高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術(shù)研究

田 瑋

(唐山鋼鐵國(guó)際工程技術(shù)股份有限公司)

0 引言

唐鋼北區(qū)2#高爐為并罐爐頂，有效容積為2 000 m3，爐頂壓力約200 kPa。料罐容積約29 m3，設(shè)置有二套均排壓系統(tǒng)。高爐正常運(yùn)行過程中，在每次裝料前必須對(duì)料罐進(jìn)行充壓操作，使料罐內(nèi)的壓力與高爐爐頂壓力平衡，才可將下密封閥開啟，物料才能夠順利的裝入爐內(nèi)。裝料結(jié)束后須將料罐內(nèi)高壓煤氣對(duì)空放散，上密封閥方可開啟，完成向料罐裝料。高爐均壓放散煤氣通過旋風(fēng)除塵器后直排入大氣。

高爐料罐均壓煤氣對(duì)空排放存在以下三個(gè)問題：產(chǎn)生噪音，影響了廠區(qū)周圍居民的生活；爐頂旋風(fēng)除塵器只能除去煤氣中較大直徑的粉塵，其余的粉塵都隨著放散煤氣直接排入了大氣中，且高爐煤氣中含有大量的CO和少量的H2、CH4等有毒、可燃物的混合氣體。近年來，隨著日益嚴(yán)峻的氣候問題，以及建設(shè)低碳、清潔、高效型企業(yè)和資源節(jié)約、環(huán)境友好型企業(yè)的要求[1]，設(shè)計(jì)一套完整的高爐料罐均壓煤氣凈化回收系統(tǒng)，既能解決環(huán)境污染問題，又可以作為一種企業(yè)降本增效的有效手段。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 煤氣放散時(shí)間對(duì)高爐爐頂料罐作業(yè)率的影響

爐頂料罐泄壓就是將料罐內(nèi)的高壓氣體排空至煤氣管網(wǎng)的過程,可視作料罐由罐壓P罐=200 kPa放氣至P管=10 kPa的過程。根據(jù)料罐放氣時(shí)間計(jì)算公式，可計(jì)算出爐頂料罐的瀉壓時(shí)間。

首先計(jì)算放氣時(shí)間常數(shù)τ,它表示料罐以聲速流量放氣時(shí),料罐壓力從Ps到絕對(duì)真空所需的時(shí)間，計(jì)算公式為：

(1)

式中：V——料罐容積，m3；

k——絕熱指數(shù)，取k=1.4；

S——煤氣回收管道有效截面積，m2；

Ts——放氣的氣源絕對(duì)溫度，℃。

煤氣回收管道選用φ219×8的鋼管，鋼管的有效截面積為0.0314 m2,爐頂料罐容積為29 m3，罐內(nèi)溫度約為150 ℃。按式(1)計(jì)算泄壓時(shí)間常數(shù)τ=2.76 s。

噴吹罐放氣時(shí)間(從P罐→P管)計(jì)算公式為：

(2)

將數(shù)值帶入式(2)得t泄=7.85 s。

經(jīng)爐頂時(shí)序驗(yàn)算，爐頂裝料周期僅增加8 s左右，幾乎不會(huì)影響到高爐的作業(yè)率。

1.2 回收煤氣時(shí)的壓力變化對(duì)煤氣管網(wǎng)的影響

爐頂料罐均壓煤氣是通過與凈煤氣管網(wǎng)的壓力差進(jìn)行回收的，由于料罐放散煤氣壓力初期和末期的相差非常大，其回收過程類似于周期性氣體脈沖。所以在選擇并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮在熱風(fēng)爐之后接入，避開熱風(fēng)爐燒這一最近的煤氣用戶。網(wǎng)后通過較長(zhǎng)的主干管，使并網(wǎng)煤氣在管道中得到充分的緩沖，減小煤氣壓力波動(dòng)，完全滿足用戶的使用要求。

1.3 回收煤氣溫度過低的問題

為了應(yīng)對(duì)均壓煤氣溫度低、含濕量大的問題，可以通過提高均壓煤氣溫度來提高煤氣露點(diǎn)，是防止煤氣結(jié)露糊袋的主要措施，也可以增強(qiáng)除塵器的蒸汽伴熱功能，選擇具有良好憎水性能的濾袋，也可以減輕煤氣結(jié)露帶來的糊袋問題。

2 均壓煤氣回收系統(tǒng)技術(shù)方案

煤氣回收系統(tǒng)：首先從料罐放散管道引出用于煤氣回收φ219×8的管道，在爐頂依次設(shè)置二套盲板閥和均壓放散閥，管路沿高爐煤氣下降管引致地面上的布袋除塵器。由于煤氣回收時(shí)間～8 s，時(shí)間較短，瞬間煤氣流量較大，煤氣平均流量為3.625 m3/s，按此流量計(jì)算，每分鐘流量約為217.5 m3/min。為保證布袋除塵器的除塵效果，布袋除塵器濾袋過濾風(fēng)速最高不超過0.60 m/min。因此，參與過濾的布袋除塵器的過濾面積應(yīng)不小于362.5 m2，除塵器利用現(xiàn)有高爐煤氣除塵器備用箱體設(shè)置為2臺(tái)DN6 000箱體(過濾面積為1 340 m2，能夠滿足過濾要求)，除塵箱體一用一備。

