合同能源管理實施高爐煤氣濕法凈化系統(tǒng)改造的前景分析

劉永民 李金亮(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

合同能源管理(Energy Performance Contracting，簡稱EPC)作為一種節(jié)能服務(wù)機(jī)制，與20 世紀(jì)70年代在發(fā)達(dá)國家逐步發(fā)展開來，已成為一種新興的節(jié)能產(chǎn)業(yè)。EPC 由節(jié)能服務(wù)公司為客戶提供能耗設(shè)備改進(jìn)更新的技術(shù)服務(wù)及所需的資金支持，從客戶實施改造后取得的節(jié)能效益中或設(shè)備運行節(jié)省的費用中回收投資和利潤。EPC 是一種市場運作下的商業(yè)合作方式，可降低客戶實施能耗設(shè)施改造的技術(shù)資金風(fēng)險，在實現(xiàn)裝備升級、提高能源利用水平、實現(xiàn)節(jié)能減排等目的的同時，為合同雙方帶來經(jīng)濟(jì)效益［1］。我國自1998年開始實施節(jié)能促進(jìn)項目，經(jīng)過十余年的探索發(fā)展，EPC 已呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢。EPC 的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，從事EPC 運作的節(jié)能服務(wù)公司(Energy Service Company，簡稱ESCo)越來越多。為規(guī)范和促進(jìn)EPC 發(fā)展，國家和地方相繼制定出臺了一系列指導(dǎo)性方針和扶持激勵政策。

近幾年來，安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡稱安鋼)應(yīng)用EPC 對電機(jī)、水泵、高能耗燈具進(jìn)行系列節(jié)能改造，收到顯著效果。2013年，安鋼結(jié)合自身實際，進(jìn)一步拓寬EPC 的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用EPC 對1#高爐和2#高爐的高爐煤氣濕法凈化系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性改造。為此，筆者結(jié)合安鋼高爐煤氣濕法凈化系統(tǒng)的改造實踐分析探討，以企對鋼鐵企業(yè)拓展EPC在節(jié)能環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域提供新思路。

1 安鋼1#高爐和2#高爐濕法凈化系統(tǒng)概況和運行中存在問題

安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡稱安鋼)的1#高爐和2#高爐是2000 m3級高爐，分別與2005年和2007年投產(chǎn)，高爐煤氣凈化除塵系統(tǒng)采用環(huán)縫洗滌除塵工藝。環(huán)縫洗滌除塵工藝的主體設(shè)備引進(jìn)Paul Wurth公司的比肖夫洗滌塔，TRT 為國產(chǎn)設(shè)備。

環(huán)縫洗滌除塵工藝流程:高爐煤氣→重力除塵器→比肖夫洗滌塔→旋流板脫水器→TRT 或旁通快開閥→主管網(wǎng)。高爐煤氣經(jīng)重力除塵器粗除塵后，先進(jìn)入比肖夫預(yù)清洗段初步冷卻、除塵，隨后通過3個并聯(lián)的環(huán)縫洗滌元件(AGE)進(jìn)一步冷卻和除塵，經(jīng)旋流板脫水器脫水后，進(jìn)入TRT 發(fā)電或旁通閥后并入主管網(wǎng)。此工藝的核心是比肖夫洗滌塔，其集煤氣降溫、凈化、高爐頂壓調(diào)節(jié)控制等多種功能與一身，環(huán)縫元件(AGE)是控制高爐爐頂壓力及保證煤氣清洗質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備［2］。

從高爐煤氣環(huán)縫洗滌除塵系統(tǒng)近幾年的運行實踐來看，整套系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，主要設(shè)計指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計要求。環(huán)縫洗滌除塵和TRT 系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 安鋼1#高爐和2#高爐濕法凈化和TRT 系統(tǒng)運行的主要參數(shù)

從表1 可看出，環(huán)縫洗滌除塵工藝能夠滿足系統(tǒng)基本運行需求，但頂壓控制不太理想，與先進(jìn)高爐頂壓±3 kPa 控制水平相比還有較大差距;洗滌塔的定差壓控制和噴水降溫，降低了TRT 進(jìn)口壓力和溫度，造成煤氣壓力能和熱能的損失，TRT 發(fā)電效率降低;且除塵效率和凈化精度還有待進(jìn)一步提高。

