鋼鐵企業(yè)煤氣資源綜合利用實(shí)踐
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【摘要】介紹了某鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣資源利用現(xiàn)狀，通過煤氣管網(wǎng)改造、煤氣分質(zhì)供應(yīng)、燃?xì)廨啓C(jī)零值班燃料改造、高爐煤氣干法除塵改造、高爐供風(fēng)系統(tǒng)一拖二改造、大型燃機(jī)煤氣回流技術(shù)等一系列煤氣利用技術(shù)的研究和改造，提高了副產(chǎn)煤氣資源綜合利用水平。
【關(guān)鍵詞】副產(chǎn)煤氣；綜合利用；煤氣平衡；節(jié)能減排
前言
與國外鋼鐵企業(yè)相比，國內(nèi)鋼鐵工業(yè)是以高爐－轉(zhuǎn)爐流程為主的長流程結(jié)構(gòu)，這種工藝要求使用煤炭作為鐵礦石冶煉的還原劑和能源，其固有特性造成了鋼鐵生產(chǎn)過程中必須消耗大量的煤炭資源，同時伴隨產(chǎn)生大量的二次能源（如煤氣、廢熱等等）。煤炭在鋼鐵生產(chǎn)過程中經(jīng)過能源轉(zhuǎn)換后主要以煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣）、煙氣廢熱、高溫物料廢熱等二次能源形式輸出，其中煤氣資源占企業(yè)總能耗的40%左右[1]。鋼鐵企業(yè)加強(qiáng)煤氣資源的綜合利用，對減少不可再生資源消耗和緩解環(huán)境污染壓力具有重要意義。
1現(xiàn)狀
某鋼廠是一個以高爐－轉(zhuǎn)爐流程為主的長流程結(jié)構(gòu)的大型鋼鐵企業(yè)，在研究和應(yīng)用二次資源綜合利用技術(shù)方面投入了很多，實(shí)施了大量的二次能源回收利用技術(shù)項(xiàng)目，其中與煤氣利用直接相關(guān)的項(xiàng)目包括：低熱值高爐煤氣燃料發(fā)電技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣高效回收利用專有技術(shù)、干式除塵高爐煤氣中氯鹽消除技術(shù)等等。這些技術(shù)的開發(fā)與利用，為企業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、減少能源消耗、提高能源綜合利用率提供了重要的技術(shù)和裝備支撐，取得了顯著成效，綜合能耗指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了較大改善。隨著能源管理的升級與完善，能源管控中心系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，為企業(yè)更加高效、科學(xué)地利用煤氣資源和開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)保障。
2總體技術(shù)方案
相對于具有實(shí)體形態(tài)的煤氣利用設(shè)備設(shè)施，能源管控系統(tǒng)屬于軟科學(xué)技術(shù)。利用能源管控系統(tǒng)的綜合評價(jià)技術(shù)優(yōu)勢，可以對大型企業(yè)內(nèi)部能源流的綜合利用水平和能源平衡做出最高效的分析和調(diào)控。通過能源管控系統(tǒng)對現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，同時對企業(yè)能源利用情況與國內(nèi)先進(jìn)水平進(jìn)行對比，提出了能源科學(xué)、綜合利用的發(fā)展規(guī)劃，總體技術(shù)思路如下：（1）借助于能源管理系統(tǒng)平臺，對煤氣資源進(jìn)行調(diào)度和優(yōu)化分配，消除煤氣資源的不平衡利用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)煤氣的“近零”排放。（2）開發(fā)大型煤氣柜柜位控制技術(shù)，創(chuàng)新研究“峰段多發(fā)電、谷段少發(fā)電”的運(yùn)行模式，充分利用峰谷平用電成本變化優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)分布式煤氣發(fā)電機(jī)組創(chuàng)效最大化。
3具體方案的實(shí)施
