邢钢煤气回收及高效利用实践

2020-02-20张志辉武国峰王凯峰孔祥川

冶金动力 2020年7期

张志辉,武国峰,王凯峰,孔祥川

（邢台钢铁有限责任公司，河北邢台 054027）

前言

副产煤气是钢铁企业最重要的二次能源，长流程钢铁企业各类煤气资源约占企业综合能源消费量的40%[1]。利用好煤气资源是降低单位产品能耗的关键因素之一。邢钢是一家以生产长材为主的典型的长流程钢铁企业，近年来在煤气系统实施开源节流，持续提高煤气回收量，减少煤气放散率，采取各项技术和管理措施降低使用环节的煤气消耗，提升了煤气系统的综合利用效率，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 提高转炉煤气回收

1.1 转炉煤气系统简介

邢钢炼钢工序有80 t 转炉1 座，50 t 转炉3 座，配套转炉煤气回收系统采用新0G 法，配备8 万m3和5 万m3威金斯气柜各1 座。下游煤气使用主要包括钢包烘烤、轧钢加热炉（1 座）和自备电站锅炉。2019 年之前吨钢转炉煤气回收在110 m3/t 钢左右，与行业先进指标尚有差距。邢钢的转炉煤气回收仍有较大的提升空间。

1.2 提高转炉煤气回收量措施

1.2.1 增加转炉煤气回收时间

转炉吹炼前期，放宽回收条件，以增加煤气回收时间。为此，转炉煤气回收操控条件由原来的CO含量≥40%、O2含量≤1%开始回收，调整为O2含量≤2%（保证煤气柜内O2含量≤1%）即可开始回收，对CO 含量不做要求。调整活动烟罩降罩时间，提前30 s降罩，缩小活动烟罩距离转炉炉口的间隙，减少炉口空气吸入，使O2含量提前达到转炉煤气回收条件。转炉吹炼中期，保持合理的供氧压力，使得转炉烟气中O2含量稳定在2%以下，同时减少中途提枪，消除转炉等待节奏和中途推渣造成的煤气回收中断。转炉吹炼结束后，延长回收10 s，将残存在回收风机前管道内满足回收要求的转炉煤气继续实施回收。

1.2.2 实现转炉煤气双柜并联运行

转炉煤气是间断产生、间断回收、连续使用的过程，而且转炉的生产节奏、产量等直接关系转炉煤气的数量。为此转炉煤气系统必须配备转炉煤气柜。邢钢的转炉煤气回收系统原有1座5 万m3威金斯气柜，后为检修方便，新增1 座相同类型的8 万m3转炉煤气柜。由于两座气柜的储气压力不同，两座气柜的运行方式一直是“一用一备”，利用效率较低。通过优化实现两台转炉煤气柜并列运行方式，达到了“单独回收、同时外供”的最终使用目标，充分发挥气柜调节余缺的作用，做到转炉煤气应收尽收。

1.2.3 保证转炉煤气用量

正常生产情况下邢钢的转炉煤气总发生量在40000～45000 m3/h，用户主要包括钢包烘烤（8000～12000 m3/h）、轧钢加热炉（12000～16000 m3/h）和企业自备电厂锅炉（～20000 m3/h）。其中锅炉距离转炉煤气加压站最远，该管道系利旧管道，全程共有DN12000、DN800、DN600 三种直径的管段组成。沿程压力损失较大，且由于管道使用年代久远，出现多处腐蚀，漏点较多，不得不降压运行。

为提高自备电站锅炉转炉煤气配烧量，对转炉煤气配烧管道部分管段进行了更换，增大了该管道直径，减少了阻损和煤气泄漏风险，并在锅炉配烧管道上增加一个配烧混和口，为提高锅炉的转炉煤气配烧量提供了便利条件。由此也解决了因转炉煤气外供受限造成的柜位高而不能回收的问题。

1.2.4 合理对转炉煤气用户排产

生产组织上优先保证转炉煤气用户的满负荷生产。邢钢的转炉煤气最主要的用户是线材加热炉。为此，在满负荷生产状态下，使用转炉煤气加热的轧钢车间优先排产。

2 降低高炉煤气放散

2.1 高炉煤气系统简介

邢钢炼铁工序具备年产生铁257 万t 的生产能力。正常生产高炉煤气年发生量45 亿m3左右。高炉煤气系统配备12 万m3稀油密封干式煤气柜1座，工作压力7500 Pa，吞吐量60000～110000 m3/h。高炉煤气的主要使用单元包括热风炉、焦炉、轧钢加热炉、自备电站锅炉等。受到管网布局不合理和供用不平衡等因素影响，高炉煤气的放散率较高。

