李存生
(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 401122)
鋼鐵生產(chǎn)長(zhǎng)流程[1]企業(yè)中,副產(chǎn)的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣約占企業(yè)二次能源的70%[2],其中高爐煤氣占比最高,有著重要而廣泛的使用,但因熱值相對(duì)較低,曾經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間只能供給高爐熱風(fēng)爐、發(fā)電等對(duì)燃料熱值要求不高的用戶。近年來(lái),隨著燃燒技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,特別是雙蓄熱技術(shù)[3]的出現(xiàn),高爐煤氣已經(jīng)在軋鋼加熱爐生產(chǎn)中大規(guī)模使用,這不僅擴(kuò)大了高爐煤氣的應(yīng)用范圍,促進(jìn)了鋼鐵企業(yè)燃料變革,同時(shí)也大幅降低了企業(yè)的用能成本,但隨之也帶來(lái)了一些問題,如煙氣中CO的濃度偏高,造成了能源浪費(fèi)與環(huán)境污染。
為了實(shí)現(xiàn)高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒,使用高爐煤氣作為單一燃料的加熱爐一般采用雙蓄熱的燃燒方式,此種加熱爐排煙通常有空煙和煤煙兩個(gè)通道,由此導(dǎo)致煙氣中CO的來(lái)源也有所不同。空煙中的CO主要來(lái)源于爐內(nèi)高爐煤氣的不完全燃燒[4],濃度相對(duì)較低,控制也相對(duì)容易。影響煤煙中CO濃度的因素較多,煤煙中CO的濃度也相對(duì)較高。通過對(duì)雙蓄熱式加熱爐煙氣中CO來(lái)源的分析,針對(duì)性地提出了降低CO濃度的措施與技術(shù)方案,特別是煤煙系統(tǒng)殘余煤氣利用技術(shù)[5],有效解決了煙氣中CO濃度偏高的問題,同時(shí)降低了加熱爐的燃料消耗,使鋼鐵企業(yè)周邊環(huán)境質(zhì)量得到改善,取得了良好的應(yīng)用效果。
采用煤煙系統(tǒng)殘余煤氣利用技術(shù)節(jié)約的高爐煤氣重新回到煤氣管網(wǎng)中,可供其它用戶使用或直接進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。當(dāng)高爐煤氣供給不同的發(fā)電機(jī)組時(shí),由于其效率的不同發(fā)電量[6]也不相同,隨著鋼鐵企業(yè)自發(fā)電機(jī)組向大容量、高效率的方向發(fā)展,所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也更為顯著,在降低運(yùn)行成本的同時(shí)促進(jìn)了鋼鐵企業(yè)的綠色低碳發(fā)展。
在典型的長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)中,副產(chǎn)煤氣資源量大,需要采取合理的煤氣利用途徑[7],部分企業(yè)高爐煤氣的發(fā)生量按轉(zhuǎn)化成發(fā)熱量計(jì)算可占據(jù)總的煤氣發(fā)生量70%以上的比例,如果沒有配套焦化設(shè)施,其實(shí)際比例會(huì)更高,因此如何高效利用高爐煤氣是鋼鐵生產(chǎn)能源利用非常重要的課題。在現(xiàn)行鋼鐵企業(yè)運(yùn)行制度下,高爐煤氣首先滿足高爐熱風(fēng)爐的使用,其次是供給燒結(jié)[8-9]、球團(tuán)以及石灰等用戶??傊?,在以往相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里,由于高爐煤氣熱值較低,單獨(dú)作為燃料使用時(shí)通常供給對(duì)加熱質(zhì)量要求不高的用戶。此外,作為混合煤氣的重要組成,大量的高爐煤氣被送往混合站進(jìn)行混合后再送至各用戶使用。
