首秦公司煤氣系統(tǒng)優(yōu)化研究與實踐

摘 要：文章探索首秦公司煤氣系統(tǒng)優(yōu)化潛力，從開源節(jié)流兩方面研究改進方向，分析煤氣回收及消耗差距，提出增加煤氣回收量、改進爐窯熱效率、精細(xì)煤氣使用管理等系列改進措施，挖掘煤氣資源，開發(fā)煤氣發(fā)電用戶，優(yōu)化煤氣平衡，消除放散煤氣，提升自發(fā)電率，降低能源成本。

關(guān)鍵詞：煤氣系統(tǒng)優(yōu)化；煤氣回收量；爐窯熱效率；精細(xì)管理

中圖分類號：TF758 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0179-02

首秦公司地處沿海城市秦皇島，以“節(jié)能環(huán)保型、循環(huán)經(jīng)濟型、清潔高效型”為建廠方針，設(shè)計產(chǎn)能為生鐵255萬t/a，鋼坯260萬t/a，寬厚鋼板180萬t/a，生產(chǎn)流程包括燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼和公輔系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)煤氣潛熱約占余熱資源量的53.9%，其中大約32.7%為高爐煤氣、17.3%為焦?fàn)t煤氣、3.9%為轉(zhuǎn)爐煤氣。由于地處沿海城市，首秦公司未建設(shè)焦化工序，缺少熱值相對較高的焦?fàn)t煤氣，因此副產(chǎn)的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣資源的優(yōu)化配置和高效利用對其尤為重要。

1 首秦公司煤氣系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 高爐煤氣系統(tǒng)

高爐煤氣發(fā)生端為兩座高爐，容積分別為1 200 m3和

1 780 m3，按照設(shè)計產(chǎn)能，高爐煤氣設(shè)計發(fā)生量50萬m3/h，熱值為720～780 kcal/m3，建有一座15萬m3煤氣柜，主要供應(yīng)熱風(fēng)爐、加熱爐、燒結(jié)點火爐等用戶。設(shè)計時根據(jù)煤氣平衡建有75 t中壓鍋爐，燃料為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣混燒，配套15 MW發(fā)電機組。利用高爐煤氣壓差，建有TRT發(fā)電機組（16.4 MW）。自發(fā)電率15%，與行業(yè)平均水平50%相比較低。

原設(shè)計各用戶用量之和約為49萬m3/h，放散率2%。近年受限產(chǎn)及各用戶設(shè)備效率影響，實際發(fā)生量49.5萬m3/h，用量僅為43.5萬m3/h，靜態(tài)平衡放散量為6萬m3/h，放散率12%，與行業(yè)相比存在較大差距。生產(chǎn)過程中，熱風(fēng)爐換爐、加熱爐加熱不同品種等情況，高爐煤氣用量會有一定波動，動態(tài)放散量6～8萬m3/h，反映調(diào)度平衡不精細(xì)。首秦公司高爐煤氣平衡現(xiàn)狀見表1。

1.2 轉(zhuǎn)爐煤氣系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生端為三座100 t轉(zhuǎn)爐，回收量約3.1萬m3/h，熱值1 500～1 700 kcal/m3，建有一座8萬立煤氣柜，主要供應(yīng)套筒窯生產(chǎn)石灰，其余用戶為生產(chǎn)流程中需要保溫升溫設(shè)備，包括煉鐵魚雷罐烘烤、鋼包烘烤等。其中修砌間烤包已實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煤氣烘烤，車間內(nèi)鋼包、中間包、RH爐真空室等仍采用天然氣烘烤，屬于高質(zhì)低用，行業(yè)上多數(shù)已采取轉(zhuǎn)氣烤包，轉(zhuǎn)爐煤氣存在提升利用空間。2012年噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收水平為110 m3/t鋼左右，與行業(yè)先進水平130 m3/t鋼相比，存在較大差距。首秦公司轉(zhuǎn)爐煤氣平衡現(xiàn)狀見表2。

2 首秦公司煤氣系統(tǒng)優(yōu)化分析

2.1 燃?xì)鉅t窯熱效率分析

首秦公司燃?xì)鉅t窯主要包括鍋爐、熱風(fēng)爐、加熱爐、套筒窯，在統(tǒng)計2012年消耗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場測試及熱平衡核算，四個爐窯的熱效率分別為78.31%、72.32%、54.66%、64.58%，與設(shè)計水平對比仍有一定差距，燃料利用率不高。首秦公司爐窯設(shè)備已服役十年，設(shè)備劣化，燃燒器、換熱器、密封系統(tǒng)、窯體耐火材料等均存在不同程度的功能降低等問題，使?fàn)t窯熱效率下降。因此，通過技術(shù)改造提升燃?xì)鉅t窯熱效率是節(jié)能節(jié)氣的一個重要方向。首秦公司主要燃?xì)鉅t窯熱效率現(xiàn)狀見表3。