在副產(chǎn)煤氣凈化回收利用項(xiàng)目建設(shè)完成之后，副產(chǎn)煤氣的利用率得到了較大提高，但是在工序間、整體煤氣資源整合方面還存在問題，仍然有較大的提升空間。經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析調(diào)研，研究和開發(fā)了基于煤氣資源化和高效化利用的一系列關(guān)鍵技術(shù)：完成了煤氣新用戶開發(fā)及分質(zhì)供應(yīng)、大型煤氣柜柜位控制技術(shù)，高、焦、轉(zhuǎn)三氣動態(tài)調(diào)配技術(shù)、燃機(jī)純低熱值燃料應(yīng)用技術(shù)、高爐煤氣干法除塵技術(shù)、高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(TopGasPressureRecoveryTurbine簡稱TRT)濕改干升級改造技術(shù)、高爐供風(fēng)能源利用效率升級改造技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，取得了良好效果。
3.1優(yōu)化兩區(qū)煤氣系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)控
原來的煤氣調(diào)控采用工序控制方式，富裕煤氣用于發(fā)電，屬于單點(diǎn)控制，存在東西區(qū)利用不平衡，個別時段出現(xiàn)放散的情況。針對此問題，利用轉(zhuǎn)爐煤氣柜動態(tài)緩沖功能和能源管控系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控功能，最大限度消除煉鋼轉(zhuǎn)爐節(jié)奏的變化對轉(zhuǎn)爐煤氣回收的影響，提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收率；同時，根據(jù)轉(zhuǎn)爐煤氣量的測算和能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，提出了利用管網(wǎng)+煤氣柜柜容聯(lián)合調(diào)整煤氣使用的技術(shù)方案。（1）提升兩區(qū)煤氣互調(diào)能力。對東西區(qū)高爐煤氣管道、焦?fàn)t煤氣管道聯(lián)通管道實(shí)施改造，高爐煤氣管道由DN1600增至DN3500，焦?fàn)t煤氣管道由DN800增至DN1600，增加兩區(qū)高、焦?fàn)t煤氣互調(diào)能力，實(shí)現(xiàn)煤氣利用率最大化。（2）實(shí)施煤氣分質(zhì)供應(yīng)。對煤氣西部環(huán)管和三、七加壓站進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)西部軋鋼用煤氣分熱值供應(yīng)，降低生產(chǎn)線混合煤氣熱值，以節(jié)省高熱值焦?fàn)t煤氣消耗。（3）優(yōu)化混合煤氣使用方法。對鋼后加壓站進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)高、焦、轉(zhuǎn)三種煤氣混合后供給連軋、酸再生和?；癄t生產(chǎn)線，靈活調(diào)配轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣用戶，增加了煤氣平衡手段，并由此節(jié)約了焦?fàn)t煤氣。（4）開發(fā)轉(zhuǎn)爐煤氣新用戶。先后開發(fā)了5#高爐、8#高爐和1#六萬發(fā)電等新的轉(zhuǎn)爐煤氣用戶，實(shí)現(xiàn)高、焦、轉(zhuǎn)三種煤氣各用戶之間的平衡使用。（5）合理調(diào)整柜容，優(yōu)化發(fā)電方案。利用1×30萬m3高爐煤氣柜、1×12萬m3焦?fàn)t煤氣柜和2×8萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜的煤氣充排能力，根據(jù)各氣源工藝線生產(chǎn)節(jié)奏、日生產(chǎn)計(jì)劃和發(fā)電電價(jià)，合理控制柜容、調(diào)整發(fā)電負(fù)荷，實(shí)行峰、谷、平煤氣分段分量供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)峰谷發(fā)電負(fù)荷和煤氣峰谷儲備量之間的協(xié)調(diào)供應(yīng)和平衡，降低廠內(nèi)電耗成本。上述措施的實(shí)施，使轉(zhuǎn)爐煤氣回收量達(dá)到了歷年來最好水平，噸鋼回收轉(zhuǎn)爐煤氣147m3，年回收轉(zhuǎn)爐煤氣7億m3。通過新的平衡調(diào)控模式，滿足了各煤氣用戶需求，同時，結(jié)余的煤氣用于高效率的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。副產(chǎn)煤氣實(shí)現(xiàn)了零放散目標(biāo)，形成煤氣系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、科學(xué)、合理的新型運(yùn)行模式。
3.2低熱值燃?xì)廨啓C(jī)零值班燃料技術(shù)改造
燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CombinedCyclePowerPlant簡稱CCPP）是鋼鐵企業(yè)高效利用煤氣資源的重要方法，在不對外供熱時，其發(fā)電效率可達(dá)40%~45%。日產(chǎn)M251S燃機(jī)投入運(yùn)行后，需要依靠焦?fàn)t煤氣值班燃料來維持發(fā)電機(jī)組燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，單機(jī)值班焦?fàn)t煤氣消耗量350m3/h，同時焦?fàn)t煤氣中的萘、焦油易造成燒嘴堵塞導(dǎo)致頻繁事故停機(jī)。根據(jù)鋼鐵企業(yè)燃機(jī)電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，由于焦?fàn)t煤氣問題引起的跳機(jī)比率達(dá)33%[2]。焦?fàn)t煤氣已成為了燃?xì)廨啓C(jī)在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用的瓶頸。分析認(rèn)為，啟機(jī)過程中M251S燃機(jī)的值班焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火程序必不可少，因此值班管道及值班噴嘴不能取消；而使用隔離閥及調(diào)節(jié)閥切斷值班燃料，會造成主燃料沿著值班噴嘴及環(huán)形管道回流，引發(fā)回火爆炸事故。具體改進(jìn)方案：通過對值班管道系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)場增加高爐煤氣吹掃閥、供應(yīng)閥、切斷閥、氮?dú)饷芊忾y、過濾器及節(jié)流孔板等工藝設(shè)備改造，使用壓縮的高壓主燃料流向值班環(huán)形管道及噴嘴，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)值班煤氣切投，并有效避免了主燃料的回火爆炸問題。對應(yīng)工藝管線改造，對控制系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)的修改，重點(diǎn)修改了值班焦?fàn)t煤氣與高壓高爐煤氣切換程序，通過程序控制實(shí)現(xiàn)了值班焦?fàn)t煤氣向高爐煤氣的正常切換。熱值修訂方面主要進(jìn)行了主燃料顯示熱值大于實(shí)際熱值修正、配風(fēng)量修正和焦?fàn)t氣熱值修訂等參數(shù)修正。通過技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了M251S燃?xì)廨啓C(jī)的零值班運(yùn)行，節(jié)約了焦?fàn)t煤氣。
3.3高爐煤氣干法除塵技術(shù)創(chuàng)新
TRT發(fā)電裝置利用高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，通過膨脹透平予以回收，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。使用TRT裝置可以顯著地提高產(chǎn)量，并且將壓力調(diào)節(jié)閥組釋放的壓力能和熱能重新利用，減少廢氣和噪聲對環(huán)境的污染。隨著國家對環(huán)境和能效的日益重視，TRT裝置良好的節(jié)能減排功效使其獲得越來越廣泛的應(yīng)用。隨著TRT技術(shù)研究的不斷發(fā)展和進(jìn)步，干法TRT發(fā)電因其技術(shù)優(yōu)勢逐漸得到推廣應(yīng)用。而對應(yīng)于干法TRT發(fā)電機(jī)組，高爐煤氣的干法除塵技術(shù)研究相應(yīng)發(fā)展起來。與濕法除塵相比，干法除塵具有水耗少、電耗小、煤氣顯熱損失小、TRT發(fā)電能力高、占地小、污染少等優(yōu)點(diǎn)。而隨著國際料礦偏酸性趨勢的形成，高爐煤氣干法除塵后，煤氣中含有大量的氯離子和硫分，后序工藝的防腐蝕問題成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。結(jié)合各高爐工藝特點(diǎn)，采用了下進(jìn)上出式低壓長袋氮?dú)饷}沖干法布袋系統(tǒng)，開發(fā)了氣流分布裝置技術(shù)，有效防止了因氣流分布不均造成布袋壽命縮短的問題，研發(fā)了全封閉氣體輸灰放灰技術(shù)、洗滌塔耐沖刷保護(hù)套技術(shù)、噴堿塔捕霧脫水裝置技術(shù)、噴淋水pH值遠(yuǎn)程調(diào)控工藝及控制系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高爐干法除塵+TRT濕改干工藝技術(shù)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的效果。通過技術(shù)創(chuàng)新，在延長除塵器布袋使用壽命的同時，干法TRT較濕法TRT的發(fā)電量提高了20%~35%，每年增加發(fā)電量約2200萬kW•h。
3.4供風(fēng)系統(tǒng)一拖二供風(fēng)技術(shù)創(chuàng)新