另外，還有其它兩大方面的問題:(1)環(huán)縫洗滌水處理存在系列性難題。環(huán)縫洗滌的濁水采取沉淀(輻流沉淀池)、過濾(筒式過濾)的處理工藝。其濁水中有大量懸浮物，主要成分由高爐煤氣中的金屬氧化物和氯化物等組成，難以沉降，沉淀池出水懸浮物超標(biāo)，泥漿正常脫泥有難度。受高爐配料結(jié)構(gòu)波動影響，濁水的PH 值波動較大，且電導(dǎo)率和硬度都很高，增加后續(xù)藥劑配比和處理的難度，每年的藥劑費用居高不下。處理后的部分濁水進(jìn)入綜合污水處理廠，縮短反滲透膜的使用壽命，嚴(yán)重時影響污水處理廠的穩(wěn)定連續(xù)運行。(2)濕式TRT 透平主機(jī)的通流部分積鹽，影響TRT 安全運行。TRT 通流部分特別是葉片結(jié)垢積鹽的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，破壞機(jī)組動平衡，機(jī)組往往因振動過高而停機(jī)，一般每半年開蓋清理一次，嚴(yán)重時每季度需清理一次。1#高爐TRT 因積鹽嚴(yán)重，運行時出現(xiàn)葉片斷裂、事故停車的事故。經(jīng)化驗，積鹽的主要成分是氯化氨(NH4Cl)晶體，事故機(jī)組積鹽中氯化氨含量超90%，其主要寄存在二級葉片的進(jìn)氣側(cè)背部和出氣側(cè)的葉盆處［3］。TRT甩負(fù)荷停車，即影響高爐頂壓穩(wěn)定，也造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

環(huán)縫洗滌除塵工藝有自身特色，但也帶來一系列牽涉到生產(chǎn)順行、指標(biāo)優(yōu)化、節(jié)能降耗以及安全環(huán)保等綜合性的問題。

2 實施高爐煤氣干法凈化改造的必要性及EPC 運作的可行性分析

2．1 實施高爐煤氣干法凈化改造的必要性

高爐煤氣干法凈化較濕法凈化具有諸多優(yōu)勢，已成為行業(yè)共識，也是國家重點推薦的節(jié)能減排項目之一，其工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備都已經(jīng)成熟。2007年至今，全國大部分新建高爐均采用干法凈化工藝。干法凈化工藝中的調(diào)壓閥組配合TRT 可實現(xiàn)頂壓精準(zhǔn)控制，有利與高爐操作。干法凈化工藝的除塵精度高，一般不大于5 mg/m3;不損失煤氣的壓力能和熱能，可大幅提高TRT 發(fā)電量，相較濕法噸鐵發(fā)電可增加10 kW·h ～20 kW·h。根據(jù)安鋼實際情況測算，改為干法凈化工藝后，可節(jié)水0．2 m3/t鐵、節(jié)電2．2 kW/t鐵、節(jié)約焦炭6．5 kg/t鐵～11．8 kg/t鐵，還可根本性解決煤氣洗滌水處理難題。

2．2 EPC 實施高爐煤氣濕法改造的可行性

推行高爐煤氣干法凈化工藝是必要的，但在安鋼之前，鋼鐵行業(yè)尚無應(yīng)用EPC 實施高爐煤氣濕法凈化改造的先例，故此需要綜合考慮各種因素，降低項目的運作風(fēng)險。

影響和制約EPC 實施的因素有很多，如ESCo的技術(shù)實力和資金運作能力，擬實施項目的投資需求與節(jié)能潛力，客戶的營運狀況與現(xiàn)場實際情況，效益分享方式、效益分享基準(zhǔn)點、效益分享期、投資回報率等選擇和確定，都需要統(tǒng)籌考慮。