隨著燃燒技術(shù)的創(chuàng)新,特別是高爐煤氣雙蓄熱技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,高爐煤氣作為單一燃料為軋鋼加熱爐供熱已非常普遍,這不僅擴(kuò)大了高爐煤氣作為單一燃料的使用范圍,特別是對(duì)于沒有焦化的鋼鐵企業(yè)來(lái)說減少了大量高熱值燃?xì)獾耐赓?gòu),大大降低了能源使用成本,為我國(guó)鋼鐵工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生了一定的推動(dòng)作用。
鋼鐵企業(yè)中的高爐煤氣熱值通常在3 000 kJ/m3左右,相對(duì)較低且會(huì)有一定程度的波動(dòng),常壓下的點(diǎn)火溫度為530~650℃[10],低溫下難以維持穩(wěn)定燃燒。雙蓄熱燃燒技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一問題,使高爐煤氣的利用得到突破。雙蓄熱技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備雙蓄熱式燒嘴中有一定體積的蓄熱體,一般為蜂窩體或小球,助燃空氣與煙氣共用燒嘴內(nèi)的通道,高爐煤氣與煙氣也共用燒嘴內(nèi)的通道,燃燒與排煙周期性進(jìn)行。排煙周期內(nèi)煙氣將蓄熱體加熱到1 000℃以上,蓄熱體得以蓄熱;燃燒周期內(nèi)蓄熱體釋放熱量,空氣和高爐煤氣得以預(yù)熱,其燃燒前的溫度達(dá)到900~1 000℃[11],從而使得低熱值的高爐煤氣能夠進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定燃燒。
但雙蓄熱式燃燒也有自身的一些問題,因?yàn)楦郀t煤氣與煙氣共用通道,難以避免地使得部分未燃盡的高爐煤氣隨煙氣排放到大氣中,這不僅造成了能源的浪費(fèi),高爐煤氣中的CO還會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成危害[12]。此外,雙蓄熱式加熱爐燃燒換向時(shí)對(duì)爐壓的波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響[13-14]。
通過空氣與煙氣共用通道排出的煙氣通常稱為空煙[15]??諢熤懈郀t煤氣的來(lái)源較為單一,主要來(lái)自爐內(nèi)的不完全燃燒,正常生產(chǎn)狀態(tài)下濃度較低,通過合理控制空氣系數(shù)能夠使高爐煤氣中CO的濃度降至目標(biāo)值。通過高爐煤氣與煙氣共用通道排出的煙氣一般稱為煤煙。根據(jù)雙蓄熱式加熱爐的工作原理和結(jié)構(gòu)特性,煤煙煙氣中的高爐煤氣來(lái)源則較為復(fù)雜,主要包括共用通道中沒有進(jìn)入爐內(nèi)的殘余高爐煤氣、煤氣/煤煙二位三通換向閥的泄漏以及爐內(nèi)的不完全燃燒等。煤煙煙氣中CO的濃度相對(duì)較高且波動(dòng)劇烈,排放后不僅造成燃料的浪費(fèi)還對(duì)周邊環(huán)境造成污染,對(duì)周邊生物健康產(chǎn)生危害。
2.1.1 換向閥、管道、燒嘴內(nèi)的殘余煤氣
根據(jù)雙蓄熱式加熱爐燃燒系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)特性,燒嘴燃燒結(jié)束后,煤氣/煤煙二位三通換向閥煤氣側(cè)閥門關(guān)閉、煤煙側(cè)閥門打開進(jìn)行排煙,由于從二位三通閥到燒嘴的煤氣和煤煙為共用通道,因此從換向閥到燒嘴之間的高爐煤氣未能進(jìn)入爐內(nèi)燃燒即被排煙風(fēng)機(jī)抽出與煤煙煙氣混合后排放到環(huán)境中。
未能進(jìn)入爐膛燃燒而被排出的煤氣體積主要取決于煤氣/煤煙二位三通換向閥的結(jié)構(gòu)和體積的大小、換向閥到燒嘴管道的管徑、長(zhǎng)度以及燒嘴蓄熱箱體的大小??偟呐欧帕坑秩Q于燃燒周期的時(shí)長(zhǎng)。雙蓄熱式加熱爐一般采用集中換向和分散換向兩種方式,分散換向即一個(gè)或兩個(gè)燒嘴共用一個(gè)二位三通換向閥,集中換向一般是段內(nèi)單側(cè)燒嘴共用一個(gè)二位三通換向閥,如果段內(nèi)不分上下則共用使同一個(gè)換向閥的燒嘴數(shù)量更多。雙蓄熱式加熱爐的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn),決定了大量殘余的高爐煤氣未能燃燒就被排放到大氣中。
