鋼鐵企業(yè)煤氣資源綜合利用實踐

姬抱平

（河鋼集團邯鋼公司能源中心，河北邯鄲 056015）

前言

與國外鋼鐵企業(yè)相比，國內鋼鐵工業(yè)是以高爐－轉爐流程為主的長流程結構，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過程中必須消耗大量的煤炭資源，同時伴隨產生大量的二次能源（如煤氣、廢熱等等）。煤炭在鋼鐵生產過程中經過能源轉換后主要以煤氣（高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣）、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－轉爐流程為主的長流程結構的大型鋼鐵企業(yè)，在研究和應用二次資源綜合利用技術方面投入了很多，實施了大量的二次能源回收利用技術項目，其中與煤氣利用直接相關的項目包括：低熱值高爐煤氣燃料發(fā)電技術、轉爐煤氣高效回收利用專有技術、干式除塵高爐煤氣中氯鹽消除技術等等。這些技術的開發(fā)與利用，為企業(yè)轉變發(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和裝備支撐，取得了顯著成效，綜合能耗指標實現(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)與應用，為企業(yè)更加高效、科學地利用煤氣資源和開展相關關鍵技術研究提供了基礎保障。

2 總體技術方案

相對于具有實體形態(tài)的煤氣利用設備設施，能源管控系統(tǒng)屬于軟科學技術。利用能源管控系統(tǒng)的綜合評價技術優(yōu)勢，可以對大型企業(yè)內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控。通過能源管控系統(tǒng)對現(xiàn)有能源結構體系進行分析，同時對企業(yè)能源利用情況與國內先進水平進行對比，提出了能源科學、綜合利用的發(fā)展規(guī)劃，總體技術思路如下：

（1）借助于能源管理系統(tǒng)平臺，對煤氣資源進行調度和優(yōu)化分配，消除煤氣資源的不平衡利用狀態(tài)，實現(xiàn)煤氣的“近零”排放。

（2）開發(fā)大型煤氣柜柜位控制技術，創(chuàng)新研究“峰段多發(fā)電、谷段少發(fā)電”的運行模式，充分利用峰谷平用電成本變化優(yōu)勢，實現(xiàn)分布式煤氣發(fā)電機組創(chuàng)效最大化。

3 具體方案的實施

在副產煤氣凈化回收利用項目建設完成之后，副產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。經過系統(tǒng)的數(shù)據分析調研，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鍵技術：完成了煤氣新用戶開發(fā)及分質供應、大型煤氣柜柜位控制技術，高、焦、轉三氣動態(tài)調配技術、燃機純低熱值燃料應用技術、高爐煤氣干法除塵技術、高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(Top Gas Pressure Recovery Turbine簡稱TRT)濕改干升級改造技術、高爐供風能源利用效率升級改造技術等多項技術創(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)調控

原來的煤氣調控采用工序控制方式，富裕煤氣用于發(fā)電，屬于單點控制，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，利用轉爐煤氣柜動態(tài)緩沖功能和能源管控系統(tǒng)動態(tài)調控功能，最大限度消除煉鋼轉爐節(jié)奏的變化對轉爐煤氣回收的影響，提高轉爐煤氣回收率；同時，根據轉爐煤氣量的測算和能源管控系統(tǒng)數(shù)據分析，提出了利用管網+煤氣柜柜容聯(lián)合調整煤氣使用的技術方案。

（1）提升兩區(qū)煤氣互調能力。對東西區(qū)高爐煤氣管道、焦爐煤氣管道聯(lián)通管道實施改造，高爐煤氣管道由DN1600增至DN3500，焦爐煤氣管道由DN800增至DN1600，增加兩區(qū)高、焦爐煤氣互調能力，實現(xiàn)煤氣利用率最大化。

（2）實施煤氣分質供應。對煤氣西部環(huán)管和三、七加壓站進行改造，實現(xiàn)西部軋鋼用煤氣分熱值供應，降低生產線混合煤氣熱值，以節(jié)省高熱值焦爐煤氣消耗。

（3）優(yōu)化混合煤氣使用方法。對鋼后加壓站進行改造，實現(xiàn)高、焦、轉三種煤氣混合后供給連軋、酸再生和?；癄t生產線，靈活調配轉爐煤氣和焦爐煤氣用戶，增加了煤氣平衡手段，并由此節(jié)約了焦爐煤氣。

（4）開發(fā)轉爐煤氣新用戶。先后開發(fā)了5#高爐、8#高爐和1#六萬發(fā)電等新的轉爐煤氣用戶，實現(xiàn)高、焦、轉三種煤氣各用戶之間的平衡使用。

（5）合理調整柜容，優(yōu)化發(fā)電方案。利用1×30萬m3高爐煤氣柜、1×12萬m3焦爐煤氣柜和2×8萬m3轉爐煤氣柜的煤氣充排能力，根據各氣源工藝線生產節(jié)奏、日生產計劃和發(fā)電電價，合理控制柜容、調整發(fā)電負荷，實行峰、谷、平煤氣分段分量供應，實現(xiàn)發(fā)電機峰谷發(fā)電負荷和煤氣峰谷儲備量之間的協(xié)調供應和平衡，降低廠內電耗成本。

上述措施的實施，使轉爐煤氣回收量達到了歷年來最好水平，噸鋼回收轉爐煤氣147 m3，年回收轉爐煤氣7億m3。通過新的平衡調控模式，滿足了各煤氣用戶需求，同時，結余的煤氣用于高效率的發(fā)電機組進行發(fā)電。副產煤氣實現(xiàn)了零放散目標，形成煤氣系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、科學、合理的新型運行模式。