除塵器箱體較大的容積可做為高壓煤氣的一個(gè)緩沖罐體，可有效消除高壓煤氣對(duì)煤氣管網(wǎng)的沖擊，從而達(dá)到在較短時(shí)間內(nèi)盡可能多的回收煤氣的目的。煤氣經(jīng)過除塵凈化后引入高爐煤氣減壓閥組后管網(wǎng)。由于每天回收的煤氣量不大，且經(jīng)除塵器過濾后煤氣內(nèi)含塵量較少，灰斗內(nèi)每天收集的灰塵量也不多，故卸灰系統(tǒng)可采用0.5 m3倉(cāng)泵，將灰塵輸及時(shí)送到就近的除塵器儲(chǔ)灰倉(cāng)內(nèi)[2]。

高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術(shù)適用于配備有無料鐘爐頂設(shè)備的高爐。它主要由均壓放散閥組、煤氣管道吹掃放散系統(tǒng)、除塵卸輸灰系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、煤氣管道系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成構(gòu)成，如圖1所示。

3 環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益分析

工況下煤氣處理量的計(jì)算，根據(jù)高爐加料罐工作制度，系統(tǒng)中共設(shè)有二個(gè)加料罐，并聯(lián)使用，每個(gè)加料罐的容積為29 m3，二個(gè)料罐連鎖工作，每天放料約350次，經(jīng)計(jì)算得出每小時(shí)產(chǎn)生的煤氣工況量約為420 m3/h，爐頂壓力按照200 kPa，爐頂煤氣溫度按照150 ℃，并網(wǎng)后煤氣溫度按照25 ℃，回收煤氣量可按下式計(jì)算：

圖1 爐頂均壓煤氣回收系統(tǒng)

(3)

按照式(3)計(jì)算可得回收煤氣量為882 Nm3/h。對(duì)于采用干法布袋回收工藝的高爐，煤氣回收率按90%考慮，每天可回收的煤氣量為：882 Nm3/h×24 h×0.9=19 052 Nm3/d；按煤氣價(jià)格0.09 元/Nm3，每天可回收利用的煤氣價(jià)值為：19 052 Nm3/d×0.09元/Nm3=1 715 元/d；按每年350天計(jì)，每年可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為：1 715 元/d×350 d=60 萬元。

由于本系統(tǒng)是加在旋風(fēng)除塵器(旋風(fēng)除塵器是粗過濾器，它的排放濃度為20 g/Nm3～30 g/Nm3)后的，使得原有氣體經(jīng)過旋風(fēng)除塵器后直接排放改為由布袋除塵后再排放，按旋風(fēng)除塵器后的氣體含塵量25 g/Nm3計(jì)，每年少排放的灰塵量為：19 052 Nm3/d×25 g/Nm3×350 d=166.7 t，減小了空氣污染。

唐鋼北區(qū)2#高爐爐頂料罐均壓煤氣回收改造項(xiàng)目投資費(fèi)用約165萬元，根據(jù)回收煤氣、粉塵及節(jié)約的電能計(jì)算，項(xiàng)目投資回收期約為1.95年。

4 結(jié)語(yǔ)

高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術(shù)適用于配備有無料鐘爐頂設(shè)備的高爐。其特點(diǎn)在于完全利用料罐及煤氣管網(wǎng)自身的壓差進(jìn)行煤氣回收，基本不再消耗能源。此技術(shù)具備工藝流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性強(qiáng)、容易對(duì)現(xiàn)有爐頂系統(tǒng)進(jìn)行改造等特點(diǎn)。同時(shí)又能回收高爐均壓煤氣，減少污染物及粉塵排放量，是一種節(jié)能環(huán)保的實(shí)用技術(shù)，且具有環(huán)保、和較好的經(jīng)濟(jì)還社會(huì)效益。

[1] 王彥軍．高爐均壓煤氣回收探討[J].冶金動(dòng)力，2012(6):30-33．

[2] 王洪軍．高爐爐頂料罐均壓放散煤氣回收的研究與應(yīng)用[J]．冶金能源，2016(6):40-42．

[3] 文輝正．高爐爐頂排壓煤氣部分回收技術(shù)[C]．第八屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集[A]，北京：冶金工業(yè)出版社，2011:2103-2105.

[4] 周傳典．高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M]．北京:冶金工業(yè)出版社，2005:359-362.