实现高炉煤气零放散的措施

摘 要

摘要：分析了高炉煤气生产、使用以及其他气源对高炉煤气放散率的影响，探讨了高炉煤气放散率的控制措施。关键词：高炉煤气；放散率；零放散；控制措施Measures for Achieving Zero Emis
摘要：分析了高炉煤气生产、使用以及其他气源对高炉煤气放散率的影响，探讨了高炉煤气放散率的控制措施。
关键词：高炉煤气；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(钢铁)集团有限公司(以下简称太钢)作为国内为数不多的城市钢铁企业，正在全面建设“城市化绿色工厂”，实现企业与城市和谐发展。公司以低碳经济作为转变发展方式的重大机遇，积极探索科学方法以回收利用副产高炉煤气[1]，节能减排，保护环境，成效显著。高炉煤气放散率由2008年的4.10%降到2010年的0.31%，累计节能约1250TJ。2011年第一季度放散率降到0.1%，公司向实现高炉煤气“零放散”目标迈出了关键的一步。
   要科学合理控制高炉煤气放散率，实现“零放散”目标，必须客观分析影响高炉煤气生产、输配和使用的各种因素，针对问题制定措施，才能持续稳定地控制放散量，降低放散率。
2 高炉煤气放散率的影响因素
2.1 高炉煤气生产情况
    科学分析高炉煤气与高炉生产的关系，明确高炉生产调整和异常对放散的影响程度，是有效控制放散率的前提。
   ① 高炉生产调整
   高炉煤气是高炉冶炼生产过程的副产品，其发生量与高炉系统的生产状况密切相关。目前公司有容积分别为1800、1650和4350m3的高炉3座(编号分别为3#、4#和5#)，其2010年的高炉煤气发生量见表1。高炉煤气总发生量为(109～136)×104m3/h，波动率为-9.9%～12.4%(以平均值为基准)。因为高炉煤气的生产波动率远高于放散率指标(2010年放散率指标为0.31%)，所以高炉系统的生产状况对放散率影响很大。
表1 2010年的高炉煤气发生量   m3/h
高炉
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
总计
136×104
109×104
121×104
   ② 高炉运行异常
   当高炉突然减风或休风时，高炉煤气的发生量急剧下降，对放散率影响很大。高炉突然休风或减风时，为保证高炉煤气管网系统安全、压力稳定，需要及时降低高炉煤气缓冲用户的用气量或降低主要混合煤气用户的高炉煤气配比量，此时易发生高炉煤气管网压力波动导致的放散率无法控制，发生放散超标现象。
2.2 高炉煤气用户的使用情况
    明确高炉煤气的生产情况以后，充分合理地使用高炉煤气、减少排放量是放散率控制的关键。将高炉煤气主要用户划分为3类：热风炉用户、焦炉用户和混合煤气用户，从热风炉、焦炉和混合煤气用户这3方面分析影响高炉煤气放散率的因素。
   ① 热风炉切换
   高炉运行工况不同，其相应的热风炉运行工况也不同。2010年3座高炉热风炉的高炉煤气消耗量见表2。由表2可知，热风炉的高炉煤气消耗量范围为(41～52)×104m3/h，波动值约占高炉煤气总发生量的9.1%(以总发生量平均值为基准)。
表2 2010年3座高炉热风炉的高炉煤气消耗量 m3/h
热风炉
最大值
最小值
平均值
3#高炉热风炉
11×104
9×104
10×104
4#高炉热风炉
13×104
10×104
11×104
5#高炉热风炉
28×104
22×104
25×104
合计
52×104
41×104
46×104
   ② 焦炉用气换向加热
   目前公司有7.63m的焦炉两座，单炉的高炉煤气最大消耗量约为24×104m3/h(根据情况加配焦炉煤气流量0.3×104～0.7××104m3/h)。焦炉以高炉煤气、焦炉煤气混合煤气加热20min，换向1 min，换向期间停止加热。换向期间高炉煤气过剩0.4×104～0.8×104m3(即24×104～48×104m3/h)，占高炉煤气总发生量的20%～40%，导致高炉煤气管网压力上升，放散量增大。
   ③ 混合煤气用户异常
   混合煤气(由高炉煤气和焦炉煤气组成)用户检修作业时高炉煤气的用量减少见表3。混合煤气用户检修作业导致高炉煤气最大过剩量为8.0×104m3/h，占高炉煤气总发生量的6.6%。
    综上所述，热风炉切换、焦炉换向和混合煤气用户异常对高炉煤气的最大影响程度分别是9.1%、40%、6.6%，其值远高于放散率控制指标。
表3 混合煤气用户检修作业时高炉煤气的用量减少
用户
作业
时间
频次
高炉煤气用量减少值/(m3·h-1)
热连轧厂
2250热连轧
精轧机换辊
