實(shí)現(xiàn)高爐煤氣零放散的措施

摘 要

摘要：分析了高爐煤氣生產(chǎn)、使用以及其他氣源對(duì)高爐煤氣放散率的影響，探討了高爐煤氣放散率的控制措施。關(guān)鍵詞：高爐煤氣；放散率；零放散；控制措施Measures for Achieving Zero Emis
摘要：分析了高爐煤氣生產(chǎn)、使用以及其他氣源對(duì)高爐煤氣放散率的影響，探討了高爐煤氣放散率的控制措施。
關(guān)鍵詞：高爐煤氣；放散率；零放散；控制措施
Measures for Achieving Zero Emission of Blast Furnace Gas
YANG Huafeng
Abstract：The production and use of blast furnace gas as well as the influence of other gas sources on the emission rate of blast furnace gas are analyzed.The control measures of the emission rate of blast furnace gas are discussed.
Key words：blast furnace gas；emission rate；zero emission；control measures
1 概述
   山西太原(鋼鐵)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱太鋼)作為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的城市鋼鐵企業(yè)，正在全面建設(shè)“城市化綠色工廠”，實(shí)現(xiàn)企業(yè)與城市和諧發(fā)展。公司以低碳經(jīng)濟(jì)作為轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的重大機(jī)遇，積極探索科學(xué)方法以回收利用副產(chǎn)高爐煤氣[1]，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，成效顯著。高爐煤氣放散率由2008年的4.10%降到2010年的0.31%，累計(jì)節(jié)能約1250TJ。2011年第一季度放散率降到0.1%，公司向?qū)崿F(xiàn)高爐煤氣“零放散”目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。
   要科學(xué)合理控制高爐煤氣放散率，實(shí)現(xiàn)“零放散”目標(biāo)，必須客觀分析影響高爐煤氣生產(chǎn)、輸配和使用的各種因素，針對(duì)問(wèn)題制定措施，才能持續(xù)穩(wěn)定地控制放散量，降低放散率。
2 高爐煤氣放散率的影響因素
2.1 高爐煤氣生產(chǎn)情況
    科學(xué)分析高爐煤氣與高爐生產(chǎn)的關(guān)系，明確高爐生產(chǎn)調(diào)整和異常對(duì)放散的影響程度，是有效控制放散率的前提。
   ① 高爐生產(chǎn)調(diào)整
   高爐煤氣是高爐冶煉生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)品，其發(fā)生量與高爐系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況密切相關(guān)。目前公司有容積分別為1800、1650和4350m3的高爐3座(編號(hào)分別為3#、4#和5#)，其2010年的高爐煤氣發(fā)生量見(jiàn)表1。高爐煤氣總發(fā)生量為(109～136)×104m3/h，波動(dòng)率為-9.9%～12.4%(以平均值為基準(zhǔn))。因?yàn)楦郀t煤氣的生產(chǎn)波動(dòng)率遠(yuǎn)高于放散率指標(biāo)(2010年放散率指標(biāo)為0.31%)，所以高爐系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況對(duì)放散率影響很大。
表1 2010年的高爐煤氣發(fā)生量   m3/h
高爐
最大值
最小值
平均值
3#
34×104
27×104
30×104
4#
28×104
23×104
25×104
5#
74×104
59×104
66×104
總計(jì)
136×104
109×104
121×104
   ② 高爐運(yùn)行異常
