合同能源管理实施高炉煤气湿法净化系统改造的前景分析

刘永民 李金亮(安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

合同能源管理(Energy Performance Contracting，简称EPC)作为一种节能服务机制，与20 世纪70年代在发达国家逐步发展开来，已成为一种新兴的节能产业。EPC 由节能服务公司为客户提供能耗设备改进更新的技术服务及所需的资金支持，从客户实施改造后取得的节能效益中或设备运行节省的费用中回收投资和利润。EPC 是一种市场运作下的商业合作方式，可降低客户实施能耗设施改造的技术资金风险，在实现装备升级、提高能源利用水平、实现节能减排等目的的同时，为合同双方带来经济效益［1］。我国自1998年开始实施节能促进项目，经过十余年的探索发展，EPC 已呈现高速发展态势。EPC 的应用领域越来越广泛，从事EPC 运作的节能服务公司(Energy Service Company，简称ESCo)越来越多。为规范和促进EPC 发展，国家和地方相继制定出台了一系列指导性方针和扶持激励政策。

近几年来，安阳钢铁集团有限责任公司(简称安钢)应用EPC 对电机、水泵、高能耗灯具进行系列节能改造，收到显著效果。2013年，安钢结合自身实际，进一步拓宽EPC 的应用领域，应用EPC 对1#高炉和2#高炉的高炉煤气湿法净化系统进行系统性改造。为此，笔者结合安钢高炉煤气湿法净化系统的改造实践分析探讨，以企对钢铁企业拓展EPC在节能环保应用领域提供新思路。

1 安钢1#高炉和2#高炉湿法净化系统概况和运行中存在问题

安阳钢铁集团有限责任公司(简称安钢)的1#高炉和2#高炉是2000 m3级高炉，分别与2005年和2007年投产，高炉煤气净化除尘系统采用环缝洗涤除尘工艺。环缝洗涤除尘工艺的主体设备引进Paul Wurth公司的比肖夫洗涤塔，TRT 为国产设备。

环缝洗涤除尘工艺流程:高炉煤气→重力除尘器→比肖夫洗涤塔→旋流板脱水器→TRT 或旁通快开阀→主管网。高炉煤气经重力除尘器粗除尘后，先进入比肖夫预清洗段初步冷却、除尘，随后通过3个并联的环缝洗涤元件(AGE)进一步冷却和除尘，经旋流板脱水器脱水后，进入TRT 发电或旁通阀后并入主管网。此工艺的核心是比肖夫洗涤塔，其集煤气降温、净化、高炉顶压调节控制等多种功能与一身，环缝元件(AGE)是控制高炉炉顶压力及保证煤气清洗质量的关键设备［2］。

从高炉煤气环缝洗涤除尘系统近几年的运行实践来看，整套系统运行基本稳定，主要设计指标基本达到设计要求。环缝洗涤除尘和TRT 系统主要参数见表1。

表1 安钢1#高炉和2#高炉湿法净化和TRT 系统运行的主要参数

从表1 可看出，环缝洗涤除尘工艺能够满足系统基本运行需求，但顶压控制不太理想，与先进高炉顶压±3 kPa 控制水平相比还有较大差距;洗涤塔的定差压控制和喷水降温，降低了TRT 进口压力和温度，造成煤气压力能和热能的损失，TRT 发电效率降低;且除尘效率和净化精度还有待进一步提高。

另外，还有其它两大方面的问题:(1)环缝洗涤水处理存在系列性难题。环缝洗涤的浊水采取沉淀(辐流沉淀池)、过滤(筒式过滤)的处理工艺。其浊水中有大量悬浮物，主要成分由高炉煤气中的金属氧化物和氯化物等组成，难以沉降，沉淀池出水悬浮物超标，泥浆正常脱泥有难度。受高炉配料结构波动影响，浊水的PH 值波动较大，且电导率和硬度都很高，增加后续药剂配比和处理的难度，每年的药剂费用居高不下。处理后的部分浊水进入综合污水处理厂，缩短反渗透膜的使用寿命，严重时影响污水处理厂的稳定连续运行。(2)湿式TRT 透平主机的通流部分积盐，影响TRT 安全运行。TRT 通流部分特别是叶片结垢积盐的现象频繁发生，破坏机组动平衡，机组往往因振动过高而停机，一般每半年开盖清理一次，严重时每季度需清理一次。1#高炉TRT 因积盐严重，运行时出现叶片断裂、事故停车的事故。经化验，积盐的主要成分是氯化氨(NH4Cl)晶体，事故机组积盐中氯化氨含量超90%，其主要寄存在二级叶片的进气侧背部和出气侧的叶盆处［3］。TRT甩负荷停车，即影响高炉顶压稳定，也造成较大的经济损失。