2.2 煤氣系統(tǒng)優(yōu)化方向研究

首秦公司為提升煤氣利用率，充分利用煤氣資源降低能源成本，從開源節(jié)流兩方面提出優(yōu)化方向。開源上以提升轉(zhuǎn)爐煤氣回用量為攻關(guān)課題探索優(yōu)化措施，節(jié)流上以提升燃?xì)鉅t窯熱效率為核心研究技術(shù)改造措施。同時，從管理上加強煤氣平衡及使用，進一步節(jié)約煤氣。通過開源節(jié)流兩條通道，挖掘足夠的煤氣資源開發(fā)新用戶，以提升自發(fā)電率為目標(biāo)，建設(shè)高溫高壓煤氣綜合利用發(fā)電設(shè)施，從而提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收水平，消除高爐煤氣放散，減少外購電及天然氣消耗，降低能源成本。

3 煤氣系統(tǒng)優(yōu)化實踐

3.1 轉(zhuǎn)爐煤氣回用量提升

首秦轉(zhuǎn)爐煤氣回收標(biāo)準(zhǔn)為煙氣中O2含量<1.5%，CO含量>30%。鋼包烘烤、套筒窯使用熱值設(shè)計為1 500±100 kcal/m3。經(jīng)測試，轉(zhuǎn)爐煤氣熱值約1 700 kcal/m3，高于工藝要求，但少回收了滿足工藝要求的回收初期的煤氣量。為獲取更多煤氣資源，采取降低CO回收標(biāo)準(zhǔn)措施。經(jīng)過多次試驗，通過熱值監(jiān)測，在滿足用戶最低熱值要求、氧氣標(biāo)準(zhǔn)（O2<1.5%）與CO下限（CO>23%）前提下，只要轉(zhuǎn)氣用戶及煤氣柜允許條件下即可進行回收操作，從源頭挖掘轉(zhuǎn)氣資源。經(jīng)對比，小時回用量達(dá)到3.75萬m3/h，增加6 500 m3/h，噸鋼轉(zhuǎn)氣回收水平達(dá)到130 m3/t鋼以上。多回收的轉(zhuǎn)爐煤氣供應(yīng)煉鋼生產(chǎn)過程中的鋼包、中間包、RH爐真空室等設(shè)備烘烤（約4 500 m3/h），替代天然氣，實現(xiàn)經(jīng)濟用能，富余的轉(zhuǎn)爐煤氣供應(yīng)燃?xì)忮仩t進行發(fā)電。

3.2 燃?xì)鉅t窯熱效率提升改造

3.2.1 鍋爐節(jié)能噴涂改造

鍋爐運行中燃燒室水冷壁上會生銹及結(jié)垢，影響爐內(nèi)熱輻射，影響換熱效果，降低熱效率。采用高溫紅外節(jié)能噴涂技術(shù)，對清理后的水冷壁涂刷高溫紅外線節(jié)能涂料，涂層厚度約0.3～0.4 mm，涂料粘結(jié)牢固，有利于降低鍋爐煙垢結(jié)生速度，加快鍋爐升溫速度，防止?fàn)t管腐蝕，延長鍋爐使用壽命，強化爐管傳熱與吸熱，降低鍋爐煤氣消耗，增加鍋爐蒸汽產(chǎn)量，提高爐膛熱效率。經(jīng)實測，鍋爐噴涂實際節(jié)能率10%左右，小時節(jié)約高爐煤氣7 700 m3/h，熱效率由78%提升至87%，接近設(shè)計水平。

3.2.2 熱風(fēng)爐煙氣廢熱預(yù)熱煤氣

首秦1 200 m3高爐熱風(fēng)爐燃燒高爐煤氣未經(jīng)預(yù)熱，高爐煤氣溫度僅約60 ℃，煤氣消耗偏高。熱風(fēng)爐煙氣溫度在300 ℃左右，直接排放，浪費余熱，回收煙氣余熱對入爐煤氣進行預(yù)熱不僅有利于改善爐內(nèi)燃燒，更有效提高熱效率，降低煤氣消耗。在熱風(fēng)爐煤氣與煙氣管路間設(shè)置熱管換熱器，并增設(shè)連接管道及支架等附屬設(shè)備，通過熱管換熱器實現(xiàn)煙氣余熱回收功能。預(yù)熱后的高爐煤氣溫度達(dá)到160 ℃，有效提高理論燃燒溫度。經(jīng)對比改造前后煤氣消耗量，熱風(fēng)爐高爐煤氣節(jié)約量約12 000 m3/h，單耗水平降低103 m3/t鐵，熱效率由72%提升至83%。

