谷延良 劉顏軍
(秦皇島首秦金屬材料有限公司 能源事業部)
摘 要：通過分析首秦公司轉爐煤氣管網系統結構特點，指出單座氣柜與管網串聯運行狀態下，氣柜是影響管網系統穩定運行的薄弱環節。借鑒煤氣混合站功能特點，在轉爐煤氣管網加壓機組入口側增設混氣系統，作為氣柜的旁路，在氣柜退網時投運，避免煤氣用戶斷氣停產，有效提高轉爐煤氣管網系統保供能力。
關鍵詞：轉爐煤氣；管網；混氣保供能力
轉爐煤氣是鋼鐵聯合企業重要的二次能源，合理回收利用轉爐煤氣是實現轉爐負能煉鋼的關鍵[1]。因轉爐冶煉過程的非連續性和轉爐煙氣選擇性回收的特點，轉爐煤氣回收過程為間隙性過程[2]。然而，大部分轉爐煤氣用戶為連續生產[3]，需要轉爐煤氣管網連續性供氣。實際生產中通常將轉爐多次冶煉過程回收的煤氣輸入一個儲氣柜 (壓力3.5kPa煤氣成分混勻后通過加壓系統由管網輸送至各煤氣用戶。煤氣柜承擔回收、 儲存、 穩壓與混合作用， 是管網的重要樞紐與節點[4]。特別是轉爐煤氣管網中僅有單座煤氣柜的中小型鋼鐵企業， 氣柜故障退網或離線檢修時，將直接導致轉爐煤氣管網系統斷路、 煤氣用戶停產。因此，提高轉爐煤氣管網的連續供氣能力，規避氣柜對管網保供能力的影響，具有積極意義。
1 首秦公司轉爐煤氣管網系統現狀
1.1 廠區轉爐煤氣管網系統情況
首秦公司地處旅游勝地河北省秦皇島市，考慮環境要求未配套建設焦化工序，副產煤氣僅為高爐煤氣和轉爐煤氣，外購天然氣作為高熱值補充氣源[5]。煉鋼工序建有3 座100t轉爐， 冶煉過程轉爐煙氣經OG系統收集處理，合格煤氣進入8 萬m3 煤氣柜，不合格煙氣由放散塔放散，回收煤氣經加壓系統升壓至 18 ±2kPa 后由管道輸送至用戶使用，轉爐煤氣用戶最低熱值要求為6500kJ/ m3。 轉爐煤氣柜入口設有一座混合站?以高爐煤氣和天然氣混合制成混合煤氣，提高煤氣的熱值[6]，作為臨時補充氣源， 保證安全柜容及各用戶臨時用氣。 同時，加壓機組出口管道設置混合站與廠區高爐煤氣管網相連，將轉爐集中冶煉情況下的過剩煤氣混入高爐煤氣管網，最大限度回收轉爐煤氣。
1.2存在問題
相對于寶鋼、首鋼等大型鋼鐵聯合企業采用轉爐煤氣柜雙柜并列運行技術[７] ?首秦公司為單座轉爐煤氣柜與煤氣管網串聯布置?到 ２０１６ 年穩定運行 １２ 年?已進入大修周期? 氣柜側板腐蝕嚴重?漏點為 １ ~ ８ｃｍ 的帶狀裂縫?并伴有黑色粘稠液體及水滴流出? 同時?氣柜皮膜也出現老化?存在裂縫漏氣情況? ２０１０ 年 ４ 月至今?已發現并處理氣柜內外部漏點 １００ 余處?側壁板 ２ ~ ８ｍ 隨時可能再次發生崩裂、漏氣?威脅人員安全?降低了轉爐煤氣管網保供能力? 壁板或皮膜漏氣點無法進行帶氣處理?氣柜需要離線大修?各轉爐煤氣用戶將被迫斷氣停產?影響范圍較大?
2 轉爐煤氣管網系統優化措施
為提高首秦公司轉爐煤氣管網系統保供能力，將煤氣柜對轉爐煤氣管網系統及煤氣用戶影響降到最低，在煤氣柜離線檢修或 OG 系統故障限收情況下， 轉爐煤氣管網系統仍有補充氣源并連續供氣，對轉爐煤氣管網系統進行優化改造。
2.1新增煤氣混合站
借鑒煤氣混合站功能特點，在加壓機組入口總管增設一套煤氣混合設備及控制系統， 即煤氣混合站。保證替代氣源行程最短、 最穩定地送入加壓機組，依托高爐煤氣管網系統容量大、 高爐連續產氣特點，新增混合站來氣側接入廠區高爐煤氣管網系統，高爐煤氣與天然氣等高熱值氣體摻混，作為各種加熱爐的燃料，是目前鋼廠中高爐煤氣利用的重要途徑[8]。 新增混合站將高爐煤氣與天然氣進行混合，在轉爐煤氣柜退網、OG 系統無法繼續回收煤氣等情況下投入運行，混合煤氣替代轉爐煤氣輸送至各用戶使用。
新增混合站高爐煤氣來氣管道直徑為DN800，運行壓力7設置盲板閥、 二偏閥及調節閥，天然氣由廠區45號天然氣調壓箱(型號RTJ－ 80 / 0.4FK)供出，管道直徑為DN80，設計供氣能力 1524m3/ h，供出壓力12kPa，設置盲板閥、 球閥及調節閥，通過控制調節閥開度，采用流量配比法調節替代氣源熱值[9]。
2.2煤氣混合比例及空燃比
首秦公司高爐煤氣監測熱值 3360kJ/ m3 ，轉爐煤氣監測熱值 7071kJ/ m3 ，外購天然氣熱值36000kJ/ m3，混合煤氣熱值按照體積百分數計算[10]，見公式1。
