唐鋼新區(qū)提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收措施

張 寧 吳 浩

(1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，2.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司)

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”的提出，迫切需要在不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下，對(duì)能源進(jìn)行合理化、最大化的回收和利用。由于回收的不連續(xù)性與工藝過程的波動(dòng)，使得鋼鐵企業(yè)煉鋼系統(tǒng)的煤氣回收一直是一個(gè)難點(diǎn)[1-2]。文章分析了影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收的因素，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)唐鋼新區(qū)轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)做出調(diào)整。

1 轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)

由于干法除塵具有除塵效果好(粉塵排放濃度控制在10 mg/m3以下)、運(yùn)行更加穩(wěn)定可控(通過軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量)等優(yōu)點(diǎn)，所以唐鋼新區(qū)熱軋事業(yè)部2座200 t轉(zhuǎn)爐與長(zhǎng)材事業(yè)部3座100 t轉(zhuǎn)爐全部使用干法除塵系統(tǒng)進(jìn)行煤氣凈化與回收。

轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化及回收系統(tǒng)是以冷卻轉(zhuǎn)爐煙氣及凈化冶煉產(chǎn)生的所有含塵氣體，并回收含有CO的氣體供后續(xù)工序使用為主要目的的工藝過程，如圖1所示。1 400～1 600 ℃的高溫?zé)煔饨?jīng)汽化冷卻煙道冷卻，溫度降為800～1 000 ℃；然后通過蒸發(fā)冷卻器(EC)，高壓水經(jīng)霧化噴嘴噴出，煙氣直接冷卻到250 ℃左右；噴水量根據(jù)煙氣熱量精確控制，所噴出的水完全蒸發(fā)，噴水降溫的同時(shí)對(duì)煙氣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使粉塵有利于電除塵器的捕集。蒸發(fā)冷卻器內(nèi)約30%～40%的粗粉塵沉降到香蕉彎底部，通過輸灰設(shè)備將粗灰輸送至粗灰倉(cāng)，定期汽車外運(yùn)。

圖1 轉(zhuǎn)爐煤氣干法凈化及回收系統(tǒng)

冷卻和調(diào)質(zhì)后的煙氣進(jìn)入有四個(gè)電場(chǎng)的圓形電除塵器(ESP)，其入口處設(shè)氣流分布板，使煙氣在圓形電除塵器內(nèi)呈柱塞狀流動(dòng)，減少爆炸幾率。電除塵器進(jìn)出口裝有安全泄爆閥，用來疏導(dǎo)爆炸后可能產(chǎn)生的壓力沖擊波。收集的粉塵由扇形刮板機(jī)刮到下部灰槽，然后用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)將灰輸送至機(jī)頭再由氣力輸送系統(tǒng)(機(jī)械輸送系統(tǒng))送到貯灰倉(cāng)，定期汽車外運(yùn)。

風(fēng)機(jī)采用ID軸流風(fēng)機(jī)，有利于系統(tǒng)的泄爆；風(fēng)機(jī)設(shè)變頻調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)流量跟蹤調(diào)節(jié)，以保證煤氣回收的數(shù)量與質(zhì)量。

凈化后的煙氣經(jīng)過軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)入煤氣切換站，煤氣切換站由兩個(gè)液動(dòng)杯閥組成。當(dāng)煙氣符合回收條件時(shí)，煙氣通過液壓杯閥切換至煤氣冷卻器(GC)，煤氣經(jīng)過直接噴淋冷卻由150 ℃降至70 ℃以下，然后由煤氣加壓站加壓將煤氣送往各用戶。當(dāng)煙氣不符合回收條件時(shí)，煙氣由液動(dòng)杯閥切換至放散煙囪點(diǎn)火放散。

2 轉(zhuǎn)爐煤氣回收的影響因素

轉(zhuǎn)爐冶煉過程主要是以鐵水、廢鋼與鐵合金為主要原料，通過吹氧進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，氧槍的吹氧與轉(zhuǎn)爐中的鐵水反應(yīng)，O2與C反應(yīng)生成CO[3-5]。轉(zhuǎn)爐煤氣回收本質(zhì)上就是對(duì)CO的回收，那么就需要從兩方面考慮，一是如何生成盡可能多的CO，二是如何減少回收過程中的浪費(fèi)。

根據(jù)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)實(shí)踐分析，影響轉(zhuǎn)爐干法系統(tǒng)煤氣回收的因素主要包括：系統(tǒng)設(shè)備狀況、轉(zhuǎn)爐原料條件、供氧條件、爐口空氣吸入量、煤氣回收條件及其他因素。其中轉(zhuǎn)爐原料條件、供氧條件和爐口空氣吸入量對(duì)于轉(zhuǎn)爐煤氣回收的數(shù)量和質(zhì)量影響尤為明顯。

