置換比

焦爐煤氣作為煉焦的副產品，鋼鐵企業主要將其作為加熱燃料來使用。近年來，隨着企業內能量利用率的提高和替代燃料的使用，部分鋼鐵企業的焦爐煤氣有了一定的富餘量。越來越多的鋼鐵企業開始努力尋求富餘焦爐煤氣更為合理的利用途徑。

李昊堃等對焦爐煤氣的利用途徑進行了分析，認為高爐噴吹焦爐煤氣能夠充分發揮煤氣中H2的價值，替代焦炭的意義重大，且有利於節能減排，值得在鋼鐵企業推廣。焦爐煤氣替代焦炭的置換比，是焦爐煤氣在高爐噴吹是否可行的最重要的指標之一。目前，國內對焦爐煤氣替代焦炭置換比的研究很少，鋼鐵企業只能根據國外的經驗數據對置換比進行預測，與本廠實際情況可能存在較大偏差。對鋼鐵企業分析高爐噴吹焦爐煤氣在本廠的可行性意義重大 ^[1]  。

在冶煉相對穩定的前提下，以整個高爐為基礎，焦炭和焦爐煤氣在爐內所釋放的熱量的比值即為置換比。根據蓋斯定律，要計算焦炭和焦爐煤氣在高爐內釋放的熱量，只需計算其進入高爐和離開高爐時的熱值差。

1.國外焦爐煤氣成分常以元素分析的形式給出，置換比單位常用kg/kg表示。但國內焦爐煤氣一般以體積分數的形式給出，為鋼鐵企業計算方便，採用體積分數計算，置換比以kg/m3 為單位，熱量以kJ為單位；

2.由於國內焦爐煤氣中碳氫化合物種類複雜，為計算簡便，通常將其折算成CH4，並忽略焦爐煤氣中少量的水、O2及微量雜質的影響，認為焦爐煤氣僅含有CH4、H2、CO、CO2和N2；

3.一般焦炭中揮發分的質量分數為0．8%～1．2%，對焦炭在高爐內放熱影響很小，這裏將其忽略。

除去揮發分，焦炭主要由固定碳和灰分組成。將高爐作為密閉容器，焦炭進入高爐後，經過一系列複雜的化學反應和物理變化，最終固定碳以煤氣的形式離開高爐，灰分以爐渣的形式排出高爐 ^[2]  。

如何提高置換比，是高爐噴吹焦爐煤氣工藝研究的焦點問題。通過對置換比影響因素進行分析，可幫助鋼鐵企業找出提高置換比的突破口。由置換比的公式分析可知，置換比主要與焦爐煤氣的成分、爐頂煤氣温度、噴吹焦爐煤氣時煤氣的利用率（CO、H2）和焦炭中固定碳的質量分數等因素有關。

有關置換比的兩點説明：

1）焦爐煤氣的成分取決於煉焦配煤情況、煉焦工藝制度及碳化室密封情況。焦爐煤氣的成分較多，一一討論過於複雜。

CO、CO2和N2含量較低，波動較小，這裏認為這些成分固定，體積分數分別為7%、2%和3%。焦爐煤氣成分僅與CH4和H2有關，兩者體積之和為88%。

2）焦炭中含有少量的水分和揮發分，為方便計算，假設水分和揮發分之和為3%，固定碳和灰分之和為97%。

在不同條件下，爐頂煤氣温度基本對置換比無明顯影響。計算表明，爐頂煤氣温度每提高10℃，置換比降低約0.0006。這是因為爐頂煤氣温度僅與煤氣所帶走的熱量QGasCoke和QGasCOG有關，在爐頂煤氣温度變化範圍內，其值變化均在10的數量級，而焦炭和焦爐煤氣在高爐中所釋放的熱量QCoke和QCOG均在104 數量級。爐頂煤氣温度對置換比基本上沒有影響。

由於爐頂煤氣温度對置換比的影響基本可忽略不計，在計算時，若無法獲得準確的爐頂煤氣温度，可代入典型高爐的爐頂煤氣温度進行計算。下面的討論中，爐頂煤氣温度取200℃ ^[3]  。

焦爐煤氣中CH4的體積分數每升高一個百分點，置換比升高0.0075左右。焦爐煤氣在風口前不完全燃燒放熱，且1m3 的CH4生成1m3 的CO 和2m3 的H2，比等體積的H2放熱要多，因此QNetCOG增加，置換比增大。

由此可見，焦爐煤氣中CH4所佔的比例越大，置換比越高。但對於鋼鐵企業而言，焦炭的質量要遠遠比焦爐煤氣的成分重要，因此通過改變煉焦配煤或煉焦工藝來提高焦爐煤氣中CH4並非合理之舉。但鋼鐵企業可以考慮加強碳化室的密封，儘量減少空氣或燃燒室煙氣的漏入，從而增大CH4所佔的比例是可行的途徑。

CO的利用率每升高一個百分點，置換比升高0．006　9左右。這是因為提高CO的利用率，H2的利用率會隨之提高。這就意味着更多的CO和H2轉化為CO2和H2O，焦爐煤氣在高爐中所釋放的熱量QNetCOG增加，置換比增大。

CO和H2的利用率之間存在着一定的關係。此公式是在高爐H2的含量較低的情況下得出的，但隨着焦爐煤氣噴吹量的增加，爐腹煤氣的H2的含量增加，H2的利用率和CO利用率之間的關係還有待研究。因此，討論置換比和H2的利用率的關係是很有必要的，假定CO固定為48%。在CO的利用率不變的情況下，H2的利用率提高一個百分點，置換比提高約0.0092。結果表明，H2的利用率對置換比的影響非常大。

有研究表明，由於水煤氣置換反應的存在，使H2有促進CO還原的作用，相當於是CO還原反應的催化劑。因此，如何科學調節高爐內煤氣流的分佈，充分利用焦爐煤氣中富含的H2，提高高爐的煤氣利用率，從而提高置換比，值得鋼鐵企業和科研單位深入研究 ^[2]  。

焦爐煤氣所置換的焦炭中固定碳含量越高，置換比越低。計算表明，固定碳含量每升高一個百分點，置換比下降0.0066左右。這是因為焦炭中固定碳含量越高，焦炭中固定碳在高爐中所釋放的熱量越高，而灰分所形成的爐渣帶走的熱量越少，置換比減小。

置換比與所替代的焦炭中固定碳含量有很大的關係，因此，在各個企業比較置換比時，應給出所替代焦炭中的固定碳含量。否則，置換比的數值將失去其意義 ^[3]  。

1）通過對焦炭和焦爐煤氣在高爐內的熱平衡分析，推導出了焦爐煤氣替代焦炭的理論置換比公式。鋼鐵企業可將自身的冶煉條件代入進行計算，對置換比進行預測，為企業分析高爐噴吹焦爐煤氣的合理性提供理論參考依據。

2）爐頂煤氣温度對置換比的影響基本可忽略，在無法獲知爐頂煤氣温度的情況下，可代入典型值進行計算；焦爐煤氣的成分雖然對置換比的影響很大，但煉焦工藝優先考慮焦炭質量，改變配煤或工藝制度以提高焦爐煤氣中CH4的體積分數是不可行的，只能通過加強碳化室密封等手段減少雜質的漏入以提高焦爐煤氣質量；高爐的煤氣利用率對置換比影響很大，在噴吹焦爐煤氣時，如何科學調整高爐的操作制度，從而發揮出焦爐煤氣中H2對CO還原的促進作用，值得深入研究；此外，置換比與焦炭中固定碳含量有很大關係，因此在評價置換比高低時，必須給出相應的焦炭中固定碳含量 ^[1]  。