   當(dāng)高爐突然減風(fēng)或休風(fēng)時(shí)，高爐煤氣的發(fā)生量急劇下降，對(duì)放散率影響很大。高爐突然休風(fēng)或減風(fēng)時(shí)，為保證高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全、壓力穩(wěn)定，需要及時(shí)降低高爐煤氣緩沖用戶的用氣量或降低主要混合煤氣用戶的高爐煤氣配比量，此時(shí)易發(fā)生高爐煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)導(dǎo)致的放散率無(wú)法控制，發(fā)生放散超標(biāo)現(xiàn)象。
2.2 高爐煤氣用戶的使用情況
    明確高爐煤氣的生產(chǎn)情況以后，充分合理地使用高爐煤氣、減少排放量是放散率控制的關(guān)鍵。將高爐煤氣主要用戶劃分為3類：熱風(fēng)爐用戶、焦?fàn)t用戶和混合煤氣用戶，從熱風(fēng)爐、焦?fàn)t和混合煤氣用戶這3方面分析影響高爐煤氣放散率的因素。
   ① 熱風(fēng)爐切換
   高爐運(yùn)行工況不同，其相應(yīng)的熱風(fēng)爐運(yùn)行工況也不同。2010年3座高爐熱風(fēng)爐的高爐煤氣消耗量見(jiàn)表2。由表2可知，熱風(fēng)爐的高爐煤氣消耗量范圍為(41～52)×104m3/h，波動(dòng)值約占高爐煤氣總發(fā)生量的9.1%(以總發(fā)生量平均值為基準(zhǔn))。
表2 2010年3座高爐熱風(fēng)爐的高爐煤氣消耗量 m3/h
熱風(fēng)爐
最大值
最小值
平均值
3#高爐熱風(fēng)爐
11×104
9×104
10×104
4#高爐熱風(fēng)爐
13×104
10×104
11×104
5#高爐熱風(fēng)爐
28×104
22×104
25×104
合計(jì)
52×104
41×104
46×104
   ② 焦?fàn)t用氣換向加熱
   目前公司有7.63m的焦?fàn)t兩座，單爐的高爐煤氣最大消耗量約為24×104m3/h(根據(jù)情況加配焦?fàn)t煤氣流量0.3×104～0.7××104m3/h)。焦?fàn)t以高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣混合煤氣加熱20min，換向1 min，換向期間停止加熱。換向期間高爐煤氣過(guò)剩0.4×104～0.8×104m3(即24×104～48×104m3/h)，占高爐煤氣總發(fā)生量的20%～40%，導(dǎo)致高爐煤氣管網(wǎng)壓力上升，放散量增大。
   ③ 混合煤氣用戶異常
   混合煤氣(由高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣組成)用戶檢修作業(yè)時(shí)高爐煤氣的用量減少見(jiàn)表3。混合煤氣用戶檢修作業(yè)導(dǎo)致高爐煤氣最大過(guò)剩量為8.0×104m3/h，占高爐煤氣總發(fā)生量的6.6%。
    綜上所述，熱風(fēng)爐切換、焦?fàn)t換向和混合煤氣用戶異常對(duì)高爐煤氣的最大影響程度分別是9.1%、40%、6.6%，其值遠(yuǎn)高于放散率控制指標(biāo)。
表3 混合煤氣用戶檢修作業(yè)時(shí)高爐煤氣的用量減少
用戶
作業(yè)
時(shí)間
頻次
高爐煤氣用量減少值/(m3·h-1)
熱連軋廠
2250熱連軋
精軋機(jī)換輥
40min
每8h 1次
1.0×104
2250熱連軋
精軋機(jī)定檢
8h
每周1次
2.0×104
1549熱連軋
精軋機(jī)換輥
40min
每8h 1次
1.0×104
1549熱連軋
精軋機(jī)定檢
8h
每周1次
4.5×104
不銹熱軋廠
檢修
不定
不定
1.0×104
不銹線材廠
檢修
不定
不定
0.2×104
不銹冷軋廠混線車間
檢修
不定
不定
0.3×104
2.3 其他氣源的間接影響
    公司自產(chǎn)煤氣有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值均高于高爐煤氣。當(dāng)焦?fàn)t煤氣用戶或轉(zhuǎn)爐煤氣用戶的生產(chǎn)波動(dòng)導(dǎo)致焦?fàn)t煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣過(guò)剩時(shí)，混合煤氣用戶將優(yōu)先使用高熱值的煤氣，增加其消耗比例，同時(shí)減少高爐煤氣的消耗比例，間接導(dǎo)致高爐煤氣過(guò)剩。
2.4 影響因素的綜合分析