根據(jù)能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)有供風(fēng)機(jī)組采用低參數(shù)蒸汽鍋爐驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)，供風(fēng)效率偏低，而自發(fā)電系統(tǒng)卻存在煤氣不足問題。為此，提出了利用AV90風(fēng)機(jī)供風(fēng)1000m3級高爐和一座2000m3級高爐的設(shè)想。需要面對的主要問題是：一方面國內(nèi)沒有同類型供風(fēng)方式經(jīng)驗(yàn)，另一方面兩座高爐要求風(fēng)壓、風(fēng)量也不相同，工藝上實(shí)現(xiàn)難度比較大。經(jīng)過對AV90風(fēng)機(jī)供風(fēng)數(shù)據(jù)及性能曲線與兩座高爐風(fēng)壓、風(fēng)量核算，自主研究開發(fā)了一套一拖二供風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，對現(xiàn)有供風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)及程序?qū)嵤└脑欤哆\(yùn)后效果良好。通過供風(fēng)方案的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了兩臺低效率的中溫中壓煤氣鍋爐及其配套鼓風(fēng)機(jī)組停運(yùn)備用，利用AV90風(fēng)機(jī)同時供風(fēng)兩座高爐，在同等供風(fēng)條件下，置換出13.5萬m3/h高爐煤氣用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，煤氣利用效率提高了15%，扣除電動風(fēng)機(jī)用電，每年可創(chuàng)效約6800萬元。
3.5大型燃?xì)廨啓C(jī)煤氣回流回收技術(shù)
通過一系列的優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣結(jié)余大約35萬m3/h。為了合理高效地利用好這部分煤氣，經(jīng)過充分調(diào)研和論證，決定采用目前效率最高的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電機(jī)組來實(shí)現(xiàn)煤氣的高效利用。因此，建設(shè)了一套150MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)+熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組在啟動過程中為了滿足燃?xì)廨啓C(jī)對煤氣熱值的要求，原設(shè)計(jì)工藝煤氣經(jīng)兩級壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的煤氣溫度在250℃左右，初期產(chǎn)生的不滿足燃機(jī)油-氣切換要求的混合煤氣需要進(jìn)行放散處理，同時停機(jī)過程中為了降低高壓煤氣的回流沖擊，也要進(jìn)行放散處理，這就造成了大量煤氣資源浪費(fèi)，同時增加大氣熱污染。為此，采用了一種新型煤氣回流冷卻裝置[3]。該裝置可以有效地對燃?xì)廨啓C(jī)啟動和停機(jī)階段放散的大量的煤氣進(jìn)行回收，解決放散煤氣由于溫度較高對系統(tǒng)管網(wǎng)的熱應(yīng)力沖擊，并消除放散高壓煤氣對系統(tǒng)管網(wǎng)運(yùn)行的安全威脅，保證其他生產(chǎn)用戶的正常運(yùn)行不受影響。利用該煤氣回流冷卻裝置并配合煤氣柜，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)啟停期間的煤氣零放散，提高了煤氣回收利用率，降低了環(huán)境污染，年可回收混合煤氣50萬m3左右，節(jié)能效果顯著。
4結(jié)語
通過一系列煤氣資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)煤氣資源利用水平的新提升，推動了鋼鐵行業(yè)科學(xué)用能、精準(zhǔn)調(diào)控、綠色發(fā)展等用能管理體系和科學(xué)技術(shù)體系的發(fā)展和完善。鋼鐵企業(yè)煤氣資源的綜合利用，為社會降低燃煤總耗量和控制霧霾做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，具有廣闊的推廣前景，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展具有重要應(yīng)用價(jià)值和示范意義。
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作者：姬抱平 單位：河鋼集團(tuán)邯鋼公司能源中心