煤气混合加压系统的优化设计_技术研究

摘要

摘要：结合工程实例，介绍了煤气混合加压系统的几大关键点及解决办法，包括煤气管径、调节阀大小的确定，热值与压力的稳定控制。关键词：煤气混合；热值；压力Optimal Design of Coal Gas

摘要：结合工程实例，介绍了煤气混合加压系统的几大关键点及解决办法，包括煤气管径、调节阀大小的确定，热值与压力的稳定控制。

关键词：煤气混合；热值；压力

Optimal Design of Coal Gas Mixing and Pressurization System

LV Jian-peng，LEI Zhong-ming

Abstract：Combined with an engineering example，the several key points and solutions of coal gas mixing pressurization system including determination of pipe diameter and regulator valve size and stable control of calorific value and pressure are introduced.

Key words：coal gas mixing；calorific value；pressure

1 概述

石灰是炼钢生产中最重要的辅助原料，分为活性石灰和普通石灰。通常将活性度在300ml以上的石灰称为活性石灰。活性石灰与普通石灰相比，具有体密度小、气孔率高、比表面积大、化学纯度高、活性度高等优点。采用活性石灰炼钢，造渣速度快，脱磷脱硫效率高，能提高钢的质量，降低生产成本，因此采用活性石灰炼钢成为钢铁企业发展的必然趋势。

目前活性石灰主要靠K-K型回转窑生产，回转窑需要的煤气热值比较高，一般在12.56MJ/m³以上，而钢厂内高热值的焦炉煤气一般比较紧缺，低热值的高炉煤气比较充裕。为了降低成本和节省优质能源，一般在建设K—K型回转窑生产活性石灰时，也建设煤气混合加压系统。

2006年和2007年，鞍钢集团和通钢三友公司分别投产750t/d和800L/d的活性石灰生产线各1条，这2条线都配有煤气混合加压系统^[1]，这部分由笔者负责工艺设计、安装指导、调试点火。目前这2个煤气混合加压系统的热值和压力稳定，运行良好。

混合煤气的热值和压力稳定与否，影响煤气的质量、设备的寿命、生产的环境，进而影响活性石灰的质量和产量。煤气混合过程中存在多种影响煤气热值和压力稳定的因素，如气源压力的波动、用气负荷的变化、大流量阀门操作的非线性、煤气支管上4个阀门操作上的相互影响、煤气支管之间的相互影响以及热值仪测量滞后等，给混合煤气热值和压力的调节控制带来很大的困难。我公司建设的这种煤气混合加压系统，将硬件(电动调节阀门、流量计、热值分析仪、压力变送器等)和软件(PLC控制系统)有机结合，适应性非常强，2种煤气的压力差值最高可达8～10kPa，混合煤气的流量不受限制，热值调控范围最高可达5.024MJ/m³，且不需要煤气储气罐。混合后压力稳定，热值精度高，可以达到±104.67kJ/m³以内，甚至更高。控制原理简单，控制程序易懂易编。

2 工艺配置

煤气混合加压系统工艺流程见图1。煤气混合部分的关键技术是：

根据2种煤气的压力、流量确定2路煤气管道的管径；确定2路煤气管道上主调节阀和辅调节阀的大小。

① 确定2路煤气管道的管径

煤气混合加压系统中管径的确定方法与直接输送煤气时管径的确定方法不同，前者选择12m/s左右的流速即可^[2、3]，且必须考虑2种煤气的压力和流量范围。例如：在鞍钢集团配备的煤气混合加压系统中，焦炉煤气的压力为1～4kPa，高炉煤气的压力为3～6kPa，煤气的压力波动频繁，有时2min内2种煤气压力就能完全对调。总煤气量为12500m³/h，其中焦炉煤气量为7750m³/h，高炉煤气量为4750m³/h。焦炉煤气管道的公称直径选为600mm(也考虑了单烧焦炉煤气的可能)，高炉煤气管道的公称直径选为500mm。