    實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，高爐生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整、熱風(fēng)爐切換和焦?fàn)t換向分別導(dǎo)致的高爐煤氣過(guò)剩高峰的重疊概率很小，同時(shí)高爐煤氣用戶(包括常用用戶和緩沖用戶)消耗煤氣且使用儲(chǔ)氣罐調(diào)壓儲(chǔ)氣，供需基本平衡，月放散率控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，但日放散率波動(dòng)，存在超標(biāo)現(xiàn)象。當(dāng)放散超標(biāo)期間高爐運(yùn)行基本平穩(wěn)、熱風(fēng)爐正常切換、焦?fàn)t正常換向時(shí)，放散超標(biāo)的主要原因來(lái)自用戶和鍋爐。如熱連軋廠、超細(xì)粉車間等突發(fā)故障和檢修，高爐煤氣消耗量下降，發(fā)電鍋爐不能立即啟動(dòng)以消耗過(guò)剩的高爐煤氣；發(fā)電鍋爐日常運(yùn)行能力不足，導(dǎo)致高爐煤氣放散調(diào)控能力下降。2010年7—12月鍋爐和用戶因素對(duì)高爐煤氣日放散率超標(biāo)的影響程度見(jiàn)表4?？傮w看來(lái)，在影響程度中，鍋爐因素約占70%，用戶因素約占30%。
表4 2010年7—12月鍋爐和用戶因素對(duì)高爐煤氣日放散率超標(biāo)的影響程度
影響因素
7月
8月
9月
10月
11月
12月
鍋爐
82%
93%
56%
93%
50%
30%
用戶
18%
7%
44%
7%
50%
70%
3 高爐煤氣放散率的控制措施
3.1 通過(guò)輸配平衡方式宏觀調(diào)控過(guò)剩煤氣量
   高爐煤氣輸配平衡對(duì)放散率控制起關(guān)鍵作用。燃?xì)庹{(diào)度隨時(shí)進(jìn)行高爐煤氣的輸配平衡分析，明確高爐煤氣的生產(chǎn)與使用情況(見(jiàn)表5)，根據(jù)高爐煤氣量的變化，及時(shí)制定措施控制放散量，避免過(guò)剩煤氣量大幅波動(dòng)。對(duì)于高爐煤氣的供給，制定的措施為：首先保證常用用戶的生產(chǎn)，其優(yōu)先順序依次為熱風(fēng)爐用戶、焦?fàn)t用戶、混合煤氣用戶。如果高爐煤氣常用用戶生產(chǎn)異常導(dǎo)致煤氣過(guò)剩量增加，短期內(nèi)可通過(guò)儲(chǔ)氣罐調(diào)節(jié)。如果儲(chǔ)氣罐無(wú)法調(diào)節(jié)過(guò)剩量對(duì)管網(wǎng)壓力的影響，調(diào)度及時(shí)通知緩沖用戶啟動(dòng)設(shè)備(煤氣鍋爐、超細(xì)粉生產(chǎn)設(shè)備)，正常情況下緩沖用戶能使用的高爐煤氣量大于過(guò)剩量，可實(shí)現(xiàn)放散量為零。如果緩沖用戶仍無(wú)法消耗過(guò)剩煤氣，最后可采取放散燃燒排空來(lái)調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。
表5 高爐煤氣的生產(chǎn)與使用平衡
生產(chǎn)與使用
最大值/(m3·h-1)
最小值/(m3·h-1)
平均值/(m3·h-1)
高爐煤氣的生產(chǎn)
3#高爐
34.0×104
27.0×104
30.0×104
4#高爐
28.0×104
23.0×104
25.0×104
5#高爐
74.0×104
59.0×104
66.0×104
總計(jì)
136.0×104
109.0×104
121.0×104
常用用戶的高爐煤氣消耗
3#高爐熱風(fēng)爐
11.0×104
9.0×104
10.0×104
4#高爐熱風(fēng)爐
13.0×104
10.O×104
11.0×104
5#高爐熱風(fēng)爐
28. ×104
22.0×104
25.0×104
焦化廠
24.0×104
18.5×104
20.0×104
熱連軋廠
9.0×104
3.2×104
4.5×104
軋鋼廠
3.0×104
0.4×104
1.0×104
不銹冷軋廠
0.7×104
0.1×104
0.2×104
型材廠
0.7×104
0.2×104
0.5×104
總計(jì)
89.4×104
63.3×104
72.1×104
過(guò)剩量
46.6×104
45.7×104
48.9×104
緩沖用戶高爐煤氣消耗
燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電
12.0×104
12.0×104
12.0×104