环缝洗涤除尘工艺有自身特色，但也带来一系列牵涉到生产顺行、指标优化、节能降耗以及安全环保等综合性的问题。

2 实施高炉煤气干法净化改造的必要性及EPC 运作的可行性分析

2．1 实施高炉煤气干法净化改造的必要性

高炉煤气干法净化较湿法净化具有诸多优势，已成为行业共识，也是国家重点推荐的节能减排项目之一，其工艺设计、关键设备都已经成熟。2007年至今，全国大部分新建高炉均采用干法净化工艺。干法净化工艺中的调压阀组配合TRT 可实现顶压精准控制，有利与高炉操作。干法净化工艺的除尘精度高，一般不大于5 mg/m3;不损失煤气的压力能和热能，可大幅提高TRT 发电量，相较湿法吨铁发电可增加10 kW·h ～20 kW·h。根据安钢实际情况测算，改为干法净化工艺后，可节水0．2 m3/t铁、节电2．2 kW/t铁、节约焦炭6．5 kg/t铁～11．8 kg/t铁，还可根本性解决煤气洗涤水处理难题。

2．2 EPC 实施高炉煤气湿法改造的可行性

推行高炉煤气干法净化工艺是必要的，但在安钢之前，钢铁行业尚无应用EPC 实施高炉煤气湿法净化改造的先例，故此需要综合考虑各种因素，降低项目的运作风险。

影响和制约EPC 实施的因素有很多，如ESCo的技术实力和资金运作能力，拟实施项目的投资需求与节能潜力，客户的营运状况与现场实际情况，效益分享方式、效益分享基准点、效益分享期、投资回报率等选择和确定，都需要统筹考虑。

实施高炉煤气湿法净化改造的显性效益明显，主要是TRT 发电量大幅增加。改成干法净化系统后，预计TRT 吨铁发电增加15 kW·h ～18 kW·h，按照两座高炉产量400 万t铁/年、TRT 增加发电15 kW·h/t铁、电度电价0．6 元/kW·h 计，年增加发电量6000 万kW·h，仅发电工序年新增经济效益是3600 万元。

选择合理的节能效益分享基准点、效益分享方式是项目运作的关键因素之一。在此项目中，将湿式TRT 的平均发电量作为节能效益分享基准点，在基准点的基础上，增发10 kW·h 作为改造完成后的基本考核条件。效益分享方式是在项目建成投运、达到基本考核条件后，在基准点以上增加的发电量每季度固定返还ESCo，作为ESCo 的投资及利润回报。

确定效益分享期限。此项目由ESCo 出资建设，其固定投资约1．1 亿元，负责合同期内项目的设备维护与保养(含备品备件)。按贷款利率6．4%、ESCo 利润率7%计，计算效益分享五年期或六年期支付ESCo 的费用。五年期，需向ESCo 支付1．73亿元，在此期间，TRT 净增发电效益约1．8 亿元;六年期，需向ESCo 支付1．84 亿元，在此期间，TRT 净增发电效益约2．16 亿元。考虑适当的项目运作风险后，确定为六年效益分享期。

以TRT 新增的发电效益向ESCo 返款，是可以支撑EPC 模式运作该项目的。

3 实施高炉煤气干法净化改造

3．1 新建干法除尘系统

新建高炉煤气脉冲袋式除尘系统，含除尘系统、输泄灰系统和调压阀组系统。高炉煤气干法净化工艺流程:高炉煤气→重力除尘器→袋式除尘器→TRT 系统或调压阀组系统(调压阀组和TRT 并联运行)→环管喷雾降温装置→主管网。高炉煤气经重力除尘器粗除尘后，由煤气主管分配到外滤式袋式除尘箱体进行精除尘。除尘器箱体滤袋口上方设置喷吹系统，定时或定差压间歇用氮气反吹滤袋。采用气力输灰方式，定期将除积灰尘输送至大灰仓。积灰经加湿后由输灰车运出进行综合利用。高炉煤气干法净化系统的除尘器主要参数见表2。

