煤气柜在钢铁企业中的功能探索

2020-06-19

冶金动力 2020年4期

（河钢邯钢集团有限公司邯宝能源中心，河北邯郸 056015）

引言

在钢铁工业中，煤气柜在钢厂可用于调节生产过程中的煤气供需平衡、缓解热值波动、保障用能储备，提供安全保障等，并逐渐成为钢铁企业不可缺少的关键能源设备之一，为煤气合理利用发挥着重要作用。然而，钢铁行业节能减排压力越加严重，为更加高效地利用煤气这一主要能源，煤气柜功能的进一步发挥仍值得深入探讨。

1 煤气柜的种类和传统作用

1.1 煤气柜的种类

煤气柜有湿式煤气柜和干式煤气柜两大类。湿式煤气柜因压力低、柜容小、存在水污染等因素，逐渐停止使用，下文不作介绍。

干式煤气柜是为适应更大容量、更高压力、快速存储和吞吐煤气需求而开发的，包括稀油密封的曼式柜、POS柜和橡胶膜密封的威金斯柜等。

曼式煤气柜为筒状直立多边型结构，储气量由几万m3到20万m3不等，储存压力一般为4～8 kPa。

POS 煤气柜为圆形筒状直立式结构，是曼式煤气柜的改进设备，密封压力更高，升降速度更快，储气量由几万m3到30 万m3不等，储存压力一般为4～12 kPa。

威金斯煤气柜为圆形筒状直立式结构，内部安装同活塞卷动升降密封橡胶，储气量由几万m3到15万m3不等，储存压力一般为2～4 kPa。

煤气柜升降快速化是煤气柜柜型的选择，如近年来新建高、焦煤气柜，均不选择曼式柜，而选用POS柜。

1.2 煤气柜的传统作用

钢铁生产过程中面临着几个矛盾：煤气生产连续，用户检修存在放散；用户要求相对连续，转炉煤气回收的时间只有约15～18 min，不能满足连续用户要求；生产过程中热值不稳而用户要求相对稳定，如转炉煤气热值在5434～7524 kJ/m3波动，而用户要求一般波动不超过836 kJ/m3。煤气柜可以很好地缓解以上矛盾。

(1)储存煤气。煤气柜容积越大，储存煤气量越大，缓解富余煤气功能越强，越利于储存功能的发挥。储存的煤气在煤气紧张时送出来，发挥储存功能，在煤气富余时将煤气储存起来，起到合理利用煤气功能。在资金和位置允许的条件下，尽可能选择大容量煤气柜。高、焦炉煤气柜容量由原来的5万m3或8 万m3，增加至10 万m3、20 万m3甚至30 万m3，转炉煤气柜由原来的3 万m3、5 万m3或8万m3，增加至10万m3或15万m3。

(2)稳定管网压力。煤气柜与煤气主管网联通，可稳定管网压力，也可直接为用户稳定压力，如某钢厂将煤气柜设于CCPP 发电机组入口以稳定压力。

(3)管网安全保障。煤气柜的一项重要功能，就是在煤气生产突然中断时，作为保安手段保证管网正压，既避免出现煤气管网煤气短缺失压出现爆炸风险，又避免短期煤气中断事故恢复后对生产造成长期影响（注：煤气安全规定，煤气主管网一旦停用煤气，重新恢复使用时需吹扫置换，达到使用条件后才能继续使用。）

2 影响煤气柜功能的因素

煤气柜是活塞结构，决定了煤气柜是一种定压设备，煤气压力高于气柜的压力才能充柜，低于气柜压力才能排柜。另外，还必须受活塞安全运行速度的限制。煤气柜要发挥缓冲调节作用，受管网压力高低、气柜容积、生产指挥和操作、生产节凑等诸多因素影响。