2.1 轉(zhuǎn)爐原料條件

轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐中加入廢鋼與鐵水，然后通過氧槍吹氧，使氧氣與原料中的碳、錳、硫、磷等元素發(fā)生氧化反應(yīng)。鐵水占比與鐵水溫度對(duì)冶煉過程及煤氣產(chǎn)量影響最大，鐵水溫度一般要求要大于1 250 ℃。其次，廢鋼對(duì)于冶煉過程影響也很大，廢鋼成分穩(wěn)定可以減少冶煉過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，使冶煉過程更加平穩(wěn)，保證爐內(nèi)反應(yīng)速率穩(wěn)定，從而利于爐口微差壓的控制，促進(jìn)煤氣的回收。廢鋼與鐵水的加入順序一般以先加廢鋼后加鐵水為宜，可以對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)去除其中的水分。

2.2 供氧條件

供氧條件包括吹氧強(qiáng)度、氧槍高度和氧槍噴頭角度等，對(duì)煤氣的生成及回收有極大的影響。吹煉前期也稱硅錳氧化期。氧槍開始吹氧同時(shí)下入大部分造渣料，這一階段的主要目標(biāo)是化渣，并去除有害的磷元素。該階段溫升比較均勻，有利于去除硫和磷，可以緩解熔渣對(duì)爐襯的侵蝕。因此，氧槍的吹氧量與氧槍槍位需要進(jìn)行合理的規(guī)劃，槍位應(yīng)適當(dāng)高些，加速第一批渣料的熔化，盡早形成具有適當(dāng)流動(dòng)性和正常泡沫化的初期渣。吹煉中期主要為碳的氧化期，也是生成CO最關(guān)鍵的階段，由于吹入的氧氣幾乎全部用于碳的氧化，同時(shí)渣中的氧化鐵也被消耗，控制好這個(gè)階段的吹煉穩(wěn)定性對(duì)煤氣回收有很重要的意義。吹煉末期也稱碳氧化末期，終點(diǎn)控制的目標(biāo)是：將碳含量控制在要求范圍的同時(shí)確保鋼中P、S含量符合要求；鋼水溫度達(dá)到所煉鋼種要求的范圍；控制好熔渣的氧化性；鋼水中氧含量合適，以保證鋼的質(zhì)量。隨著現(xiàn)在工業(yè)4.0的到來，智能一鍵煉鋼正在普及，通過煙氣分析、聲吶化渣及副槍的應(yīng)用，可以監(jiān)測(cè)到爐內(nèi)情況，然后通過二級(jí)控制程序進(jìn)行控制，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了轉(zhuǎn)爐一次命中率，最大可能地減少了補(bǔ)吹，減少了廢氣產(chǎn)生量，提高了煤氣的質(zhì)量與產(chǎn)量。

2.3 回收時(shí)長(zhǎng)

隨機(jī)抽取了30組200 t轉(zhuǎn)爐與100 t轉(zhuǎn)爐不同回收時(shí)長(zhǎng)煤氣回收量數(shù)據(jù)如表1。大約回收時(shí)長(zhǎng)每增加1 min，噸鋼即可多回收煤氣約10 m3，以100 t轉(zhuǎn)爐計(jì)算可多回收1 000 m3煤氣，以200 t轉(zhuǎn)爐計(jì)算可多回收3 000 m3煤氣，由此可見回收時(shí)長(zhǎng)對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣回收量影響極大。

表1 不同回收時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的煤氣回收量

2.4 閥門動(dòng)作時(shí)間

以激光式氣體成分分析系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果判定煤氣的回收和放散，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果滿足煤氣回收條件時(shí)，放散杯閥關(guān)閉、回收杯閥打開；當(dāng)檢測(cè)結(jié)果滿足煤氣放散條件時(shí)，放散杯閥打開、回收杯閥關(guān)閉。切換的時(shí)間越快越好，因?yàn)樵谇袚Q的過程中兩個(gè)閥門都是處于打開的狀態(tài)，時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)造成合格煤氣被大量放散流失，所以需要盡可能地減少閥門的動(dòng)作時(shí)間。

2.5 爐口空氣吸入量

理論上活動(dòng)煙罩與爐口零距離為理想狀態(tài)，可完全隔絕外部空氣，不需要考慮爐口壓差問題。然而現(xiàn)實(shí)情況是由于種種原因可能造成活動(dòng)煙罩未投入使用，煤氣回收量大幅度降低，所以一定要保證活動(dòng)煙罩的投入率達(dá)到100%。下一步就是通過優(yōu)化吹煉工藝，制定合理的打渣工作制度，確保爐口無過度積渣，以便將煙罩盡可能地降到最低，然后通過爐口微差壓的控制，確保煤氣回收的純度與回收量。