實施高爐煤氣濕法凈化改造的顯性效益明顯，主要是TRT 發(fā)電量大幅增加。改成干法凈化系統(tǒng)后，預(yù)計TRT 噸鐵發(fā)電增加15 kW·h ～18 kW·h，按照兩座高爐產(chǎn)量400 萬t鐵/年、TRT 增加發(fā)電15 kW·h/t鐵、電度電價0．6 元/kW·h 計，年增加發(fā)電量6000 萬kW·h，僅發(fā)電工序年新增經(jīng)濟(jì)效益是3600 萬元。

選擇合理的節(jié)能效益分享基準(zhǔn)點、效益分享方式是項目運作的關(guān)鍵因素之一。在此項目中，將濕式TRT 的平均發(fā)電量作為節(jié)能效益分享基準(zhǔn)點，在基準(zhǔn)點的基礎(chǔ)上，增發(fā)10 kW·h 作為改造完成后的基本考核條件。效益分享方式是在項目建成投運、達(dá)到基本考核條件后，在基準(zhǔn)點以上增加的發(fā)電量每季度固定返還ESCo，作為ESCo 的投資及利潤回報。

確定效益分享期限。此項目由ESCo 出資建設(shè)，其固定投資約1．1 億元，負(fù)責(zé)合同期內(nèi)項目的設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)(含備品備件)。按貸款利率6．4%、ESCo 利潤率7%計，計算效益分享五年期或六年期支付ESCo 的費用。五年期，需向ESCo 支付1．73億元，在此期間，TRT 凈增發(fā)電效益約1．8 億元;六年期，需向ESCo 支付1．84 億元，在此期間，TRT 凈增發(fā)電效益約2．16 億元。考慮適當(dāng)?shù)捻椖窟\作風(fēng)險后，確定為六年效益分享期。

以TRT 新增的發(fā)電效益向ESCo 返款，是可以支撐EPC 模式運作該項目的。

3 實施高爐煤氣干法凈化改造

3．1 新建干法除塵系統(tǒng)

新建高爐煤氣脈沖袋式除塵系統(tǒng)，含除塵系統(tǒng)、輸泄灰系統(tǒng)和調(diào)壓閥組系統(tǒng)。高爐煤氣干法凈化工藝流程:高爐煤氣→重力除塵器→袋式除塵器→TRT 系統(tǒng)或調(diào)壓閥組系統(tǒng)(調(diào)壓閥組和TRT 并聯(lián)運行)→環(huán)管噴霧降溫裝置→主管網(wǎng)。高爐煤氣經(jīng)重力除塵器粗除塵后，由煤氣主管分配到外濾式袋式除塵箱體進(jìn)行精除塵。除塵器箱體濾袋口上方設(shè)置噴吹系統(tǒng)，定時或定差壓間歇用氮氣反吹濾袋。采用氣力輸灰方式，定期將除積灰塵輸送至大灰倉。積灰經(jīng)加濕后由輸灰車運出進(jìn)行綜合利用。高爐煤氣干法凈化系統(tǒng)的除塵器主要參數(shù)見表2。

表2 安鋼干法凈化系統(tǒng)除塵器主要設(shè)計參數(shù)

除塵器箱體單排縱向布置，框架寬度11．96 m。除塵器箱體內(nèi)布置耐高溫的P84 復(fù)合材質(zhì)濾袋，對煤氣進(jìn)行精除塵。穩(wěn)定高爐頂壓和外供壓力關(guān)鍵的調(diào)壓閥組系統(tǒng)設(shè)四個并聯(lián)運行的調(diào)節(jié)蝶閥，兩個DN900 快開蝶閥，兩個DN600 調(diào)節(jié)蝶閥，每個蝶閥均配置獨立運行的液壓站。調(diào)壓閥組和TRT 系統(tǒng)并聯(lián)運行，提高系統(tǒng)壓力控制精度。