3.2 低熱值燃氣輪機零值班燃料技術改造

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Combined Cycle Power Plant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40%～45%。日產M251S燃機投入運行后，需要依靠焦爐煤氣值班燃料來維持發(fā)電機組燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，單機值班焦爐煤氣消耗量350 m3/h，同時焦爐煤氣中的萘、焦油易造成燒嘴堵塞導致頻繁事故停機。根據鋼鐵企業(yè)燃機電廠運行數(shù)據統(tǒng)計分析，由于焦爐煤氣問題引起的跳機比率達33%[2]。焦爐煤氣已成為了燃氣輪機在鋼鐵企業(yè)應用的瓶頸。

分析認為，啟機過程中M251S燃機的值班焦爐煤氣點火程序必不可少，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。

具體改進方案：通過對值班管道系統(tǒng)進行改進，現(xiàn)場增加高爐煤氣吹掃閥、供應閥、切斷閥、氮氣密封閥、過濾器及節(jié)流孔板等工藝設備改造，使用壓縮的高壓主燃料流向值班環(huán)形管道及噴嘴，進而實現(xiàn)值班煤氣切投，并有效避免了主燃料的回火爆炸問題。對應工藝管線改造，對控制系統(tǒng)也進行了相應的修改，重點修改了值班焦爐煤氣與高壓高爐煤氣切換程序，通過程序控制實現(xiàn)了值班焦爐煤氣向高爐煤氣的正常切換。熱值修訂方面主要進行了主燃料顯示熱值大于實際熱值修正、配風量修正和焦爐氣熱值修訂等參數(shù)修正。通過技術改造實現(xiàn)了M251S燃氣輪機的零值班運行，節(jié)約了焦爐煤氣。

3.3 高爐煤氣干法除塵技術創(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，驅動發(fā)電機發(fā)電。使用TRT裝置可以顯著地提高產量，并且將壓力調節(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用。隨著TRT技術研究的不斷發(fā)展和進步，干法TRT發(fā)電因其技術優(yōu)勢逐漸得到推廣應用。而對應于干法TRT發(fā)電機組，高爐煤氣的干法除塵技術研究相應發(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。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)關注的焦點。

結合各高爐工藝特點，采用了下進上出式低壓長袋氮氣脈沖干法布袋系統(tǒng)，開發(fā)了氣流分布裝置技術，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、洗滌塔耐沖刷保護套技術、噴堿塔捕霧脫水裝置技術、噴淋水pH值遠程調控工藝及控制系統(tǒng)等一系列關鍵技術，實現(xiàn)了高爐干法除塵+TRT濕改干工藝技術的高效穩(wěn)定運行，取得了良好的效果。

通過技術創(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 供風系統(tǒng)一拖二供風技術創(chuàng)新

根據能源管控系統(tǒng)數(shù)據分析，現(xiàn)有供風機組采用低參數(shù)蒸汽鍋爐驅動鼓風機，供風效率偏低，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風機供風1000 m3級高爐和一座2000 m3級高爐的設想。需要面對的主要問題是：一方面國內沒有同類型供風方式經驗，另一方面兩座高爐要求風壓、風量也不相同，工藝上實現(xiàn)難度比較大。

經過對AV90風機供風數(shù)據及性能曲線與兩座高爐風壓、風量核算，自主研究開發(fā)了一套一拖二供風系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，對現(xiàn)有供風管網系統(tǒng)及程序實施改造，投運后效果良好。

通過供風方案的優(yōu)化，實現(xiàn)了兩臺低效率的中溫中壓煤氣鍋爐及其配套鼓風機組停運備用，利用AV90風機同時供風兩座高爐，在同等供風條件下，置換出13.5萬m3/h高爐煤氣用于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行發(fā)電，煤氣利用效率提高了15%，扣除電動風機用電，每年可創(chuàng)效約6800萬元。

3.5 大型燃氣輪機煤氣回流回收技術

通過一系列的優(yōu)化措施，實現(xiàn)了高爐煤氣結余大約35萬 m3/h。為了合理高效地利用好這部分煤氣，經過充分調研和論證，決定采用目前效率最高的燃氣-蒸汽聯(lián)合發(fā)電機組來實現(xiàn)煤氣的高效利用。因此，建設了一套150 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)+熱電聯(lián)產發(fā)電機組。

該機組在啟動過程中為了滿足燃氣輪機對煤氣熱值的要求，原設計工藝煤氣經兩級壓縮機進行壓縮，壓縮后的煤氣溫度在250℃左右，初期產生的不滿足燃機油-氣切換要求的混合煤氣需要進行放散處理，同時停機過程中為了降低高壓煤氣的回流沖擊，也要進行放散處理，這就造成了大量煤氣資源浪費，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氣輪機啟動和停機階段放散的大量的煤氣進行回收，解決放散煤氣由于溫度較高對系統(tǒng)管網的熱應力沖擊，并消除放散高壓煤氣對系統(tǒng)管網運行的安全威脅，保證其他生產用戶的正常運行不受影響。利用該煤氣回流冷卻裝置并配合煤氣柜，實現(xiàn)了燃氣輪機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 結語

通過一系列煤氣資源綜合利用關鍵技術的研究與應用，實現(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)科學用能、精準調控、綠色發(fā)展等用能管理體系和科學技術體系的發(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有的貢獻，經濟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)經濟、節(jié)能減排、推進國民經濟快速健康發(fā)展具有重要應用價值和示范意義。