鍋爐
38.0×104
38.0×104
38.0×104
超細(xì)粉車間
3.3×104
0.0×104
1.6×104
高爐煤氣消耗能力富裕量
6.7×104
4.3×104
2.7×104
3.2 通過(guò)儲(chǔ)氣罐微調(diào)過(guò)剩煤氣量
   根據(jù)高爐煤氣產(chǎn)量及其休風(fēng)時(shí)的煤氣生產(chǎn)波動(dòng)量、用戶使用煤氣的波動(dòng)量及高爐休風(fēng)時(shí)用戶煤氣設(shè)備的安全降負(fù)荷時(shí)間，合理選擇高爐煤氣儲(chǔ)氣罐容積。太鋼根據(jù)自身情況建設(shè)30×104m3的高爐煤氣儲(chǔ)氣罐1座，當(dāng)煤氣管網(wǎng)壓力短期波動(dòng)時(shí)，首先充分發(fā)揮儲(chǔ)氣罐的微調(diào)功能，避免煤氣放散，調(diào)整煤氣首先供給常用用戶生產(chǎn)。儲(chǔ)氣罐運(yùn)行壓力為10.0kPa，與低壓高爐煤氣管網(wǎng)運(yùn)行壓力一致，吞吐量為35×104m3/h。
    正常情況下，儲(chǔ)氣罐保持運(yùn)行范圍(即系統(tǒng)工藝規(guī)定的安全儲(chǔ)氣運(yùn)行范圍)為(10～25)×104m3，調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐切換、焦?fàn)t換向或混合煤氣用戶短期異常導(dǎo)致的高爐煤氣波動(dòng)，避免高爐煤氣放散。
    當(dāng)高爐預(yù)休風(fēng)前，儲(chǔ)氣罐發(fā)揮儲(chǔ)氣功能，將儲(chǔ)氣量提升至(25～27)×104m3，為休風(fēng)后短期保證常用用戶生產(chǎn)提供氣源。休風(fēng)期間，當(dāng)儲(chǔ)氣量降至10×104m3時(shí)，儲(chǔ)氣罐不參與調(diào)整管網(wǎng)壓力，留存6×104m3高爐煤氣作為高爐熱風(fēng)爐烘爐和高爐煤氣凈化系統(tǒng)倒送煤氣所需，最后保留4×104m3高爐煤氣為極端情況下(高爐煤氣氣源全部停供時(shí))的管網(wǎng)安全提供氣源。
    當(dāng)高爐突然休風(fēng)時(shí)，儲(chǔ)氣罐利用儲(chǔ)氣調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，保證系統(tǒng)正常壓力，且保留10×104m3儲(chǔ)氣量。
    當(dāng)焦?fàn)t和混合煤氣用戶運(yùn)行異常導(dǎo)致高爐煤氣過(guò)剩時(shí)，首先發(fā)揮儲(chǔ)氣罐的調(diào)壓儲(chǔ)氣功能，短期控制放散量。
3.3 通過(guò)緩沖用戶有效利用大量過(guò)剩煤氣
    根據(jù)表5的數(shù)據(jù)可知，常用用戶消耗的高爐煤氣量有限，過(guò)剩量需要緩沖用戶消耗。緩沖用戶的管理措施為：
    ① 制定過(guò)剩煤氣用氣制度：首先供給聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，其次供給超細(xì)粉車間，最后供給鍋爐[2]。
    ② 調(diào)整鍋爐檢修周期：鍋爐檢修與5#高爐休風(fēng)同步進(jìn)行，因?yàn)?#高爐休風(fēng)期間，供給管網(wǎng)的煤氣量減少約41×104m3/h(去除5#高爐熱風(fēng)爐的用量)，此值大于鍋爐的高爐煤氣消耗量(38.0×104m3/h)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩高爐煤氣。
3.4 通過(guò)提高放散壓力設(shè)定值降低異常放散量
    根據(jù)理論平衡分析可知，當(dāng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電正常運(yùn)行、鍋爐正常消耗38×104m3/h、超細(xì)粉車間消耗1.6×104m3/h以上時(shí)，不存在高爐煤氣的放散，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)的放散率為0.20%～0.47%。2011年初，相關(guān)技術(shù)人員在對(duì)放散塔雙偏調(diào)壓蝶閥進(jìn)行氣密性檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤氣漏損量大。之后改裝三偏心蝶閥，閥門漏損量減少，放散自動(dòng)控制壓力設(shè)定值由11kPa提高至14kPa，為有效控制放散量提供了設(shè)備保障。
