提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收熱值的實(shí)踐探索

邢金棟，趙洪生

（1.河鋼集團(tuán)唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063105；2.河北省鍍錫基板技術(shù)創(chuàng)新中心，河北063105）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)煙氣污染物大氣排放標(biāo)準(zhǔn)和能源利用率等要求的提高，節(jié)能降耗、余能利用、降本增效已成為鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。而增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收量和熱值已成為鋼鐵企業(yè)降低成本、增加競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，這不僅可以提高企業(yè)能源循環(huán)利用率，更代表了鋼鐵企業(yè)負(fù)能煉鋼的技術(shù)水平。

唐山不銹鋼公司煉鋼系統(tǒng)于2004 年投產(chǎn)，現(xiàn)有2 座100 t 轉(zhuǎn)爐，其煤氣回收系統(tǒng)經(jīng)過不斷的改進(jìn)升級(jí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量及熱值不斷刷新記錄，助推了企業(yè)節(jié)能環(huán)保工作不斷提高。本文介紹了唐山不銹鋼公司轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析了影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收和煤氣熱值的原因，提出了減少煤氣CO 燃燒、控制煙氣CO2生成和控制煤氣中氮?dú)膺M(jìn)入等提高轉(zhuǎn)爐煤氣熱值的改進(jìn)措施。

1 轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐煤氣回收條件中，CO 含量是最直接的一項(xiàng)指標(biāo)，理論上轉(zhuǎn)爐煤氣中的CO 濃度可達(dá)到80%以上，但是通常其濃度只在45%左右。

唐山不銹鋼公司兩座100 噸轉(zhuǎn)爐，各有一套煙氣分析系統(tǒng)，能夠快速、準(zhǔn)確的分析轉(zhuǎn)爐冶煉過程產(chǎn)生的煙氣成份。通過對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)影響煤氣熱值的原因主要為以下兩點(diǎn)：一是CO2含量高，占比達(dá)20～28%；二是N2含量高，占比達(dá)25～30%。上述兩種氣體的存在說明轉(zhuǎn)爐煤氣中有大量CO 發(fā)生燃燒，同時(shí)有大量氮?dú)膺M(jìn)入，導(dǎo)致煤氣熱值降低。

2 轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)問題分析

2.1 CO2 含量占比高

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，最基本的化學(xué)反應(yīng)就是鐵水中的碳和氧槍吹入的氧反應(yīng)生成CO，這也是轉(zhuǎn)爐最基本的脫碳功能。但是CO 的回收過程是一個(gè)非常不容易把控的過程，因?yàn)楦邷責(zé)煔庵械腃O 遇到空氣便會(huì)發(fā)生二次燃燒生成CO2，因此廣大冶金科技工作者對(duì)如何控制CO 二次燃燒進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索。比如，利用微差壓控制系統(tǒng)對(duì)汽化冷卻煙道內(nèi)的煙氣全程實(shí)行微正壓控制，以阻止空氣被吸入煙道中燃燒，但由于轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)受加料、鐵水、加入冷料種類等復(fù)雜條件影響，加上微差壓檢測(cè)裝置傳感器的靈敏度影響，以及執(zhí)行元件響應(yīng)速度等影響，其效果差強(qiáng)人意。同時(shí)，在環(huán)保壓力下轉(zhuǎn)爐爐口負(fù)壓運(yùn)行較多，出現(xiàn)的結(jié)果就是煤氣CO 濃度在35～50%區(qū)間徘徊，一次除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流大、功耗高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪壽命隨之會(huì)降低。

2.2 N2 在煤氣中占比高

轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)過程中，加料系統(tǒng)與煤氣回收系統(tǒng)汽化煙道連接處的隔離密封和氧槍插入孔與外部空氣的密封隔斷是通過中壓氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)煙道內(nèi)通常為負(fù)壓運(yùn)行，因此，作為密封用的大量N2在冶煉過程中被吸入煤氣回收系統(tǒng)煙道內(nèi)，導(dǎo)致煤氣中N2占比升高的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煤氣回收熱值的提高。

3 轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 控制CO2 的生成

控制煙氣中CO2的生成關(guān)鍵是減少空氣進(jìn)入煤氣回收系統(tǒng)，與煤氣中CO 發(fā)生燃燒。因此，唐山不銹鋼公司為了控制CO 燃燒進(jìn)行各方面探索，其中重要的手段是活動(dòng)煙罩降罩操作和安裝爐口微差壓控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐吹煉全程微正壓操作等。