表2 安钢干法净化系统除尘器主要设计参数

除尘器箱体单排纵向布置，框架宽度11．96 m。除尘器箱体内布置耐高温的P84 复合材质滤袋，对煤气进行精除尘。稳定高炉顶压和外供压力关键的调压阀组系统设四个并联运行的调节蝶阀，两个DN900 快开蝶阀，两个DN600 调节蝶阀，每个蝶阀均配置独立运行的液压站。调压阀组和TRT 系统并联运行，提高系统压力控制精度。

3．2 干式TRT 改造

高炉煤气经干法除尘系统后，其压力能和热能损失较小，原湿式TRT 系统已不适应新工艺的变化，需要对TRT 进行改造。TRT 系统主要是对透平通流部分进行改造，其主要内容有新制并更换原有湿式透平主机的进口圈、密封套、括压器、转子、静叶承缸、支撑轴承及止推轴承、联轴器及护罩等，并对仪控和供配电系统进行相应改造;在TRT 入口快切阀前增加阻垢装置，延迟动静叶片及通流部分积盐发生，延长TRT 的检修周期;重新对管系进行校核改造，将TRT 进出口管道阀门更换为耐高温阀门，采用耐腐蚀254SMo 材质补偿器，对局部管网支架加固。由于发电量的增加，1#TRT 和2#TRT 的发电机分别扩容至15000 kW 和18000 kW。干式TRT系统主要设计参数见表3。

表3 安钢1#2#高炉干式TRT 系统主要设计参数表

3．3 高炉煤气干法净化工艺运行效果

安钢1#高炉和2#高炉干法净化系统分别2014年3月和2013年12月投入运行。其中，2#高炉干法除尘系统经受过煤气短时高温400 ℃、持续28 h 100 ℃低温的考验，滤袋、输泄灰系统和氮气脉冲反吹系统均运行正常;除尘精度高，除尘器箱体后净煤气含尘量小于3 mg/m3;高炉顶压波动显著下降，波动范围在±3 kPa 以内;煤气喷雾降温用水循环使用，吨铁耗循环水约0．05 t，远低于湿法工艺用水量。干式TRT 积盐得到有效遏制，2#TRT 投运一年后开盖检查，原通流部分易积盐位置未发现积盐现象，仅有微量积灰，维护量减少、检修周期大幅延长;TRT 发电效率提升明显，正常运行时发电量稳定在50 kW·h/t铁以上，比湿法工艺发电增加约51%，年净增效益约4000 万元。预计第五年的效益分享期即可完成EPC 合同执行，比合同约定分享期限缩短一年。

高炉煤气干法净化工艺的除尘系统、降温系统、调压系统和TRT 系统运行稳定可靠，高炉顶压稳、除尘效率高，高炉煤气的压力能和热能得到充分利用，消除了高炉煤气湿法净化工艺的诸多缺陷，节水、降本、增效，经济效益和环保效益显著。

4 结语

安钢将EPC 和高炉煤气湿法净化工艺改造实践相结合，取得了良好的综合效益。其实践表明，采用EPC 实施高炉煤气净化系统改造的技术难度、财务风险和运行效果相对可控，对拓展EPC 应用领域进行了有益的探索。

当前，钢铁行业处于深度调整的微利经营期，面临越来越严苛的国家环保节能政策考验，如何结合自身实际，应用EPC 机制对高能耗、高污染设施进行节能环保改造，是钢铁行业进行绿色低碳转型、实现解危脱困的渠道之一，也是需要全行业深思的大课题。

［1］袁海臻，高小钧，杨春权，张兴平． 我国合同能源管理的现状存在问题及对策［J］．能源技术经济，2011，23(1):58 －62．

［2］刘孝清，杨先桥． 武钢6 号高炉煤气环缝洗涤塔工艺及特点［J］．炼铁，2006，25(8):13 －17．

［3］韩晓光，胡宾生，贵永亮．煤气中氯对高炉冶炼过程的影响及防治预测［J］．河北联合大学学报，2013，35(7):36 －38．