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高，抽氣量過大，會(huì)導(dǎo)致爐口微差壓為負(fù)，大量空氣進(jìn)入煙道，與煙道的CO二次燃燒生成CO2，CO含量從65%急速降低至30%，這對(duì)于煤氣回收是極其不利的。

控制爐口微差壓為正壓，防止吸入過多的空氣形成二次燃燒，但是同時(shí)也不能將正壓控制的過高，造成煙塵外逸，同樣在爐口形成二次燃燒，影響設(shè)備使用壽命。對(duì)于二次除塵，有可能將未燃燒充分的CO抽走，對(duì)后期的工藝處理造成安全隱患。

3 實(shí)踐應(yīng)用

鑒于以上各種因素，公司對(duì)熱軋事業(yè)部轉(zhuǎn)爐與長(zhǎng)材事業(yè)部轉(zhuǎn)爐的整個(gè)回收系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析與調(diào)整。

3.1 提高降罩率

由于活動(dòng)煙罩拉桿處積渣過多，熱軋事業(yè)部轉(zhuǎn)爐活動(dòng)煙罩升降不靈活，不能100%投入使用。對(duì)積渣進(jìn)行清理，然后對(duì)上方氧槍口平臺(tái)進(jìn)行封堵，確保下方無積渣，活動(dòng)煙罩100%投入使用。

由于活動(dòng)煙罩液壓系統(tǒng)存在問題，長(zhǎng)材事業(yè)部轉(zhuǎn)爐活動(dòng)煙罩不能保持在設(shè)定位置，無法投入使用。首先對(duì)液壓鎖位置進(jìn)行調(diào)整，使活動(dòng)煙罩升降并穩(wěn)定到設(shè)定位置，活動(dòng)煙罩100%投入使用；然后對(duì)活動(dòng)煙罩的降罩高度進(jìn)行調(diào)整，通過分析確定活動(dòng)煙罩的降罩高度及下降空間，活動(dòng)煙罩降罩后與爐口距離減小到100 mm，冶煉間隙及時(shí)清理爐口積渣，確保煙罩下降位置。

3.2 調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

長(zhǎng)材事業(yè)部轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)在各吹煉階段設(shè)定轉(zhuǎn)速分別為預(yù)熱/兌鐵850 rad/min、吹氧/補(bǔ)吹1 080 rad/min、投料1 120 rad/min、回收1 580 rad/min。由于回收時(shí)微差壓為-80～-100 Pa，CO含量明顯降低，所以將回收轉(zhuǎn)速由1 580 rad/min下調(diào)到1 300 rad/min。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證在此轉(zhuǎn)速下，確保了爐口微正壓穩(wěn)定在0～30 Pa。因?yàn)闆]有負(fù)壓，CO沒有二次燃燒，煤氣濃度在吹煉中期未發(fā)生急劇下降，調(diào)整后冶煉過程中CO濃度基本維持在45%～50%，所以冶煉中期CO回收效率增加，提高了回收熱值。

3.3 優(yōu)化液壓系統(tǒng)

在不影響杯閥動(dòng)作的情況下，將放散杯閥與回收杯閥的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，各部動(dòng)作時(shí)間均縮短大約2 s，具體優(yōu)化情況見表2。

表2 各部動(dòng)作時(shí)間 s

3.4 煙氣分析儀與風(fēng)機(jī)連鎖

將煙道內(nèi)的煙氣分析儀檢測(cè)結(jié)果與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)煙氣檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)后連鎖對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行預(yù)提速，并與微差壓進(jìn)行自動(dòng)化控制連鎖，確保微差壓穩(wěn)定的0～30 Pa。通過以上措施，在煤氣回收條件為CO>35%且O2<1%、放散條件為CO<25%或O2≥1%的情況下，100 t轉(zhuǎn)爐煤氣回收量從80 m3/t提高到120 m3/t，200 t轉(zhuǎn)爐煤氣回收量從90 m3/t提高到130 m3/t，熱值由4 620 kJ/m3提高到5 460～5 880 kJ/m3。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐煤氣作為含有較高熱值同時(shí)比焦?fàn)t煤氣更加清潔的能源副產(chǎn)品，能夠安全、高效的對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)行回收利用，對(duì)節(jié)能降耗、綠色生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。學(xué)者們要不斷地通過工藝控制與設(shè)備優(yōu)化來提高能源的回收，而且回收過程不能單純地追求回收量，還要注意提高CO的含量和煤氣品質(zhì)。