3.2.3 加熱爐節(jié)能改造

為提升加熱爐熱效率，首秦公司對兩座加熱爐進行了系列節(jié)能改造。針對1#加熱爐分散換向三通閥漏氣嚴(yán)重問題，2013年中修時將高溫段分散換向改為集中換向，同時對爐頂脫落破損的黑體進行修補更換（2008年實施黑體改造），實現(xiàn)煤氣量降低約1萬m3/h；針對兩座加熱爐均存在的爐門控制不精細(xì)，逸氣損失接近10%，進行爐門開閉自動控制優(yōu)化改造，全開時間減少29 s，有效降低爐門散熱損失，煤氣消耗減少約5 000 m3/h。通過以上改造，加熱爐煤氣消耗降低1.5萬m3/h，單耗水平降低58 m3/t材，熱效率由54%提升至62%。

3.2.4 套筒窯燃燒室節(jié)能改造

經(jīng)測試，套筒窯燃燒室部分區(qū)域爐殼外表面高溫區(qū)已達(dá)到250 ℃，遠(yuǎn)高于50 ℃正常溫度，爐內(nèi)部分耐材區(qū)域已無隔熱、保溫功能，反映長期服役未大修，熱效率已大幅下降，實測僅為64%。為改善窯體狀況，首秦公司進行了為期三個月的大修改造，主要對套筒窯燃燒室耐火材料進行更換、砌筑，對燃燒系統(tǒng)進行維護，更換燃燒器，對助燃空氣預(yù)熱器進行升級改造。經(jīng)測試，改造后燃燒室外表面溫度范圍為50～80 ℃，保溫、隔熱效果較好；經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后，助燃空氣由改造前約370 ℃提升至約420 ℃。經(jīng)測算，改造后套筒窯轉(zhuǎn)氣消耗降低約70 m3/t，小時節(jié)約轉(zhuǎn)爐煤氣1 500 m3/h，熱效率由64%提升至76%。

經(jīng)過對重要燃?xì)鉅t窯節(jié)能改造，爐窯熱耗降低，熱效率得到較大提升，單耗水平顯著下降，高爐煤氣節(jié)約量達(dá)到3.47萬m3/h，轉(zhuǎn)爐煤氣節(jié)約量1 500 m3/h。燃?xì)鉅t窯改造前后熱效率對比見表4。

3.3 煤氣精細(xì)管理及調(diào)度平衡優(yōu)化

根據(jù)開源節(jié)流效果，挖掘轉(zhuǎn)爐煤氣3 500 m3/h，高爐煤氣3.47萬m3/h，全部折合為高爐煤氣量4.17萬m3/h，加上放散量6萬m3/h，富余高爐煤氣為10.17萬m3/h。管理上通過價格導(dǎo)向機制，將高爐煤氣使用價格由0.53元/m3調(diào)整至0.73元/m3，轉(zhuǎn)爐煤氣使用價格由0.12元/m3調(diào)整至0.17元/m3，并輔以煤氣消耗限額控制，促進各煤氣使用單元精細(xì)管理，降低消耗。另一方面優(yōu)化煤氣調(diào)度平衡，進一步細(xì)分用戶，以煤氣消耗限額為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合生產(chǎn)及時控制并穩(wěn)定用戶用量，消除不必要的浪費。通過精細(xì)管理，使高爐煤氣資源累計達(dá)到13萬m3/h，提出建設(shè)一臺130 t/h，9.8 MPa高壓鍋爐，設(shè)計高爐煤氣用量13萬m3/h，配套35MW發(fā)電機組，設(shè)計年發(fā)電量2.8億kW·h，使自發(fā)電率由15%提升到40%，高爐煤氣放散率降至2%以下，每噸鋼的能源成本降低約40元。

4 結(jié) 語

①鋼鐵企業(yè)煤氣平衡設(shè)計與實際往往存在較大差異，實際運行中存在放散，利用不充分，用能不經(jīng)濟等問題，系統(tǒng)分析煤氣資源配置，挖掘優(yōu)化潛力，開發(fā)新用戶，是提高煤氣利用的有效途徑。

②首秦公司通過煤氣系統(tǒng)優(yōu)化實踐，從開源節(jié)流兩方面采取措施，提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收量達(dá)到130 m3/t鋼，對燃?xì)鉅t窯進行節(jié)能改造，提升熱效率，采取價格機制引導(dǎo)，輔以消耗限額管理，優(yōu)化調(diào)度平衡，挖掘煤氣資源約7萬m3/h。

③綜合挖掘的煤氣資源，充分利用現(xiàn)有放散的6萬m3/h，以提升自發(fā)電率為目標(biāo)，開發(fā)煤氣發(fā)電新用戶，建設(shè)130 t/h燃?xì)忮仩t，配套35 MW汽輪發(fā)電機組，年發(fā)電量2.8億kW·h，提升自發(fā)電率至40%，高爐煤氣放散率降至2%以下，每噸鋼降低能源成本40元。

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