉气与铁液之间的作用时间。 表-4为天然气冲天炉的炉气(CO、HO)之间、炉气与金属(用M代表)之间可()22g 能进行的一些冶金反应，可以进一步解释在空气过量的条件下，炉气中CO与H的来源，2同时说明空气过量系数对炉气氧化性有直接影响。表-5为某天然气冲天炉空气过量系数与Si、Mn元素烧损率的关系。表-6为天然气与燃焦冲天炉元素烧损的对比数据。 天然气冲天炉(5) 天然气冲天炉 表-4 天然气冲天炉中的冶金反应 反应名称 反应式 热效应 说明 CO与金属M的氧化CO使金属烧损，炉气因炉气中22CO+M?MO+CO 吸热 2反应 此含CO CO进行水煤气反应，水蒸气与HO与CO反应 HO+CO=H+CO 弱放热 ()()2g2g22炉气因此含H 2 空气过量系数对炉气氧化性有H与MO的还原反应 H+MO?M+HO 放热 222直接影响 表-5 某天然气冲天炉的空气过量系数与元素烧损率 元素烧损率% 空气过量系数 硅 锰 1 15,20 18,20 1.2 ,40 ,60 天然气冲天炉(6) 天然气冲天炉 表-6 天然气与燃焦冲天炉元素烧损率的对比 普通冲天炉 天然气冲天炉 元素 备注 增减趋势增减率 % 增减趋势 增减率 % 铁 , 0.5,1 , 1,2 碳 ，3, 8 , 3,10 硅 ,15, 20 ,18, 25 锰 ,20, 25, 20, 25 硫 +40 ,80? 0 磷 ? 0 ? 0 天然气冲天炉(7) 天然气冲天炉7 3.天然气冲天炉的结构 (1)我国70年代的天然气冲天炉 我国70年代，因为焦炭供应不足，曾出现过天然气冲天炉。图-1为自贡空气压缩机厂的两种1.5t/h天然气冲天炉，主要由燃烧室、前炉、竖炉三部分组成。燃烧室设置在冲天炉最左端，前炉设置在燃烧室与竖炉之间。(a)基本相同于燃油冲天炉，(b)基本相同于煤粉冲天炉。 我国70年代天然气冲天炉的结构基本来源于燃油、煤粉冲天炉，其竖炉的底部、前炉(或者熔池)与竖炉连接的火口，结构复杂、修砌比较麻烦，容易因此发生熔化故障，因此该类型的天然气冲天炉，炉龄短、不适合于长期连续熔化。 (2)当前国外的天然气水冷冲天炉 当前国外的天然气冲天炉一般为水冷长炉龄冲天炉，一般均采用水冷炉栅(如图-2)。其中(a)将天然气烧咀设置在炉缸，结构简单、修炉方便;(b)在炉外设置了天然气燃烧室，通过火道将高温炉气引入炉缸，结构比较复杂。 (3)水冷炉栅 (a) (b) 图-1 自贡空压机厂的两种1.5t/h天然气冲天炉 水冷炉栅是天然气冲天炉的关键部件。水冷炉栅的作用为支持上部炉料，在炉栅和天然气烧咀之间形成高温气体的均匀混合空间。因此水冷炉栅应该有一定的强度和抗弯曲能力，同时应该结构简单、性能可靠、便于检修、更换，制造、使用成本低廉。 天然气冲天炉(8) (a) (b) 图-2 当前国外的天然气水冷冲天炉 天然气冲天炉 4.天然气冲天炉的熔炼过程与控制 (1)铺垫陶瓷球、吹扫炉膛 在水冷的炉栅上铺垫一定厚度的陶瓷球，然后开风清扫炉膛内可能积存的天然气，防止点火引起天然气爆炸。 (2)点火预热 天然气烧咀的点火程序为:先开风、后开气、再点火，使天然气燃烧并逐步增大天然气的量和风量，预热冲天炉约40,60分钟。天然气的供气压力一般为100,350kPa(0.1, 20.35kg/cm)。 (3)装料和熔化 炉膛预热完成后，在炉内加入金属炉料和造渣材料，开始熔化。天然气燃烧产生的热气流通过陶瓷球层、加热陶瓷球层上的金属炉料使其熔化，穿过熔化区的炉气预热未熔化的 固态金属炉料，同时使石灰石分解熔融。脱离炉料的热尾气通过热交换器中被冷却，同时产生热风供给冲天炉，尾气由布袋除尘器净化后排入大气。 金属炉料熔化产生的铁液，在通过陶瓷球层、高温炉气的过程中，被进一步加热落入炉底，通过连续式渣铁分离槽、去除炉渣，最后进入回转前炉。如果炉膛预热充分，该炉装料时即开始熔化，装料开始约15分钟后，即可以在连续出铁槽看见铁液。天然气冲天炉的炉渣量少，熔化开始两个小时左右，连续出铁出渣槽才开始出渣。 (4)熔化控制 3天然气冲天炉的操作控制比燃焦冲天炉简单。其熔化控制主要为风气比控制，1Nm天然 3气的空气量约为10,10.5Nm，即风气比为10,10.5。观察冲天炉加料口的炉气颜色，可以判断空气(风)量是否合适。如果炉气中夹有黑烟，说明空气量不足，需要增大风量。 增加天然气的供应量、同时增加风量，可以提高天然气冲天炉的熔化率。 (5)停火停风 天然气冲天炉必须按照先停气(停火)、后停风的顺序停火停风，防止冲天炉爆炸伤人，操作人员中毒。 天然气冲天炉(9) 天然气冲天炉 5.天然气冲天炉的优越性和局限性 (1)天然气很容易完全燃烧生成CO和水蒸气，燃料的燃烧效率大大高于焦炭燃烧，2 同时炉气中包含大量辐射能力强的水蒸气，因此不仅节省燃料，而且炉气辐射能力强、加热效率高，吨铁液燃料成本低。但是，天然气冲天炉没有铁液增碳过程，铁液需要通过在电炉中添加增碳剂增碳;另外炉气氧化气氛强，金属元素烧损率高于燃焦冲天炉，同时天然气冲天炉 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 炉料氧化锈蚀程度低。 (2)冲天炉使用管道输送的天然气，避免了焦炭存储、运输和挑选的烦恼，使用方便、容易调节和控制，工厂环境整洁。 (3)天然气冲天炉熔炼操作性能灵活，熔化率调节范围大，可随时中断熔炼过程。 (4)天然气冲天炉铁液温度稳定，铁液化学成分稳定，碳、硅、锰等元素的烧损率稳定，不增硫，生产球铁不需要进行铁液脱硫。 (5)天然气冲天炉配套设备少、投资少;冲天炉除尘设备除尘负荷小、投资低、运行费用低。 (6)天然气冲天炉的尾气不包含SO、无异味，CO含量很低，含尘量低，对空气的污2 染小;炉渣量少于燃焦冲天炉，炉渣中的有害物质少;生产球铁时不产生脱硫渣，固态废渣少，有利于保护环境。 6.天然气冲天炉的安全生产 (1)防止冲天炉爆炸 甲烷的着火温度为645,850?，着火浓度为5.3,13.9%，爆炸极限浓度为5,15%，因此天然气冲天炉容易发生爆炸。每次点火前必须首先用空气吹扫炉膛，去除炉内残存的天然气。 (2)防止甲烷中毒 空气中含有25,30%的甲烷时，会对人产生轻度麻痹作用，致人头晕。如果空气中甲烷含量超过30%，会使人窒息死亡。