2.1.2 兩位三通閥泄漏
雙蓄熱式加熱爐的二位三通換向閥是周期性工作的,通常60 s為一個(gè)周期,每年的工作次數(shù)高達(dá)四十萬(wàn)次以上。由于閥門長(zhǎng)期處于高頻工作狀態(tài),加之煙氣溫度通常在200~300℃之間,閥門的密封非常容易損壞,從而導(dǎo)致煤氣通過煤氣/煤煙二位三通換向閥密封面泄漏到煤煙管道中,隨著時(shí)間的推移密封效果越來(lái)越差,泄漏量也越來(lái)越大,煤煙管道中CO的濃度也不斷升高。二位三通閥的閥板和閥桿由于長(zhǎng)期在高溫下工作且沖擊頻繁,容易導(dǎo)致閥板變形甚至出現(xiàn)閥桿斷裂的情況,從而導(dǎo)致閥門密封不嚴(yán)而導(dǎo)致高爐煤氣的泄漏,閥門口徑越大則泄漏問題就越突出。
雙蓄熱式加熱爐的部分二位三通換向閥氣缸能力不足或氣源壓力不穩(wěn)定,也會(huì)導(dǎo)致閥門無(wú)法正常關(guān)閉到位,從而導(dǎo)致閥門泄漏的產(chǎn)生或者泄漏加劇。對(duì)于集中換向的雙蓄熱式加熱爐,由于二位三通換向閥體積較大閥門動(dòng)作相對(duì)遲緩,在開閉過程中難免有部分高爐煤氣沒有經(jīng)過燒嘴燃燒而直接被抽到煤煙管道中排放。
2.1.3 煤氣的不完全燃燒
雙蓄熱式加熱爐燒嘴的空氣箱體和煤氣箱體為分開設(shè)置,不同于常規(guī)燒嘴的預(yù)混燃燒,煤氣和空氣是在爐膛內(nèi)進(jìn)行混合后再燃燒,難免有部分煤氣由于無(wú)法與空氣充分結(jié)合而無(wú)法完全燃燒。雙蓄熱式加熱爐通常不設(shè)置常規(guī)煙道,爐內(nèi)煙氣沒有經(jīng)過充分混合流動(dòng)的過程就被排放到爐外,不完全燃燒的情況會(huì)有所加劇,導(dǎo)致煙氣中CO的濃度升高。
高爐煤氣中CO的含量在20%~30%左右,其相對(duì)分子量為28,標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度為1.25 g·L-1,與空氣非常相近,為無(wú)色無(wú)味的有毒氣體,極易隨空氣流動(dòng)。
2.2.1 對(duì)環(huán)境的危害
空氣中的CO對(duì)環(huán)境的危害主要表現(xiàn)為對(duì)生物的傷害??諝庵蠧O濃度過高可能導(dǎo)致鳥類飛離甚至中毒,破壞生態(tài)平衡,對(duì)農(nóng)作物的防蟲工作產(chǎn)生一定的影響。部分鋼鐵企業(yè)周邊鳥類較少可能與其部分區(qū)域CO的濃度偏高存在一定的關(guān)聯(lián)。
2.2.2 對(duì)人體的危害
空氣中CO對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)為中毒,其原理是CO取代氧氣與血液中的血紅蛋白結(jié)合,由于其結(jié)合能力是氧氣的200倍,且不易分開,從而導(dǎo)致人體缺氧,進(jìn)而影響心臟、神經(jīng)系統(tǒng)的功能,給人體健康造成不可逆的傷害。
輕度中毒一般指人體血液中碳氧血紅蛋白達(dá)到10%~20%,中毒者會(huì)出現(xiàn)頭暈、視物模糊、惡心、乏力甚至短暫昏厥等癥狀。中度中毒一般指人體血液中碳氧血紅蛋白達(dá)到30%~40%,中毒者口唇、指甲等會(huì)出現(xiàn)櫻桃紅色,心率加速,嚴(yán)重者可出現(xiàn)昏迷。重度中毒一般指人體血液中碳氧血紅蛋白達(dá)到40%以上,中毒者會(huì)迅速進(jìn)入昏迷狀態(tài),血壓下降,甚至導(dǎo)致死亡,存活者可留有后遺癥,如神經(jīng)衰弱、智力障礙等[16]。
綜上所述,CO中毒對(duì)人體的傷害大、速度快,加之CO無(wú)色無(wú)味、隱蔽性強(qiáng),在剛剛接觸時(shí)不易察覺,導(dǎo)致CO中毒事件時(shí)有發(fā)生,因此對(duì)空氣中CO的含量必須高度重視。
2.3.1 減少二位三通換向閥的泄漏