2.2 降低高炉煤气放散的措施

2.2.1 提高放散设定压力

邢钢高炉煤气系统原设定放散压力为17 kPa，复位压力15 kPa。分析可以看出：放散期间的最高压力为22 kPa，而且压力集中在18～19 kPa，放散时间在1～3 min 居多，说明适当提高放散压力设定值，可以消除该压力范围的放散发生。经过对高炉煤气管道、冷凝排水器和加压机机前水封承压能力的调查和安全评估后，将高炉煤气系统设定放散压力调整为19 kPa，复位压力调整为17 kPa，煤气放散发生的几率减少了一半。

2.2.2 优化热风炉换炉操作

热风炉是最大的高炉煤气使用设备，其煤气消耗量占高炉煤气总发生量的40%～45%。邢钢高炉系统配备热风炉共17 座，根据热风炉的配备数量，高炉的送风制度采用“两烧两送”或“两烧一送”，换炉操作时间为25～40 min。热风炉换炉操作时，先将顶温达到送风要求的热风炉煤气阀门关闭，均压后逐步恢复替换下来的热风炉烧炉。换炉开始热风炉消耗的高炉煤气瞬间减少60000 m3/h 左右，如果此时多座高炉的热风炉倒炉对高炉煤气系统的冲击较大。为此，规范热风炉倒炉操作，开发热风炉烧炉信息共享小程序，实时显示每座高炉热风炉工作状态，禁止两座高炉同时实施倒炉操作。

2.2.3 做好瞬时和阶段性煤气平衡

高炉煤气平衡是瞬间的、动态的、多变的，系统中任何一个生产环节的状态发生变化，最终都会反映到煤气压力的波动，从而打破系统维持的平衡。对于实时的煤气平衡，充分利用能源中心监控，实时掌控煤气产消单元的生产潮流，重点是根据高炉风量和高炉煤气用户的生产负荷之间的变化趋势，充分发挥12 万m3高炉煤气柜的调节作用，保持柜位40～45 m的中柜位区间运行。

对于阶段性的高炉煤气平衡，主要是利用自备电站和焦炉作为煤气调节的重要手段。邢钢的自备电站配备了足够的机组，能够将企业所产的各类副产煤气资源全部消耗，但是如果所有的机组都开启，发电效率将受到影响。正常情况下有锅炉处于停运状态，阶段性的煤气平衡就是要在保证发电效率和煤气不放散的前提下，确定锅炉开启的数量。另外邢钢的焦炉加热煤气可以实现焦炉煤气和高炉煤气的切换，对于阶段性高炉煤气平衡的调节范围为0～55000 m3/h。

3 提高煤气利用效率

3.1 建设高温超高压发电机组

为了充分高效利用公司煤气资源，提高公司能源利用效率，节能创效，解决现有汽轮发电机组效率低的问题，对原3×35 t/h 中参数煤气锅炉及配套3×6 MW 汽轮机进行升级改造，建设1×130 t/h 高温超高压煤气锅炉配套1×45 MW 汽轮发电机组，煤气耗量相同情况下，发电效率提升40%，可提高发电出力22 MW，大大提高了能源利用率，降低了生产用电的缺口和成本，也减少了废气对环境的污染。

3.2 定期维护蓄热式加热炉

邢钢轧钢工序有3座蓄热式加热炉。蓄热式加热炉受蓄热体的耐高温、抗渣性以及热震稳定性影响，需要定期清理炉内烧裂的陶瓷小球，否则会增加煤气消耗[2]。以邢钢使用高炉煤气加热的线材五车间加热炉为例，五线中修后生产Φ15 mm规格GSWRH82B-1 及Φ14 mm 规格Q55SiCrA-1 时的煤气单耗分别降低了17.8%和23.6%。为此，对加热炉的状态实时进行监控，定期进行排烟温度、炉体散热、煤气消耗的监视测量和统计分析，综合评定停炉检修时间。

3.3 应用智能优化燃烧技术

冶金窑炉的人工操作大多存在以下问题：①无法达到最优的燃烧目标和强度；②无法精确控制煤气流量；③无法准确确定空燃比；④相关工艺参数控制精度不高等[3]。智能烧炉系统采用自动寻优技术，以数学模型科学控制炉温、空燃比。智能烧炉系统可实现燃烧系统空燃比自寻优及滚动寻优、合理调整煤气和助燃空气供给，实时自动控制节省煤气用量。2018 年邢钢在高炉热风炉实施智能烧炉改造后，热风炉“单位风温单位风量”煤气消耗降低了7.6%。2019年在轧钢加热炉实施智能化改造，增加二级控制系统，通过对物料的实时跟踪、加热温度和坯料头尾温差精准控制，节约煤气消耗5%以上。

3.4 提高热装温度和热装率

在现有的生产装备和产品结构的条件下，降低加热炉煤气消耗最直接的手段是提高钢坯热装率及热装温度。钢坯的热装温度增加400 ℃，生产长材型钢铁企业的能源利用效率可以提高1.3 个百分点[4]。通过热装率攻关，开发产销一体化系统，优化订单排产，提高热装温度约100 ℃，热装率由30%提高到59.14%，煤气消耗由1161.7 MJ/t 降低到1087.9 MJ/t。