高爐煤氣的回收利用與平衡

張克弢

（天津鋼鐵集團有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，天津300301）

1 引言

就我國目前的能源構(gòu)成而言，煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)最重要的氣體燃料，而高爐煤氣在氣體燃料中占相當大的比重。天鋼2012年全年共消耗氣體燃料88.0483萬t標準煤，而僅高爐煤氣就消耗了71.5363萬t標準煤，占氣體燃料總耗量達81.25%。高爐煤氣是企業(yè)的副產(chǎn)煤氣，由于其使用量大、用戶停產(chǎn)波及面廣等特點，使得高爐煤氣用氣緊張時，只能直接或間接的通過緩沖用戶來消耗大量天然氣等外購氣源的方式來維持生產(chǎn)。在鋼鐵行業(yè)進入微利時代，能源消費成為各企業(yè)降低生產(chǎn)成本的有效突破口，因此，高爐煤氣的供需平衡是生產(chǎn)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，煤氣資源的合理有效利用對公司的能源效益有著重要的影響。

2 高爐煤氣的性質(zhì)

高爐是冶金生產(chǎn)中燃料的巨大消費者，高爐燃料的熱量約有60%轉(zhuǎn)移到高爐煤氣中。在高爐內(nèi)，由風口吹入的熱風使焦炭燃燒，生成大量的一氧化碳，鼓風所帶入的水蒸氣與焦炭發(fā)生反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳。由于鐵、錳、硅、磷等氧化物直接還原生成一部分一氧化碳，因而煤氣在由下向上沿著料柱間隙上升的過程中，其一氧化碳量也逐漸增加。同時，部分碳酸鹽分解放出的二氧化碳與碳作用生成一氧化碳。在軟化半融區(qū)上部及塊狀區(qū)，鐵礦石還原消耗部分一氧化碳而生成二氧化碳，而煤氣中的氫與碳作用生成少量的甲烷。鼓風中的氮氣不發(fā)生反應(yīng)，仍以氮氣狀態(tài)存在于生成氣中，只是在煤氣量增加時其相對含量有所降低。

高爐煤氣的成分見表1[1]。

高爐煤氣是無色、無味的可燃氣體，發(fā)熱量為3.35～4.19 MJ/m3，約合 800～1000 kcal/m3，理論燃燒溫度為1400～1500℃，著火點為700℃左右。作為高爐冶煉過程中的副產(chǎn)煤氣，其特點是熱值低、產(chǎn)氣量大，與空氣混合爆炸的范圍（體積分數(shù)）在40%～70%，其成分中的氮氣和二氧化碳會使人喘息和窒息，而一氧化碳是有毒成分，也使得高爐煤氣極易造成人體中毒。因而，無法燃用的高爐煤氣必須經(jīng)過點火燃燒后方可放散到大氣當中。

表1 高爐煤氣的主要組成（體積分數(shù)） /%

3 高爐煤氣的回收與利用

高爐產(chǎn)生的粗煤氣首先進入軸流旋風除塵器，通過旋風的作用去除顆粒較大的粉塵，使含塵量由10 g/m3降到2.25 g/m3。然后進入比肖夫洗滌系統(tǒng)，在預(yù)凈化段噴嘴噴出水簾的作用下，粉塵顆粒落入水箱，排到煤氣清洗水處理系統(tǒng)，當煤氣進入凈化段，由于構(gòu)件頂部噴射水和氣流產(chǎn)生很強的喘動，使得細微的塵粒和硫等物質(zhì)與水一同被收集到集水箱，在降低含硫量的同時，使含塵量由2.25 g/m3驟降到5 mg/m3。然后煤氣進入脫水器，在葉片的作用下使氣流產(chǎn)生動力，將氣流中的水滴甩到內(nèi)壁上進行脫水，而后進入TRT。當TRT投入運行，高爐煤氣在經(jīng)過環(huán)縫洗滌塔時，洗滌塔不再調(diào)節(jié)煤氣壓力，而是利用其壓力能（大于100 kPa壓力）投入到透平膨脹機使其作功，并將這部分能量進行回收用來發(fā)電，達到節(jié)能的目的。當TRT檢修時，煤氣則經(jīng)過TRT的旁通閥組進入捕滴器。捕滴器可以將氣體中過多的水霧成分分離，從而提高可燃氣體的純凈度，增加氣體效能，避免高爐煤氣因含水量過大導(dǎo)致氣體性能下降甚至影響燃燒利用的效果，經(jīng)過捕滴器處理后的煤氣即可送入高爐煤氣管網(wǎng)。高爐煤氣回收工藝見圖1。