(1)管网压力高且煤气柜满。在生产过程中，煤气过剩，煤气柜充满后管网压力仍然高于煤气柜压力，这种情况下，煤气柜不能发挥作用。

(2)管网压力低且煤气柜低。在生产过程中，存在煤气不足，煤气柜降至最低位后，管网压力仍然低于煤气柜压力，煤气柜也不能发挥作用。

(3)管网煤气压力的高低与气柜吞吐不同步。煤气柜多数情况下是在生产指挥下运行，而不是按照气柜的容量与管网适时同步运行，即未真正达到煤气柜与管网压力协同动作：管网压力高于煤气柜压力时充柜，管网压力低于煤气柜压力降柜，而是人为干预煤气柜的运行。

(4)管网压力的高低与气柜吞吐能力不同步。大用户用量的变化需要煤气柜及时将其变化量消纳，而实际上一般高炉煤气柜最大容量30 万m3，小时消纳能力约8～10 万m3，焦炉煤气柜20 万m3，小时消纳能力约6～8万m3，不能满足大用户在较长时间负荷变化及不同用户突然同时增减煤气及时消纳的需求。

(5)气柜储量与炼钢生产、用户使用不同步。炼钢会出现两座转炉同时回收和一座转炉回收煤气情况，有时又有两座转炉均较长时间不能回收煤气，若煤气柜调配不好，必然出现影响煤气回收和使用的情况。

3 煤气柜功能挖掘

煤气利用要求适应生产多样化、检修不浪费及使用稳定均衡等需求，除煤气生产和用户进行适当调整外，要求煤气柜来尽可能解决煤气产供不协调等问题，故而需煤气柜发展大型化、快速化、智能化。

煤气柜的智能化，就是通过自动化技术，根据用户及生产需求，更快、更方便地适时调节，减少人为手动不及时等影响，这是值得探索的方向。

3.1 气柜自动运行

为避免气柜受生产、操作等影响，若能将气柜的运行适时与煤气管网压力相结合，就能最大限度地发挥作用，为此开发气柜功能如下。

(1)压力同步。在气柜的正常升降区域范围内，让气柜运行与煤气管网压力协调同步运行。即实现气柜出入口阀门常开，管网压力与气柜压力相对稳定。

(2)速度同步。让气柜运行速度与管网压力同步，保持气柜运行速度在正常运行范围内，气柜入口阀门开度与气柜升降速度形成联锁动作，即管网与气柜压力差小时，气柜入口阀门开度增大，管网与气柜压力差大时，气柜入口阀门开度减小，实现气柜升降速度与阀门开度大小相匹配，从而实现气柜在相对较高的运行速度运行，保证较高的运行效率。

(3)经验同步。根据管网压力高低与气柜设计压力，按运行经验分级设定阀门开度，并将其编入程序，具体见表1。

(4)安全同步。安全同步优于压力同步。该同步主要作用是保气柜在安全范围内运行（即气柜在管网压力低时不着床，在管网压力高时不冒顶）：当管网压力高时保气柜安全，即实现管网压力高，气柜高位时，气柜入口阀门关，不充柜；尽管管网压力低但气柜仍在低位时，气柜入口阀门关，不排柜；在气柜充、排柜达到气柜高或低限时，报警，达到高高或低低限时，自动停止充或排柜。

表1 10 Pa气柜压力阀门控制表

(5)完善安全保护模式。增加升降速度保护，确保气柜运行安全。一是运行速度控制，在自动程序中增加气柜升降速度与阀门开度对应控制模式，以保证气柜升降在允许范围内。二是油位控制，在气柜密封油位设报警和低限保护，达到低限油位，气柜停止运行。三是在气柜油位差增加保护，油位差达到一定数值时，限制运行速度，直至关闭气柜出入口阀门。四是CO 泄漏检测，在气柜活塞的CO 泄漏由原来的四点检测增加至八点检测，并设置一点超标，停运气柜的安全模式。