40min
每8h 1次
1.0×104
2250热连轧
精轧机定检
8h
每周1次
2.0×104
1549热连轧
精轧机换辊
40min
每8h 1次
1.0×104
1549热连轧
精轧机定检
8h
每周1次
4.5×104
不锈热轧厂
检修
不定
不定
1.0×104
不锈线材厂
检修
不定
不定
0.2×104
不锈冷轧厂混线车间
检修
不定
不定
0.3×104
2.3 其他气源的间接影响
    公司自产煤气有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，焦炉煤气和转炉煤气的热值均高于高炉煤气。当焦炉煤气用户或转炉煤气用户的生产波动导致焦炉煤气或转炉煤气过剩时，混合煤气用户将优先使用高热值的煤气，增加其消耗比例，同时减少高炉煤气的消耗比例，间接导致高炉煤气过剩。
2.4 影响因素的综合分析
    实际生产运行过程中，高炉生产负荷调整、热风炉切换和焦炉换向分别导致的高炉煤气过剩高峰的重叠概率很小，同时高炉煤气用户(包括常用用户和缓冲用户)消耗煤气且使用储气罐调压储气，供需基本平衡，月放散率控制在指标范围内，但日放散率波动，存在超标现象。当放散超标期间高炉运行基本平稳、热风炉正常切换、焦炉正常换向时，放散超标的主要原因来自用户和锅炉。如热连轧厂、超细粉车间等突发故障和检修，高炉煤气消耗量下降，发电锅炉不能立即启动以消耗过剩的高炉煤气；发电锅炉日常运行能力不足，导致高炉煤气放散调控能力下降。2010年7—12月锅炉和用户因素对高炉煤气日放散率超标的影响程度见表4。总体看来，在影响程度中，锅炉因素约占70%，用户因素约占30%。
表4 2010年7—12月锅炉和用户因素对高炉煤气日放散率超标的影响程度
影响因素
7月
8月
9月
10月
11月
12月
锅炉
82%
93%
56%
93%
50%
30%
用户
18%
7%
44%
7%
50%
70%
3 高炉煤气放散率的控制措施
3.1 通过输配平衡方式宏观调控过剩煤气量
   高炉煤气输配平衡对放散率控制起关键作用。燃气调度随时进行高炉煤气的输配平衡分析，明确高炉煤气的生产与使用情况(见表5)，根据高炉煤气量的变化，及时制定措施控制放散量，避免过剩煤气量大幅波动。对于高炉煤气的供给，制定的措施为：首先保证常用用户的生产，其优先顺序依次为热风炉用户、焦炉用户、混合煤气用户。如果高炉煤气常用用户生产异常导致煤气过剩量增加，短期内可通过储气罐调节。如果储气罐无法调节过剩量对管网压力的影响，调度及时通知缓冲用户启动设备(煤气锅炉、超细粉生产设备)，正常情况下缓冲用户能使用的高炉煤气量大于过剩量，可实现放散量为零。如果缓冲用户仍无法消耗过剩煤气，最后可采取放散燃烧排空来调节管网压力。
表5 高炉煤气的生产与使用平衡
生产与使用
最大值/(m3·h-1)
最小值/(m3·h-1)
平均值/(m3·h-1)
高炉煤气的生产
3#高炉
34.0×104
27.0×104
30.0×104
4#高炉
28.0×104
23.0×104
25.0×104
5#高炉
74.0×104
59.0×104
66.0×104
总计
136.0×104
109.0×104
121.0×104
常用用户的高炉煤气消耗
3#高炉热风炉
11.0×104
9.0×104
10.0×104
4#高炉热风炉
13.0×104
10.O×104
11.0×104
5#高炉热风炉
28. ×104
22.0×104
25.0×104
焦化厂
24.0×104
18.5×104
20.0×104
热连轧厂
9.0×104
3.2×104
4.5×104
轧钢厂
3.0×104
0.4×104
1.0×104
不锈冷轧厂
0.7×104
0.1×104
0.2×104
型材厂
0.7×104
0.2×104
0.5×104
总计
89.4×104
63.3×104
72.1×104
过剩量
46.6×104
45.7×104
48.9×104
缓冲用户高炉煤气消耗
燃气蒸汽联合循环发电
12.0×104
12.0×104
12.0×104
锅炉
38.0×104
38.0×104
38.0×104
超细粉车间
3.3×104
0.0×104
1.6×104
高炉煤气消耗能力富裕量
6.7×104
4.3×104
2.7×104
3.2 通过储气罐微调过剩煤气量
   根据高炉煤气产量及其休风时的煤气生产波动量、用户使用煤气的波动量及高炉休风时用户煤气设备的安全降负荷时间，合理选择高炉煤气储气罐容积。太钢根据自身情况建设30×104m3的高炉煤气储气罐1座，当煤气管网压力短期波动时，首先充分发挥储气罐的微调功能，避免煤气放散，调整煤气首先供给常用用户生产。储气罐运行压力为10.0kPa，与低压高炉煤气管网运行压力一致，吞吐量为35×104m3/h。
