天然氣及其在鋼鐵行業的應用

天然氣（NG）是一種環保的不可再生的氣態化石燃料，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，在幫助許多行業減少排放和改善整體空氣質量方面起著重要作用。它通常以以下方式供應：（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。

當與必要數量的空氣混合并點燃時，天然氣燃燒時產生清潔的藍色發光火焰。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，聯合國編號為1971。

天然氣的數量以正常立方米（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絡進行遠距離運輸（長達5000公里）。管道中的天然氣壓力取決于幾個因素，包括（i）要運輸的天然氣數量，（ii）管道的直徑，（iii）涉及的距離，以及（iv）天然氣管道和環境的安全。通過管道供應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，經過壓縮（200個大氣壓到250個大氣壓）進入容器，然后再轉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計好的容器中，更容易運輸到用戶手中。在目的地距離一般在5000公里以上的地方，天然氣通常以LNG形式運輸。

NG在鋼鐵行業的用途

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

圖1 天然氣在鋼鐵行業的用途

天然氣作為還原劑

天然氣作為還原劑主要用于煉鐵。在以天然氣為基礎的直接還原鐵（DRI）生產過程中，需要將天然氣轉化為高氫（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生產中使用NG

NG重整是一種先進和成熟的生產工藝。NG重整生產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生反應，產生H2、CO和相對少量的CO2。蒸汽轉化是一個內熱過程，這意味著需要向該過程提供熱量以使反應得以進行。SMR反應是CH4 + H2O（+熱量）= CO + 3H2。

在DRI生產過程中，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發生的催化反應，產生了重整的氣體。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生產過程通常使用固體催化劑進行氣相反應。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。

在重整爐中發生的主要蒸汽重整反應是CnH（2n+2）+n H2O=（2n+1）H2+nCO。在蒸汽重整過程中，有可能出現重碳氫化合物的裂解。裂解反應是CnH（2n+2）=（n+1）H2+nC。這也被稱為碳（C）沉積反應。在實際操作中，在DRI生產過程中，由于來自豎爐的爐頂氣體被循環使用，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。下面給出了CH4的重整反應，該反應產生由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)

改質器和催化劑的設計應使其在促進改質反應的同時，不允許發生碳沉積反應。對于蒸汽轉化器，NG氣體需要被脫硫。

DRI的生產過程通常使用化學計量重整器。在這種轉化器中，化學計量比是一個重要參數。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。在蒸汽轉化器中，它是蒸汽與碳的比率。

以天然氣為基礎的DRI生產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。

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）產生內熱效應。這極大地限制了可以通過分水器注入的NG數量。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的上部出現任何不良的冷凝現象。

質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）通過結合高還原溫度（高于1050攝氏度）和豎爐內的 "原位 "改造，優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，在這些地區存在的CO2和H2O預計會對CH4進行改造，并產生CO和H2。預計CO、CO2、H2和H2O的濃度將被水-氣體轉換反應所控制。將天然氣注入BF的預期反應如下：

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

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

由上述反應產生的H2和CO氣體在BF軸上移動并參與還原反應。需要注意的是，水氣轉移反應在高溫下是動力學上有利的，在低溫下是熱力學上有利的，因為反應的平衡常數隨著溫度的升高而降低。由于從反應物到產品的體積沒有變化，反應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BF工藝（ULCOS-TGRBF）（已經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重新注入剩余的CO和H2。

天然氣作為爐內燃料

天然氣是主要的能源之一，可用于滿足鋼鐵行業的加熱要求。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境優勢。

基本上，需要能源的工業應用，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，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，其燃燒的主要產品是CO2和水蒸氣。CH4的燃燒過程包括CH4和O2之間的反應。當這個反應發生時，結果是CO2、H2O和大量的能量。顯示CH4燃燒的反應由方程式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性碳氫化合物。

基于天然氣的發電

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

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

聯合循環機組 - 許多新的燃氣發電廠被稱為 "聯合循環 "機組。在這些類型的發電設施中，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動渦輪機并發電。在聯合循環電廠中，燃氣輪機過程中的廢熱被用于產生蒸汽，然后像蒸汽裝置一樣用于發電。由于這種對天然氣釋放的熱能的有效利用，聯合循環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，聯合循環電廠的熱效率可以達到50％至60％。

集中式燃氣輪機發電廠 - 所有這些發電廠都使用燃氣輪機和內燃機來發電。在這些類型的機組中，不是加熱蒸汽來驅動渦輪機，而是利用燃燒天然氣產生的熱氣來驅動渦輪機并發電。燃氣輪機和內燃機工廠傳統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。由于技術的進步和有天然氣的地方，這些工廠已經越來越受歡迎。然而，它們在傳統上仍然比大型蒸汽驅動的發電廠效率略低。

在氣焊和氣割作業中使用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備中。