3．2 干式TRT 改造

高爐煤氣經(jīng)干法除塵系統(tǒng)后，其壓力能和熱能損失較小，原濕式TRT 系統(tǒng)已不適應(yīng)新工藝的變化，需要對TRT 進(jìn)行改造。TRT 系統(tǒng)主要是對透平通流部分進(jìn)行改造，其主要內(nèi)容有新制并更換原有濕式透平主機(jī)的進(jìn)口圈、密封套、括壓器、轉(zhuǎn)子、靜葉承缸、支撐軸承及止推軸承、聯(lián)軸器及護(hù)罩等，并對儀控和供配電系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造;在TRT 入口快切閥前增加阻垢裝置，延遲動靜葉片及通流部分積鹽發(fā)生，延長TRT 的檢修周期;重新對管系進(jìn)行校核改造，將TRT 進(jìn)出口管道閥門更換為耐高溫閥門，采用耐腐蝕254SMo 材質(zhì)補(bǔ)償器，對局部管網(wǎng)支架加固。由于發(fā)電量的增加，1#TRT 和2#TRT 的發(fā)電機(jī)分別擴(kuò)容至15000 kW 和18000 kW。干式TRT系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 安鋼1#2#高爐干式TRT 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)表

3．3 高爐煤氣干法凈化工藝運行效果

安鋼1#高爐和2#高爐干法凈化系統(tǒng)分別2014年3月和2013年12月投入運行。其中，2#高爐干法除塵系統(tǒng)經(jīng)受過煤氣短時高溫400 ℃、持續(xù)28 h 100 ℃低溫的考驗，濾袋、輸泄灰系統(tǒng)和氮氣脈沖反吹系統(tǒng)均運行正常;除塵精度高，除塵器箱體后凈煤氣含塵量小于3 mg/m3;高爐頂壓波動顯著下降，波動范圍在±3 kPa 以內(nèi);煤氣噴霧降溫用水循環(huán)使用，噸鐵耗循環(huán)水約0．05 t，遠(yuǎn)低于濕法工藝用水量。干式TRT 積鹽得到有效遏制，2#TRT 投運一年后開蓋檢查，原通流部分易積鹽位置未發(fā)現(xiàn)積鹽現(xiàn)象，僅有微量積灰，維護(hù)量減少、檢修周期大幅延長;TRT 發(fā)電效率提升明顯，正常運行時發(fā)電量穩(wěn)定在50 kW·h/t鐵以上，比濕法工藝發(fā)電增加約51%，年凈增效益約4000 萬元。預(yù)計第五年的效益分享期即可完成EPC 合同執(zhí)行，比合同約定分享期限縮短一年。

高爐煤氣干法凈化工藝的除塵系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)和TRT 系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，高爐頂壓穩(wěn)、除塵效率高，高爐煤氣的壓力能和熱能得到充分利用，消除了高爐煤氣濕法凈化工藝的諸多缺陷，節(jié)水、降本、增效，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)語

安鋼將EPC 和高爐煤氣濕法凈化工藝改造實踐相結(jié)合，取得了良好的綜合效益。其實踐表明，采用EPC 實施高爐煤氣凈化系統(tǒng)改造的技術(shù)難度、財務(wù)風(fēng)險和運行效果相對可控，對拓展EPC 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索。

當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)處于深度調(diào)整的微利經(jīng)營期，面臨越來越嚴(yán)苛的國家環(huán)保節(jié)能政策考驗，如何結(jié)合自身實際，應(yīng)用EPC 機(jī)制對高能耗、高污染設(shè)施進(jìn)行節(jié)能環(huán)保改造，是鋼鐵行業(yè)進(jìn)行綠色低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)解危脫困的渠道之一，也是需要全行業(yè)深思的大課題。

［1］袁海臻，高小鈞，楊春權(quán)，張興平． 我國合同能源管理的現(xiàn)狀存在問題及對策［J］．能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011，23(1):58 －62．

［2］劉孝清，楊先橋． 武鋼6 號高爐煤氣環(huán)縫洗滌塔工藝及特點［J］．煉鐵，2006，25(8):13 －17．

［3］韓曉光，胡賓生，貴永亮．煤氣中氯對高爐冶煉過程的影響及防治預(yù)測［J］．河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2013，35(7):36 －38．