3.2 缩小影响煤气柜运行因素

(1)减少用户影响。做到避免用户集中检修，避免同时大量用气和同时减少用气，尽可能将各用户的大小量用气均开，达到减少煤气压力波动的目的。

(2)减少检修影响。做到煤气大用户与煤气产生点同步检修，避免两个以上用户同时检修，加强设备管理，减少或避免煤气用户的设备事故等。

(3)减少品种影响。煤气用户多数为轧钢用户，其用量受品种影响大，如大规格、厚规格、宽规格用量大，小规格、薄规格、窄规格用量小。因此在生产中应尽可能将各轧钢用户大小、厚薄及宽窄规格间隔错开生产，以减少煤气用量波动。

3.3 调节用户的压力自动跟踪功能

调节用户的用量和调节能力，是煤气利用效率高低的关键。在实现煤气柜自动与管网压力同步运行的基础上，通过调节用户的燃烧专家系统（如发电机组锅炉的自动燃烧系统），使其煤气量根据管网煤气压力高低情况自动增减。如高炉煤气压力为6～8 kPa 时，不增减煤气量和锅炉负荷；高于8 kPa 时自动增加煤气量，锅炉加负荷，风系统根据烟气中CO 和氧含量及炉膛负压自动调整，当压力低于8 kPa 时停加负荷；当压力低于6 kPa 时自动减少煤气，锅炉自动减负荷，当压力高于6 kPa 时停减负荷。焦炉煤气与之相近。转炉煤气没有单独进锅炉，而是根据回收和用户情况，自动掺入高炉煤气管网中。

为保证转炉煤气管网正常压力在12～14 kPa，可当转炉煤气管网压力高于14 kPa 时，开大转炉煤气调节阀开度，增加混入高炉煤气管网量，直至转炉煤气管网压力低于14 kPa。

3.4 峰谷发电与煤气柜同步

河北省2019 年峰段电价0.78 元/kWh，尖峰段0.88 元/kWh，谷段电价0.34 元/kWh，故需增加峰段调节用户用量，以增加峰段发电量，减少谷段调节用户用量，以减少谷段发电量。在安全生产保障的前提下，煤气柜在自动运行程序中增加峰谷充排柜限制，即峰段时间内管网压力高时也不充柜，谷段时间内管网压力低时也不排柜，其效益非常可观。

增加峰谷调节手段，即高炉煤气在谷段运行压力由原来8～12 kPa 提升至9～13 kPa，焦炉煤气在谷段运行压力由原来的4～6 kPa 提升至5～7 kPa，这样减少谷段发电量，增加谷段气柜充柜。高炉煤气在峰段运行压力由原来8～12 kPa 降低至7～11 kPa，焦炉煤气在峰段运行压力由原来的4～6 kPa降低至3～5 kPa，这样增加峰段气柜外送量，增加峰段发电。

另外，因峰段有两个时间段，中间间隔一个平段，在平段也按谷段增加充柜。

气柜自动运行程序编入峰谷平段时间：在峰谷段时间内，增加峰段不允许充柜，除非高炉煤气压力高于16 kPa和焦炉煤气压力高于8 kPa，且持续时间在3min以上才允许充柜；同样增加谷段不允许排柜，除非高炉煤气压力低于6 kPa 和焦炉煤气压力低于2 kPa，且持续时间在3 min 以上才允许排柜。这样让电厂锅炉调节用户来调节管网压力，以实现增加峰谷发电目的。

4 效益评估

按照500 万吨钢铁联合企业，配套焦化、烧结、炼铁、炼钢、热轧及冷轧全系统，高炉煤气柜30 万m3、焦炉煤气柜20 万m3、转炉煤气柜15 万m3考虑，配套三台套260 t/h 锅炉及60 MW 高温高压发电机组，若实现以上所有的煤气柜功能，并考虑峰谷时间，每天两次充排柜，高炉煤气柜按每天40 万m3吞吐能力、焦炉煤气柜每天20 万m3吞吐能力，仅四个月峰谷发电差所创造的效益可达1600多万元。