圖1 高爐煤氣回收工藝

高爐煤氣進入管網(wǎng)后，即可供予各用戶使用，但由于管網(wǎng)空間布局及用戶地域性的差異，在實際生產(chǎn)中，當管網(wǎng)煤氣壓力波動時，中厚板加熱爐等末端用戶所受影響更加明顯。為保證中厚板軋制的連續(xù)性，可在其原有的基礎(chǔ)上適當調(diào)低其煤氣低壓自動切斷值。

以煤氣用氣量的角度而言，高爐煤氣的主要用戶為熱風爐、鍋爐和軋鋼廠的加熱爐。在表2中可知，高爐熱風爐及其煤粉制備均為高爐煤氣單一用戶，而軋鋼各加熱爐則可混入轉(zhuǎn)爐煤氣、鍋爐可加入天然氣，但受管道承載能力和燒嘴性能的限制，轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣均無法完全替代高爐煤氣來維持加熱爐和鍋爐的正常生產(chǎn)，二者只可替換少部分的高爐煤氣，因而保證高爐煤氣的正常供給，仍是穩(wěn)定公司生產(chǎn)的重中之重。

表2 高爐煤氣用戶與緩沖用戶

4 高爐煤氣的平衡

高爐煤氣的平衡分為動態(tài)平衡和靜態(tài)平衡。靜態(tài)平衡主要是以計劃為主，將某一時期內(nèi)高爐煤氣的產(chǎn)生量和使用量，結(jié)合該階段的生產(chǎn)計劃、檢修計劃等影響因素，制定預(yù)測性的平衡。動態(tài)平衡是指高爐煤氣的流量、熱值、壓力因生產(chǎn)過程的變化而相應(yīng)波動，而在實際生產(chǎn)中，由于高爐內(nèi)爐況的波動和物料的變化，管網(wǎng)中高爐煤氣的壓力和熱值也隨之變化，進而使得各煤氣用戶的消耗量時刻發(fā)生著動態(tài)變化。

4.1 動態(tài)平衡

煤氣用戶在某一階段內(nèi)對其加熱所需的熱量是一定的，當煤氣的熱值發(fā)生動態(tài)變化時，用戶對煤氣的需求量也隨之變化，二者產(chǎn)生相應(yīng)的反比例關(guān)系。而高爐的煤氣產(chǎn)生量也是時刻變化的，這種供應(yīng)量與需求量不斷變化，則會引起煤氣管網(wǎng)壓力的波動，從而給生產(chǎn)帶來一定的負向影響。當煤氣不足時，必然要限制一部分煤氣用戶的生產(chǎn)；煤氣盈余時，又將有大量的煤氣被放散，浪費了燃料，也污染了環(huán)境。煤氣管網(wǎng)壓力的波動也使工藝生產(chǎn)的熱工制度得不到保證，既影響產(chǎn)品質(zhì)量，又增加產(chǎn)品單位熱耗，有時甚至引起爆炸和跑冒煤氣事故，威脅企業(yè)的安全生產(chǎn)。為了解決供與需的矛盾，就需要高爐煤氣柜來緩解煤氣供應(yīng)和使用量的波動，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。高爐煤氣柜與煤氣用戶相同，都是以子用戶的形式與高爐煤氣的管網(wǎng)相連，這樣當煤氣的管網(wǎng)壓力高于煤氣柜的設(shè)計壓力（由煤氣柜的配重決定）時，煤氣就進入煤氣柜儲存；當煤氣管網(wǎng)壓力較低時，煤氣柜中的煤氣則補入管網(wǎng)，從而使高爐氣柜起到以余補欠的作用。

公司現(xiàn)有一座10萬m3和一座16.5萬m3高爐煤氣柜，初始設(shè)計為手動進出口閥，由于人工的滯后性，只能將該閥設(shè)定某一特定開度值，在一定程度上削弱了煤氣柜的調(diào)節(jié)作用。經(jīng)過一段時間的經(jīng)驗總結(jié)，利用設(shè)備檢修的機會將該閥改為自動閥后，該閥即可根據(jù)管網(wǎng)中的煤氣壓力自動調(diào)整閥的開度，使得煤氣柜穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)煤氣的調(diào)節(jié)作用更為突出。當高爐煤氣用戶的瞬時用量大于煤氣產(chǎn)氣量時，煤氣柜可以起到在短時間內(nèi)向管網(wǎng)補充煤氣和穩(wěn)壓的作用，而當產(chǎn)氣量大于用戶用量，煤氣柜又處于高柜容運行時，則需采用剩余煤氣放散裝置來穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，避免管網(wǎng)的過度充壓，它是建立在煤氣產(chǎn)氣量超過消耗量基礎(chǔ)上的一種特定的穩(wěn)壓措施，即通過改變放散壓力來達到調(diào)節(jié)管網(wǎng)的目的。