同時(shí)，借助LOMAS 煙氣分析系統(tǒng)探索了一種新的動(dòng)態(tài)控制CO2生成的方法。將LOMAS 煙氣分析系統(tǒng)的CO2數(shù)據(jù)與爐口微差壓系統(tǒng)的壓力值進(jìn)行比對(duì)：若爐口壓力值為減小趨勢(shì)，同時(shí)煙氣分析CO2數(shù)值為增加趨勢(shì)，則通過與煤氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的聯(lián)鎖控制，使風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速，增加煙道內(nèi)壓力，保證爐口壓力在正壓范圍內(nèi)運(yùn)行，減少空氣吸入量，從而達(dá)到減少CO2生成量的目的；反之，若爐口壓力值為增加趨勢(shì)，同時(shí)煙氣分析CO2數(shù)值為減少趨勢(shì)，則通過與煤氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的聯(lián)鎖控制，使風(fēng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速，降低煙道內(nèi)壓力，保證爐口壓力在正常正壓范圍內(nèi)運(yùn)行，保證煙塵不發(fā)生外溢，減少煤氣燃燒，降低環(huán)保事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。上述爐口壓力值與煙氣分析CO2數(shù)值的趨勢(shì)必須同時(shí)滿足要求，方可觸發(fā)連鎖控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作。

經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，利用爐口壓力值與煙氣分析CO2數(shù)值與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速連鎖，控制CO2生成效果明顯，煤氣中CO 濃度由原來的35～45%穩(wěn)定提高到48%左右，煤氣熱值提高了約241.6 kcal/m3。

3.2 控制煤氣中N2 的進(jìn)入

N2進(jìn)入煤氣系統(tǒng)中的情況，除一部分為隨空氣進(jìn)入，另外大部分為煤氣回收系統(tǒng)煙道的氮封裝置所使用的N2。煤氣回收系統(tǒng)主要氮封位置為：轉(zhuǎn)爐加料口、氧槍插入口及活動(dòng)煙罩與固定煙罩接縫。以下為針對(duì)各個(gè)部位氮封裝置的改進(jìn)措施。

3.2.1 對(duì)現(xiàn)有加料系統(tǒng)密封進(jìn)行改造

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備狀況設(shè)計(jì)了一種新型轉(zhuǎn)爐加料系統(tǒng)密封裝置（如圖1 所示），該密封裝置為組合式半機(jī)械氣體密封，用少量氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)了加料系統(tǒng)與冶煉中產(chǎn)生的煤氣安全有效隔離，大幅降低了氮?dú)獾氖褂昧?，同時(shí)達(dá)到較好的密封效果。

由圖1 可以看出，密封裝置改進(jìn)的關(guān)鍵是增加了氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)閥20 及溫度傳感器4，并將氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥與溫度傳感器的測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行連鎖。當(dāng)下料溜管溫度升高，則按照一定溫度梯度相應(yīng)提高氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)閥的開度，增加氮?dú)饬浚_(dá)到隔絕煙氣的目的。通過此技術(shù)革新，氮?dú)庀妮^之前降低45%，煤氣中N2含量降低約3%，煤氣熱值提高了約90.6 kcal/m3。

圖1 新型轉(zhuǎn)爐加料系統(tǒng)的組合式氣體密封裝置

3.2.2 新型氧槍插入孔密封裝置的開發(fā)

唐山不銹鋼公司開發(fā)了一種新型氧槍插入孔密封裝置，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐氧槍插入孔完全依靠組合式機(jī)械密封隔絕煙氣，無氮?dú)饷芊庾鳂I(yè)，有效的解決了因轉(zhuǎn)爐煙道壓力波動(dòng)而引發(fā)的氮封被擊穿的環(huán)保冒煙事故，大幅度減少了N2消耗和一次除塵的電耗，減少了進(jìn)入煙道內(nèi)的N2，使得轉(zhuǎn)爐煤氣熱值得到較大幅度提高。

新型氧槍插入孔密封裝置如圖2 所示。圖中：1-氧槍插入孔，2-氧槍插入孔機(jī)械密封式接口套，3-氧槍機(jī)械密封蓋，4-過度透蓋，5-砂封箱體，6-密封砂，7-氧槍，8-支撐筋板。氧槍插入孔機(jī)械密封式接口套2 安裝于氧槍插入孔1 正上方；組合式氧槍機(jī)械密封蓋3 分別安裝于每根氧槍的中上部，用于支撐組合式氧槍機(jī)械密封蓋的支撐筋板8 焊接在氧槍槍身中上部位置；砂封箱體5 焊接在氧槍機(jī)械密封蓋之上，氧槍機(jī)械密封蓋與氧槍之間的環(huán)縫上覆蓋有過度透蓋4，用于補(bǔ)償氧槍與密封蓋之間的縫隙，防止漏砂；砂封箱體5 內(nèi)填充有密封砂6，用于阻止煙氣外溢。