② 确定2路煤气管道主、辅调节阀的大小

这4个阀门的选择关系到煤气混合后热值是否满足设计要求，为了降低高炉煤气管道上2个电动调节阀门与焦炉煤气管道上2个电动调节阀门调节时的相互影响，采用单支管并联的组合方式，见图1。调节阀的大小由2种煤气的压力、流量及混合后的热值等因素确定，论证和计算过程比较繁琐，主、辅调节阀门通过的流量基本按照6:4确定，还要考虑阀门的最佳调节区间等因素。经过论证和计算，焦炉煤气主调节阀和辅调节阀的公称直径分别为400mm和300mm；高炉煤气主调节阀和辅调节阀的公称直径分别为350mm和250mm。

3 工艺控制

① 热值稳定控制

稳定热值的工作，并不是刚开始就顺利的，我们走了很多弯路。开始采用德国UNION(尤尼)高速热值分析仪，利用混合煤气的热值反馈，调节焦炉煤气、高炉煤气的主调节阀和辅调节阀，但是这样系统运行起来很不稳定，热值波动很大，窑内的温度波动也很大，24h内的温度波动能达到±150℃，严重影响了产品质量的稳定性。原因是从调节阀门引起2种煤气流量变化致使混合煤气的热值变化，到热值分析仪检测到变化后的热值之间有一个约90s的滞后时间。由于2种煤气的压力波动频繁，从检测热值，并与设定热值比较，发现检测到的热值不在设定范围内从而需要调节，到此次调节后的热值再次反馈到控制系统上需要90s，在这90s内2种煤气的压力早已发生了改变。因此此种稳定热值的方法在2种煤气压力波动频繁的情况下是不适用的。

经过2个多月的摸索，也参观了钢厂的其他煤气混合系统，效果仍不理想。最后彻底否定了原来利用热值分析仪的热值反馈来调节煤气混合热值的方法，热值分析仪不参与控制，所检测的热值仅作为参考数据。

先利用焦炉煤气和高炉煤气上的流量计测出2种煤气的流量，根据2种煤气的热值和流量通过控制系统计算出}昆合煤气的热值，并与设定的混合热值进行比较，根据计算出的热值是否在设定范围内，决定是否调节。如果需要调节，根据我们的需要确定最低±209kJ/m³为一档，以±209kJ/m³的整数倍依次调节，最大档为±2.09MJ/m³。超过±2.09MJ/m³的，统一按照±2.09MJ/m³最大档处理。根据计算值和设定值的差值的大小，进行相应幅度的调节。

在这个控制系统中，高炉煤气的热值、焦炉煤气的热值、混合煤气的给定热值、阀门调节的周期、阀门调节的步长都可以在操作界面上直接输入，见图2。此控制系统使用起来非常方便，调节后的热值也可以即时显示。通过WCC系统软件，可以调出任何时刻的煤气混合情况。

经过改进，混合后煤气的热值非常稳定，基本在设定范围内。但是因为流量计测出的流量有误差，且焦炉煤气和高炉煤气的热值也不十分稳定，所以通过煤气流量和热值计算出来的混合煤气热值与实际混合热值存在误差。我们利用热值分析仪测出的热值与计算热值进行对比，经过10多天的对比观察，发现二者的误差是有规律的。由于煤气的流量测量值不好改动，便把2种煤气的给定计算热值稍作修改，这样计算的混合热值和检测得到的热值完全吻合。

在这个混合系统中，还存在一个创新点，即阀门调节的周期、阀门调节的步长都可以随时给定。操作工可以根据自己的操作经验和习惯对阀门调节的周期和步长进行设定，用最低的调节频率达到最佳的调节效果。不像其他的煤气}昆合系统，阀门调节的周期和步长都做在程序里，控制界面上不能显示给定，程序做好之后，操作工在操作过程中，遇到不合适的情况也不会改动，更没法改动。

② 压力稳定控制

在这种安装有变频控制系统的情况下，控制压力稳定比较简单，即通过变频器改变电源的频率进而改变煤气鼓风机的转速，来调整风机出口的压力。

参考文献：

[1] GB 6222—2005，工业企业煤气安全规程[S].

[2] 项友谦.燃气热力工程常用数据手册[M].北京：国建筑工业出版社，2003.

[3] 姜正侯.燃气工程技术手册[M].上海：同济大学版社，1997.

(本文作者：吕健鹏雷中明洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039)