在一般情況下，鋼鐵企業(yè)都以電廠鍋爐車間或供熱鍋爐作為煤氣管網(wǎng)的緩沖用戶[2]，但鍋爐使用緩沖煤氣只可調(diào)節(jié)一些延續(xù)時間較長的波動，對于一些延續(xù)時間較短的波動只能通過煤氣柜來自行調(diào)節(jié)。而當高爐臨時休風或煤氣柜柜容較低時，則需煤氣用戶及時減少用氣量，甚至將其調(diào)至?；馉顟B(tài)，待煤氣系統(tǒng)回復(fù)正常供應(yīng)量時再恢復(fù)生產(chǎn)。

4.2 靜態(tài)平衡

公司日常投入生產(chǎn)的1#2000 m3高爐和2#3200 m3高爐，瞬時產(chǎn)氣量之和約為80萬m3/h，就目前的生產(chǎn)節(jié)奏而言，可以滿足正常生產(chǎn)的需要，但在高爐休風期間，高爐煤氣用氣緊張的局面就凸顯出來。

從前述表2中各煤氣緩沖用戶的用氣結(jié)構(gòu)可以看出，在平衡高爐煤氣用戶用量時，只有140 t/h鍋爐可真正作為高爐煤氣的緩沖用戶，在高爐煤氣用氣緊張時,可將天然氣替換部分高爐煤氣，而煉鋼廠修砌包間雖然也可用天然氣替換轉(zhuǎn)爐煤氣，進而以軋鋼廠各加熱爐多燃用轉(zhuǎn)爐煤氣的方式來節(jié)約高爐煤氣，但在高爐休風時轉(zhuǎn)爐的鋼產(chǎn)量勢必降低，相應(yīng)的轉(zhuǎn)爐煤氣也會面臨產(chǎn)氣量不足的問題。公司現(xiàn)有兩座煤氣柜儲氣能力不足30萬m3，難以長時間彌補生產(chǎn)的需要，只能以精簡用戶的方式來平衡高爐煤氣，但高爐熱風爐、噴煤等單一高爐煤氣用戶，既無法用其它燃料代替高爐煤氣，也因其自身的重要性而要保證正常生產(chǎn)，因而只能以削減加熱爐的方式來滿足其它高爐煤氣用戶的需求，這不僅影響了軋鋼的生產(chǎn)節(jié)奏，在鋼材市場較好時也損失了產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。

隨著新建石灰窯和煤氣發(fā)電項目等新用戶的投產(chǎn)，高爐煤氣的用氣量將隨之增大，在煤氣系統(tǒng)緩沖能力不足的條件下，如何詳實準確地做好煤氣平衡和對供需矛盾的應(yīng)急處理就顯得尤為重要。在滿足煤氣用戶要求的同時，還要考慮煤氣使用的經(jīng)濟合理性等綜合因素，通過產(chǎn)品的經(jīng)濟效益與天然氣等外購氣源的消費成本對比，來確定煤氣平衡方案，盡可能地提高煤氣的使用價值。另外，還需要深挖煤氣用戶自身的節(jié)能潛力，通過對燒嘴等燃燒器的設(shè)備改造、設(shè)定合理的空燃比等手段，進一步優(yōu)化配置高爐煤氣，從點滴處節(jié)約煤氣資源。

5 結(jié)語

由于市場環(huán)境的不斷惡化，鋼鐵企業(yè)要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，擺脫未來的能源價格上漲給企業(yè)生產(chǎn)帶來的不利影響，必須將管理節(jié)能與技術(shù)節(jié)能并進，加大節(jié)能減排的力度，盡可能地減少外購能源消耗，降低能源費用，科學調(diào)配公司自產(chǎn)的高爐煤氣等二次能源，對降低能源成本以提高企業(yè)的市場競爭力具有非常重要的意義。

[1]陳紅萍，王勝春．煤氣基礎(chǔ)知識[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2008：9．

[2]鋼鐵企業(yè)燃氣設(shè)計參考資料編寫組．鋼鐵企業(yè)燃氣設(shè)計參考資料（煤氣部分）[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1978：37．