圖2 新型氧槍插入孔密封裝置

新型氧槍插入孔密封裝置工作原理：當(dāng)氧槍自待吹點(diǎn)下降至接近開氧點(diǎn)時(shí)，組合式氧氣密封蓋體落在氧槍插入孔機(jī)械密封接口套正上方，此時(shí)兩個(gè)經(jīng)過機(jī)加工的接口實(shí)現(xiàn)了無縫對(duì)接；氧槍穿過靜止于氧槍插入孔機(jī)械密封接口套上方的機(jī)械密封蓋繼續(xù)下降，到達(dá)開氧點(diǎn)開氧后進(jìn)入正常吹煉。由于砂封套筒內(nèi)的密封砂具有一定的流動(dòng)性，并且按不同顆粒度分層填充（大顆粒在下方，細(xì)顆粒在上方），以防漏砂，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的一次煙氣完全被組合式密封裝置封閉在氧槍插入孔腔內(nèi)。通過此技術(shù)改造，氧槍插入口處氮?dú)饷芊馔耆∠?，?jié)約N2消耗400 m3/爐，煤氣熱值提高了約100.7 kcal/m3。

3.2.3 活動(dòng)煙罩機(jī)械與氮?dú)饨M合式密封裝置

為保證轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)煙道的活動(dòng)煙罩與固定段煙道之間相對(duì)運(yùn)行無卡阻，其存在80 mm 左右的縫隙。為防止空氣進(jìn)入，同時(shí)阻止煙塵外溢，此縫隙原設(shè)計(jì)為通過氮?dú)膺M(jìn)行密封。新型機(jī)械與氮?dú)饨M合式密封裝置的投用，使此縫隙密封氮?dú)庀拇蠓陆怠?/p>

活動(dòng)煙罩機(jī)械與氮?dú)饨M合式密封裝置如圖3所示。圖3 中，1～4-鋼板，5-彎頭，6-氮?dú)夤埽?-鋼板，8-護(hù)套，9-法蘭，10-鋼板，11-鋼板，12-鋁板，13-圍板，14-銅板，15-錨鉤，16-耐火材料，17-保溫材料，18-密封填料，19-螺栓，20-氮?dú)饪祝?1-固定段水管，22-活動(dòng)煙罩水管，23-錐體。法蘭9 焊接在活動(dòng)煙罩環(huán)形管的頂部，與鋼板1～4 組對(duì)焊接成為箱式環(huán)形氮?dú)馐?，氮?dú)夤? 通過彎頭5 與氮?dú)馐液附?；鋼?1 與圍板13 錐體23 焊接組成環(huán)形箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充保溫材料和填充料，整體箱型結(jié)構(gòu)通過螺栓19 固定在法蘭9 之上；圍板7 與固定段煙道整體焊接成一體，環(huán)型銅板14 通過螺栓22 固定在環(huán)形鋼板11 之上。

圖3 活動(dòng)煙罩機(jī)械與氮?dú)饨M合式密封裝置

活動(dòng)煙罩機(jī)械與氮?dú)饨M合式密封裝置工作原理：固定段煙道與活動(dòng)煙罩之間的縫隙通過鋼板11 與圍板13 錐體23 焊接組成的箱式環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械密封，密封箱內(nèi)填充保溫材料和密封填料以及氮?dú)馐疫M(jìn)行組合密封。氮?dú)馐业淖饔檬窃跈C(jī)械與填料密封發(fā)生泄漏時(shí)用少量的N2進(jìn)行封閉，N2消耗僅是原設(shè)計(jì)的20%，同時(shí)有效的隔絕空氣的進(jìn)入，減少了回收煤氣N2的進(jìn)入，煤氣熱值提高了約135.9 kcal/m3。

4 結(jié)語

本文分析了唐山不銹鋼公司轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)的現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)存問題有針對(duì)性的提出了改進(jìn)措施。通過實(shí)施減少轉(zhuǎn)爐煤氣CO 燃燒、控制煙氣CO2生成和控制回收煤氣中N2進(jìn)入等措施，顯著提高轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值。

（1） 利用爐口壓力值和煙氣CO2分析數(shù)值與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速連鎖控制效果明顯，可顯著控制CO2的生成，提高轉(zhuǎn)爐煤氣熱值，熱值可提高約241.6 kcal/m3。

（2）通過對(duì)轉(zhuǎn)爐加料口、氧槍插入口及活動(dòng)煙罩與固定煙罩接縫的傳統(tǒng)密封形式的改造，降低轉(zhuǎn)爐回收煤氣中N2含量，在節(jié)約N2的同時(shí)提高煤氣回收熱值約327.2 kcal/m3。