二位三通換向閥的泄漏量主要取決于密封結(jié)構(gòu)和密封狀態(tài)。目前較為成熟的閥門制造企業(yè)所采用的密封結(jié)構(gòu)通常比較合理,密封材料通常為硬密封。密封狀態(tài)主要取決于密封的材質(zhì)、使用壽命以及維護(hù)與更換的周期。對(duì)于高爐煤氣,其雜質(zhì)含量一般較高、含水量偏大,易形成帶有腐蝕性的顆粒物并在密封處堆積,更容易造成對(duì)密封的損壞從而導(dǎo)致閥門泄漏的加劇,因此,定期維護(hù)和更換密封是減少閥門泄漏從而降低高爐煤氣中CO排放的重要措施之一。
對(duì)于口徑較大的二位三通換向閥,由于其動(dòng)作相對(duì)緩慢,在控制程序中適當(dāng)增加“關(guān)閉”和“啟動(dòng)”的時(shí)間間隔,避免閥門出現(xiàn)“短路”現(xiàn)象,以減少高爐煤氣在二位三通換向閥內(nèi)部被排煙風(fēng)機(jī)直接抽走的量,進(jìn)而降低煤煙煙氣中高爐煤氣CO的排放量。
2.3.2 減少高爐煤氣的不完全燃燒
高爐煤氣在爐內(nèi)是否完全燃燒主要取決于空氣與高爐煤氣的混合是否充分以及空氣過剩系數(shù)的大小。燒嘴結(jié)構(gòu)確定后煤氣與空氣的混合程度就已確定,雖然可以通過調(diào)整優(yōu)化火焰的長(zhǎng)度使混合更為充分,但很難有實(shí)質(zhì)性的改變??諝膺^剩系數(shù)主要取決于空氣的供給,通常情況下增大空氣的供給量可以降低煤氣的不完全燃燒,但過量的空氣供給又會(huì)導(dǎo)致燃耗的增加、鋼坯燒損量的增大并可能導(dǎo)致更多的NOx的生成,因此合理的空氣過剩系數(shù)需要根據(jù)高爐煤氣的成分進(jìn)行理論計(jì)算并與實(shí)踐摸索不斷融合,使燃燒充分的同時(shí)盡量減少不利因素的產(chǎn)生。
2.3.3 殘余煤氣置換技術(shù)
根據(jù)雙蓄熱加熱爐燃燒系統(tǒng)的工作原理,煤氣/煤煙二位三通換向閥、燒嘴以及二者之間管道內(nèi)的殘余煤氣在換向時(shí)會(huì)混入煤煙煙氣中排入大氣,因此可以在換向閥處設(shè)置煤氣置換系統(tǒng),在燃燒結(jié)束后排煙開始前,利用煙氣將該部分煤氣置換到爐內(nèi)進(jìn)行燃燒,降低煙氣中高爐煤氣CO的排放,從而降低周邊環(huán)境中CO的濃度,減少環(huán)境污染、降低對(duì)人類和動(dòng)物健康的威脅,提高煤氣的利用率、降低加熱爐的能耗。
某鋼鐵企業(yè)一座額定加熱能力為270 t/h的雙蓄熱式加熱爐,高爐煤氣的實(shí)際消耗量約為94 000 m3·h-1,在使用了殘余高爐煤氣置換技術(shù)后,降低了燃料消耗,大幅減少了煙氣中CO的含量,取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。殘余高爐煤氣置換系統(tǒng)投入前后煙氣中CO含量變化見圖1。
圖1 置換系統(tǒng)投入前后煙氣中CO含量變化圖(單位:×10-6)
對(duì)于軋鋼車間來(lái)說,燃耗的降低意味著成本的降低。按照鋼鐵企業(yè)內(nèi)部高爐煤氣不同定價(jià)計(jì)算燃耗降低產(chǎn)生的效益見表1。
表1 按不同燃料價(jià)格計(jì)算的能耗降低節(jié)約成本
對(duì)于鋼鐵企業(yè)全廠來(lái)說,燃耗降低節(jié)約的高爐煤氣可以送到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電,從而減少外購(gòu)電量,提高自發(fā)電率。仍以上文中的軋鋼車間加熱爐為例,按不同效率發(fā)電機(jī)組計(jì)算的減少外購(gòu)電效益見表2。
表2 按不同發(fā)電效率機(jī)組計(jì)算的減少外購(gòu)電效益
從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析,高爐煤氣置換系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格約為每套300萬(wàn)元,按照燃料價(jià)格產(chǎn)生的效益計(jì)算其投資回收期小于兩年,按照減少外購(gòu)電產(chǎn)生的效益計(jì)算其投資回收期小于一年。如果連同換向閥泄露和爐內(nèi)不完全燃燒等問題共同解決,節(jié)約的煤氣全部用于發(fā)電,取得的經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。