    正常情况下，储气罐保持运行范围(即系统工艺规定的安全储气运行范围)为(10～25)×104m3，调节热风炉切换、焦炉换向或混合煤气用户短期异常导致的高炉煤气波动，避免高炉煤气放散。
    当高炉预休风前，储气罐发挥储气功能，将储气量提升至(25～27)×104m3，为休风后短期保证常用用户生产提供气源。休风期间，当储气量降至10×104m3时，储气罐不参与调整管网压力，留存6×104m3高炉煤气作为高炉热风炉烘炉和高炉煤气净化系统倒送煤气所需，最后保留4×104m3高炉煤气为极端情况下(高炉煤气气源全部停供时)的管网安全提供气源。
    当高炉突然休风时，储气罐利用储气调节管网压力，保证系统正常压力，且保留10×104m3储气量。
    当焦炉和混合煤气用户运行异常导致高炉煤气过剩时，首先发挥储气罐的调压储气功能，短期控制放散量。
3.3 通过缓冲用户有效利用大量过剩煤气
    根据表5的数据可知，常用用户消耗的高炉煤气量有限，过剩量需要缓冲用户消耗。缓冲用户的管理措施为：
    ① 制定过剩煤气用气制度：首先供给联合循环发电，其次供给超细粉车间，最后供给锅炉[2]。
    ② 调整锅炉检修周期：锅炉检修与5#高炉休风同步进行，因为5#高炉休风期间，供给管网的煤气量减少约41×104m3/h(去除5#高炉热风炉的用量)，此值大于锅炉的高炉煤气消耗量(38.0×104m3/h)，不会产生过剩高炉煤气。
3.4 通过提高放散压力设定值降低异常放散量
    根据理论平衡分析可知，当联合循环发电正常运行、锅炉正常消耗38×104m3/h、超细粉车间消耗1.6×104m3/h以上时，不存在高炉煤气的放散，但实际运行时的放散率为0.20%～0.47%。2011年初，相关技术人员在对放散塔双偏调压蝶阀进行气密性检测时，发现煤气漏损量大。之后改装三偏心蝶阀，阀门漏损量减少，放散自动控制压力设定值由11kPa提高至14kPa，为有效控制放散量提供了设备保障。
3.5 通过加强输配系统管理保证煤气正常供给
    来自高炉的煤气首先经过净化系统除尘、降温后进入高炉煤气管网。正常情况下将煤气供给高炉热风炉、焦炉(或联合循环发电、锅炉、超细粉车间)，部分进入高炉煤气储气罐，其余经加压机升压至18.0kPa后送至混合站。在混合站内，高炉煤气与焦炉煤气按一定比例混合后被送至热连轧厂(2250和1549生产线)、不锈热轧厂、不锈线材厂和不锈冷轧厂混线车间。加压}昆合系统输配高炉煤气(6.5～13.5)×104m3/h。如果加压系统或混合系统运行故障直接影响高炉煤气的正常输配，导致低压高炉煤气无法送至混合煤气用户，那么低压管网压力上升，发生放散。
    目前高炉煤气加压站有加压机4台(3用1备)，如果2台以上加压机同时发生故障，低压高炉煤气无法正常输送到混合站。混合站发生故障时，高炉煤气也无法供给用户，最终导致加压机后的压力过高，加压机输送量被迫减少。加压或混合系统异常时，相关部门应及时组织抢修，及早消除故障，恢复煤气正常输配。
3.6 通过调度系统及时掌握高炉煤气相关信息
    调度员综合调控高炉煤气系统的生产，及时掌握高炉运行、煤气输配设备运行和用户生产等信息，根据生产状况及时调配高炉煤气。
    如果高炉检修后产量上升，调度员首先通知储气罐恢复正常罐位，保证正常储备，随后通知用户逐步恢复生产。当用户全部恢复生产后，根据煤气过剩情况再通知缓冲用户增加煤气用量。
    如果储气罐、加压机、混合站等系统运行异常，调度员及时通知锅炉用户增加用气量，避免低压管网压力过高造成煤气放散。如果混合煤气用户生产短期故障，调度员将通知调高储气罐储气量。如果储气罐处于高位，调度员将通知缓冲用户增加用气量，或增开设备。
4 结语
    2008年以来，太钢不断加强高炉煤气的平衡管理，不断完善放散控制措施，不断提升信息化管理水平，实现高炉煤气放散率逐年降低，2011年第一季度达到0.1%的水平。利用过剩高炉煤气发电，创造经济效益近600×104元/a，节约煤约3.5×104t/a，减少C02排放量约9.0×104t/a，为公司“零放散”绿色发展打下基础。
参考文献：
[1] 吴洪亮，刘坤.钢铁企业煤气高效利用技术的探讨[J].煤气与热力，2007，27(4)：35-37.
[2] 王华锋，郭明洲，白红彬.高炉煤气锅炉的设计[J].煤气与热力，2008，28(1)：A01-A02.
 
(本文作者：杨华峰 山西太钢不锈钢股份有限公司 能源动力总厂 山西太原 030003)