理论置换比(replacement ratio)是指按喷吹燃料中C，H元素含量，并分析其在高炉内参加还原过程应代替的焦炭量计算的理论。按高炉冶炼过程中实际取代的焦炭量计算的，称为实际置换比。喷吹各种燃料的置换比，与该种燃料中C、H元素含量及该燃料在风口高温区分解吸热量多少有关。另外与各厂所使用的焦炭质量，尤其是焦炭灰分有关。

焦炉煤气作为炼焦的副产品，钢铁企业主要将其作为加热燃料来使用。近年来，随着企业内能量利用率的提高和替代燃料的使用，部分钢铁企业的焦炉煤气有了一定的富余量。越来越多的钢铁企业开始努力寻求富余焦炉煤气更为合理的利用途径。

李昊堃等对焦炉煤气的利用途径进行了分析，认为高炉喷吹焦炉煤气能够充分发挥煤气中H2的价值，替代焦炭的意义重大，且有利于节能减排，值得在钢铁企业推广。焦炉煤气替代焦炭的置换比，是焦炉煤气在高炉喷吹是否可行的最重要的指标之一。目前，国内对焦炉煤气替代焦炭置换比的研究很少，钢铁企业只能根据国外的经验数据对置换比进行预测，与本厂实际情况可能存在较大偏差。对钢铁企业分析高炉喷吹焦炉煤气在本厂的可行性意义重大。

在冶炼相对稳定的前提下，以整个高炉为基础，焦炭和焦炉煤气在炉内所释放的热量的比值即为置换比。根据盖斯定律，要计算焦炭和焦炉煤气在高炉内释放的热量，只需计算其进入高炉和离开高炉时的热值差。

1.国外焦炉煤气成分常以元素分析的形式给出，置换比单位常用kg/kg表示。但国内焦炉煤气一般以体积分数的形式给出，为钢铁企业计算方便，采用体积分数计算，置换比以kg/m3 为单位，热量以kJ为单位；

2.由于国内焦炉煤气中碳氢化合物种类复杂，为计算简便，通常将其折算成CH4，并忽略焦炉煤气中少量的水、O2及微量杂质的影响，认为焦炉煤气仅含有CH4、H2、CO、CO2和N2；

3.一般焦炭中挥发分的质量分数为0．8%～1．2%，对焦炭在高炉内放热影响很小，这里将其忽略。

除去挥发分，焦炭主要由固定碳和灰分组成。将高炉作为密闭容器，焦炭进入高炉后，经过一系列复杂的化学反应和物理变化，最终固定碳以煤气的形式离开高炉，灰分以炉渣的形式排出高炉。

如何提高置换比，是高炉喷吹焦炉煤气工艺研究的焦点问题。通过对置换比影响因素进行分析，可帮助钢铁企业找出提高置换比的突破口。由置换比的公式分析可知，置换比主要与焦炉煤气的成分、炉顶煤气温度、喷吹焦炉煤气时煤气的利用率（CO、H2）和焦炭中固定碳的质量分数等因素有关。

有关置换比的两点说明：

1）焦炉煤气的成分取决于炼焦配煤情况、炼焦工艺制度及碳化室密封情况。焦炉煤气的成分较多，一一讨论过于复杂。

CO、CO2和N2含量较低，波动较小，这里认为这些成分固定，体积分数分别为7%、2%和3%。焦炉煤气成分仅与CH4和H2有关，两者体积之和为88%。

2）焦炭中含有少量的水分和挥发分，为方便计算，假设水分和挥发分之和为3%，固定碳和灰分之和为97%。

在不同条件下，炉顶煤气温度基本对置换比无明显影响。计算表明，炉顶煤气温度每提高10℃，置换比降低约0.0006。这是因为炉顶煤气温度仅与煤气所带走的热量QGasCoke和QGasCOG有关，在炉顶煤气温度变化范围内，其值变化均在10的数量级，而焦炭和焦炉煤气在高炉中所释放的热量QCoke和QCOG均在104 数量级。炉顶煤气温度对置换比基本上没有影响。

由于炉顶煤气温度对置换比的影响基本可忽略不计，在计算时，若无法获得准确的炉顶煤气温度，可代入典型高炉的炉顶煤气温度进行计算。下面的讨论中，炉顶煤气温度取200℃。

焦炉煤气中CH4的体积分数每升高一个百分点，置换比升高0.0075左右。焦炉煤气在风口前不完全燃烧放热，且1m3 的CH4生成1m3 的CO 和2m3 的H2，比等体积的H2放热要多，因此QNetCOG增加，置换比增大。

由此可见，焦炉煤气中CH4所占的比例越大，置换比越高。但对于钢铁企业而言，焦炭的质量要远远比焦炉煤气的成分重要，因此通过改变炼焦配煤或炼焦工艺来提高焦炉煤气中CH4并非合理之举。但钢铁企业可以考虑加强碳化室的密封，尽量减少空气或燃烧室烟气的漏入，从而增大CH4所占的比例是可行的途径。

CO的利用率每升高一个百分点，置换比升高0．006　9左右。这是因为提高CO的利用率，H2的利用率会随之提高。这就意味着更多的CO和H2转化为CO2和H2O，焦炉煤气在高炉中所释放的热量QNetCOG增加，置换比增大。

CO和H2的利用率之间存在着一定的关系。此公式是在高炉H2的含量较低的情况下得出的，但随着焦炉煤气喷吹量的增加，炉腹煤气的H2的含量增加，H2的利用率和CO利用率之间的关系还有待研究。因此，讨论置换比和H2的利用率的关系是很有必要的，假定CO固定为48%。在CO的利用率不变的情况下，H2的利用率提高一个百分点，置换比提高约0.0092。结果表明，H2的利用率对置换比的影响非常大。

有研究表明，由于水煤气置换反应的存在，使H2有促进CO还原的作用，相当于是CO还原反应的催化剂。因此，如何科学调节高炉内煤气流的分布，充分利用焦炉煤气中富含的H2，提高高炉的煤气利用率，从而提高置换比，值得钢铁企业和科研单位深入研究。

焦炉煤气所置换的焦炭中固定碳含量越高，置换比越低。计算表明，固定碳含量每升高一个百分点，置换比下降0.0066左右。这是因为焦炭中固定碳含量越高，焦炭中固定碳在高炉中所释放的热量越高，而灰分所形成的炉渣带走的热量越少，置换比减小。

置换比与所替代的焦炭中固定碳含量有很大的关系，因此，在各个企业比较置换比时，应给出所替代焦炭中的固定碳含量。否则，置换比的数值将失去其意义。

1）通过对焦炭和焦炉煤气在高炉内的热平衡分析，推导出了焦炉煤气替代焦炭的理论置换比公式。钢铁企业可将自身的冶炼条件代入进行计算，对置换比进行预测，为企业分析高炉喷吹焦炉煤气的合理性提供理论参考依据。

2）炉顶煤气温度对置换比的影响基本可忽略，在无法获知炉顶煤气温度的情况下，可代入典型值进行计算；焦炉煤气的成分虽然对置换比的影响很大，但炼焦工艺优先考虑焦炭质量，改变配煤或工艺制度以提高焦炉煤气中CH4的体积分数是不可行的，只能通过加强碳化室密封等手段减少杂质的漏入以提高焦炉煤气质量；高炉的煤气利用率对置换比影响很大，在喷吹焦炉煤气时，如何科学调整高炉的操作制度，从而发挥出焦炉煤气中H2对CO还原的促进作用，值得深入研究；此外，置换比与焦炭中固定碳含量有很大关系，因此在评价置换比高低时，必须给出相应的焦炭中固定碳含量。