上述加熱爐年加熱坯料量約為180萬(wàn)t·a-1,對(duì)于500萬(wàn)t·a-1的鋼鐵企業(yè)其效益約為上述效益的3倍,對(duì)于更大規(guī)模的鋼鐵企業(yè)其效益更加顯著。
在我國(guó)承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[17]的大背景下,鋼鐵企業(yè)作為能耗大戶,降低碳排放必然成為當(dāng)前和未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的重要任務(wù)。根據(jù)《2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》,排放因子有兩種計(jì)算方法,分別是電量邊際排放因子(OM)和容量邊際排放因子(BM)。電量邊際排放因子是根據(jù)電力系統(tǒng)中所有電廠(不包括低運(yùn)行成本/必須運(yùn)行機(jī)組)的總凈發(fā)電量、燃料類型及燃料總消耗量計(jì)算。容量邊際排放因子是對(duì)選定的m個(gè)新增機(jī)組樣本的供電排放因子以電量為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均求得。我國(guó)各地理區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)排放因子見表3。
表3 減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子
利用不同區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子,根據(jù)節(jié)約的燃料送往不同效率的發(fā)電機(jī)組而減少的全廠外購(gòu)電量,對(duì)其減排的CO2量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表4。
由表4可知,僅降低了一座中等產(chǎn)量的加熱爐的高爐煤氣消耗,每年就可以減少數(shù)千噸CO2的排放量,因此,降低鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)單元的高爐煤氣消耗,對(duì)減少外購(gòu)電量、進(jìn)而減少CO2的排放量有著非常重要的意義。
表4 各地理區(qū)域減少不同外購(gòu)電量CO2的減排量 (tCO2/a)
長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)中煤氣在二次能源中占比較高,使用場(chǎng)景多,特別是隨著雙蓄熱技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,高爐煤氣被廣泛使用到軋鋼加熱爐中,但由于雙蓄熱燃燒的特點(diǎn),部分高爐煤氣未能得到充分利用就被排放到大氣中,不僅造成了能源的浪費(fèi),高爐煤氣中的CO還會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成危害。通過分析,空煙煙氣中CO主要來(lái)源于爐內(nèi)高爐煤氣的不完全燃燒,煤煙煙氣中CO的來(lái)源較多、相對(duì)復(fù)雜,主要包括共用通道的煤氣殘留、換向閥的泄漏以及爐內(nèi)的不完全燃燒等。通過采取針對(duì)性的解決方案,特別是高爐煤氣殘留置換技術(shù)提高了高爐煤氣的利用率,實(shí)際應(yīng)用到鋼鐵企業(yè)后,降低了燃料消耗以及煙氣中CO的濃度,減少了對(duì)環(huán)境的污染與能源的消耗。節(jié)約的燃料不僅降低了用戶的能源成本,還可以送到自備電廠進(jìn)行發(fā)電,不僅取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,而且能夠提高自發(fā)電率、降低全廠的外購(gòu)電量,進(jìn)而減少鋼鐵企業(yè)全廠的碳排放量,對(duì)鋼鐵企業(yè)降低運(yùn)行成本、減少碳排放、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展有著重要的理論與實(shí)踐意義。