3.5 通過(guò)加強(qiáng)輸配系統(tǒng)管理保證煤氣正常供給
    來(lái)自高爐的煤氣首先經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)除塵、降溫后進(jìn)入高爐煤氣管網(wǎng)。正常情況下將煤氣供給高爐熱風(fēng)爐、焦?fàn)t(或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、鍋爐、超細(xì)粉車間)，部分進(jìn)入高爐煤氣儲(chǔ)氣罐，其余經(jīng)加壓機(jī)升壓至18.0kPa后送至混合站。在混合站內(nèi)，高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣按一定比例混合后被送至熱連軋廠(2250和1549生產(chǎn)線)、不銹熱軋廠、不銹線材廠和不銹冷軋廠混線車間。加壓}昆合系統(tǒng)輸配高爐煤氣(6.5～13.5)×104m3/h。如果加壓系統(tǒng)或混合系統(tǒng)運(yùn)行故障直接影響高爐煤氣的正常輸配，導(dǎo)致低壓高爐煤氣無(wú)法送至混合煤氣用戶，那么低壓管網(wǎng)壓力上升，發(fā)生放散。
    目前高爐煤氣加壓站有加壓機(jī)4臺(tái)(3用1備)，如果2臺(tái)以上加壓機(jī)同時(shí)發(fā)生故障，低壓高爐煤氣無(wú)法正常輸送到混合站?；旌险景l(fā)生故障時(shí)，高爐煤氣也無(wú)法供給用戶，最終導(dǎo)致加壓機(jī)后的壓力過(guò)高，加壓機(jī)輸送量被迫減少。加壓或混合系統(tǒng)異常時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)及時(shí)組織搶修，及早消除故障，恢復(fù)煤氣正常輸配。
3.6 通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)及時(shí)掌握高爐煤氣相關(guān)信息
    調(diào)度員綜合調(diào)控高爐煤氣系統(tǒng)的生產(chǎn)，及時(shí)掌握高爐運(yùn)行、煤氣輸配設(shè)備運(yùn)行和用戶生產(chǎn)等信息，根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)調(diào)配高爐煤氣。
    如果高爐檢修后產(chǎn)量上升，調(diào)度員首先通知儲(chǔ)氣罐恢復(fù)正常罐位，保證正常儲(chǔ)備，隨后通知用戶逐步恢復(fù)生產(chǎn)。當(dāng)用戶全部恢復(fù)生產(chǎn)后，根據(jù)煤氣過(guò)剩情況再通知緩沖用戶增加煤氣用量。
    如果儲(chǔ)氣罐、加壓機(jī)、混合站等系統(tǒng)運(yùn)行異常，調(diào)度員及時(shí)通知鍋爐用戶增加用氣量，避免低壓管網(wǎng)壓力過(guò)高造成煤氣放散。如果混合煤氣用戶生產(chǎn)短期故障，調(diào)度員將通知調(diào)高儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣量。如果儲(chǔ)氣罐處于高位，調(diào)度員將通知緩沖用戶增加用氣量，或增開設(shè)備。
4 結(jié)語(yǔ)
    2008年以來(lái)，太鋼不斷加強(qiáng)高爐煤氣的平衡管理，不斷完善放散控制措施，不斷提升信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)高爐煤氣放散率逐年降低，2011年第一季度達(dá)到0.1%的水平。利用過(guò)剩高爐煤氣發(fā)電，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益近600×104元/a，節(jié)約煤約3.5×104t/a，減少C02排放量約9.0×104t/a，為公司“零放散”綠色發(fā)展打下基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 吳洪亮，劉坤.鋼鐵企業(yè)煤氣高效利用技術(shù)的探討[J].煤氣與熱力，2007，27(4)：35-37.
[2] 王華鋒，郭明洲，白紅彬.高爐煤氣鍋爐的設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力，2008，28(1)：A01-A02.
 
(本文作者：楊華峰 山西太鋼不銹鋼股份有限公司 能源動(dòng)力總廠 山西太原 030003)