式中:QJ為混合煤氣熱值；QV1 、QV2為高爐煤氣、天然氣流量，m3 /h；QV為混合站高爐煤氣、天然氣流量和；QJ1 、QJ2 為高爐煤氣、天然氣熱值， kJ/ m3。經計算，高爐煤氣與天然氣流量按7∶1 ~ 9∶1 進行混合，混合氣體熱值為6500 ~ 7500kJ/ m3 ，與轉爐煤氣熱值相近。
華白數是燃氣互換性的重要判定指數，兩種燃氣互換時華白數變化不大于 5％ ~10％ [10]，即可在同一器具上獲得相近的熱負荷。
式中: W 為華白數， kJ/ m3；Hh 為燃氣高位熱值， kJ/ m3 ；s 為燃氣相對密度。經計算， 轉爐煤氣華白數 7382 kJ/ m3。高爐煤氣與天然氣流量混合比例為8.5：1，混氣華白數與轉爐煤氣相同；高爐煤氣與天然氣流量混合比例為9∶1，華白數為2.8%。混合比例 8.5：1—9：1時，混合煤氣與轉爐煤氣熱負荷相近。
綜上分析，在天然氣供出流量不變、 混合煤氣既滿足用戶最低熱值要求同時又符合互換性的條件下，高爐煤氣與天然氣流量混合比例為 9∶1 時，新增混合站供氣能力達到最大。
轉爐煤氣中體積含量最多的三種氣體成分為CO、 N2 、 CO2，高爐煤氣為N2 、 CO、 CO2 ，主要可燃成分均為 CO， N2 與 CO2 性質穩定不參與燃燒[11]，兩種煤氣性質相似。首秦公司轉爐煤氣成分與高爐煤氣成分見表1。
由計算可知，燃燒 1m3轉爐煤氣，需要約1.25m3 空氣。燃燒器燃料供出條件不變情況 下，高爐煤氣與天然氣混氣比例為9∶1 時，燃燒1m3混合煤氣需要約 1.56m3 空氣。因此，采用混合煤氣替代轉爐煤氣進行烘烤，在現有燃燒器工況不變情況下， 增加助燃風量調整空燃比，即可滿足生產工藝要求。
3 管網脫柜保供運行試驗
首秦公司轉爐煤氣系統中，中間包在線烘烤為一級必保用戶， 用量不可調； 修砌間、 魚雷罐及套筒窯為二級用戶， 煤氣用量可調，自備電站為三級用戶，可隨時停用轉爐煤氣，正常生產狀態下， 各用戶煤氣使用量合計約3.7萬m3 / h。結合煉鋼系統20h停產檢修， 將轉爐煤氣柜與加壓機組有效斷開，氣柜脫網檢修， 新增煤氣混合站替代轉爐煤氣柜及 OG系統，與加壓機組串聯，接入轉爐煤氣管網系統，進行連續供氣。
3.1保供狀態下混氣能力
利用熱值在線分析儀試驗，天然氣調壓器供出流量設定為1524 m3 / h，高爐煤氣與天然氣混合比例低于9∶1 時，混氣熱值在 6500kJ/ m3 以上，滿足用戶最低熱值要求，混合站最大供氣量約 1萬 m3 / h，見表2。
3.2保新供增狀混態合下站煤供氣出平量衡
因保新供增狀混態合下站煤供氣出平量衡少于正常生產狀態下的轉爐煤氣產出量，各用戶煤氣用量需重新平衡，見表3。在保證煉鋼中間包在線烘烤煤氣用量不變情況下，將二級用戶用量降至最低，即修砌間投運兩座烘烤位， 魚雷罐投運一座烘烤位；自備電站燃氣鍋爐停用混氣，套筒窯最低生產負荷狀態下轉爐煤氣用量為0.9萬 m3 /h，可用混氣量僅為 0.8萬 m3 / h， 不足部分可通過伴燒天然氣進行補充，由廠區低壓天然氣管網供氣。
通過實際運行試驗，轉爐煤氣柜脫網后，管網系統優化流程結構，改變運行方式， 新增混合站可滿足轉爐煤氣管網系統正常運行， 按用戶分級原則維持各用戶生產，轉爐煤氣柜離線檢修創造條件。
4 結語
根據首秦公司單座轉爐煤氣柜與煤氣管網串聯的結構特點，指出煤氣柜 “帶病” 運行是造成管網穩定性下降、 保供能力降低的重要因素之一。在加壓機組入口新建煤氣混合站， 在管網系統中與煤氣柜形成并聯供氣方式，為轉爐煤氣用戶提供備用氣源。通過理論計算及現場試驗， 高爐煤氣與天然氣混合比例為9∶1時，混氣熱值約65000kJ/ m3 ，滿足用戶生產工藝要求。 按照煤氣用戶分級原則，將混合煤氣進行平衡分配，確保中間包在線烘烤正常生產，鋼包離線烘烤、 魚雷罐烘烤及套筒窯最低負荷正常生產。試驗證明，提高首秦公司轉爐煤氣管網系統的保供能力，解決了氣柜離線檢修時管網斷路與煤氣停供問題，為主工序正常生產提供了有效保障，為同類型鋼鐵企業提供借鑒意義。
參考文獻
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