谷延良 劉顏軍
(秦皇島首秦金屬材料有限公司 能源事業(yè)部)
摘 要：通過分析首秦公司轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)結構特點，指出單座氣柜與管網(wǎng)串聯(lián)運行狀態(tài)下，氣柜是影響管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的薄弱環(huán)節(jié)。借鑒煤氣混合站功能特點，在轉爐煤氣管網(wǎng)加壓機組入口側增設混氣系統(tǒng)，作為氣柜的旁路，在氣柜退網(wǎng)時投運，避免煤氣用戶斷氣停產(chǎn)，有效提高轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)保供能力。
關鍵詞：轉爐煤氣；管網(wǎng)；混氣保供能力
轉爐煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)重要的二次能源，合理回收利用轉爐煤氣是實現(xiàn)轉爐負能煉鋼的關鍵[1]。因轉爐冶煉過程的非連續(xù)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(xù)生產(chǎn)[3]，需要轉爐煤氣管網(wǎng)連續(xù)性供氣。實際生產(chǎn)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(tǒng)由管網(wǎng)輸送至各煤氣用戶。煤氣柜承擔回收、 儲存、 穩(wěn)壓與混合作用， 是管網(wǎng)的重要樞紐與節(jié)點[4]。特別是轉爐煤氣管網(wǎng)中僅有單座煤氣柜的中小型鋼鐵企業(yè)， 氣柜故障退網(wǎng)或離線檢修時，將直接導致轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)斷路、 煤氣用戶停產(chǎn)。因此，提高轉爐煤氣管網(wǎng)的連續(xù)供氣能力，規(guī)避氣柜對管網(wǎng)保供能力的影響，具有積極意義。
1 首秦公司轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀
1.1 廠區(qū)轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)情況
首秦公司地處旅游勝地河北省秦皇島市，考慮環(huán)境要求未配套建設焦化工序，副產(chǎn)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(jīng)OG系統(tǒng)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(jīng)加壓系統(tǒng)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(qū)高爐煤氣管網(wǎng)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(wǎng)，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(lián)合企業(yè)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(wǎng)串聯(lián)布置?到 ２０１６ 年穩(wěn)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(xiàn)老化?存在裂縫漏氣情況? ２０１０ 年 ４ 月至今?已發(fā)現(xiàn)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(fā)生崩裂、漏氣?威脅人員安全?降低了轉爐煤氣管網(wǎng)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(chǎn)?影響范圍較大?
2 轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化措施
為提高首秦公司轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)保供能力，將煤氣柜對轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)及煤氣用戶影響降到最低，在煤氣柜離線檢修或 OG 系統(tǒng)故障限收情況下， 轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)仍有補充氣源并連續(xù)供氣，對轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)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(tǒng)， 即煤氣混合站。保證替代氣源行程最短、 最穩(wěn)定地送入加壓機組，依托高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)容量大、 高爐連續(xù)產(chǎn)氣特點，新增混合站來氣側接入廠區(qū)高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)，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(wǎng)、OG 系統(tǒng)無法繼續(xù)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(jié)閥，天然氣由廠區(qū)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(jié)閥，通過控制調節(jié)閥開度，采用流量配比法調節(jié)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(jiān)測熱值 3360kJ/ m3 ，轉爐煤氣監(jiān)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(shù)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(jīng)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(shù)是燃氣互換性的重要判定指數(shù)，兩種燃氣互換時華白數(shù)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(shù)， kJ/ m3；Hh 為燃氣高位熱值， kJ/ m3 ；s 為燃氣相對密度。經(jīng)計算， 轉爐煤氣華白數(shù) 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(shù)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(shù)為2.8%?；旌媳壤?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(wěn)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(xiàn)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(chǎn)工藝要求。
3 管網(wǎng)脫柜保供運行試驗
首秦公司轉爐煤氣系統(tǒng)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(chǎn)狀態(tài)下， 各用戶煤氣使用量合計約3.7萬m3 / h。結合煉鋼系統(tǒng)20h停產(chǎn)檢修， 將轉爐煤氣柜與加壓機組有效斷開，氣柜脫網(wǎng)檢修， 新增煤氣混合站替代轉爐煤氣柜及 OG系統(tǒng)，與加壓機組串聯(lián)，接入轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)，進行連續(xù)供氣。
3.1保供狀態(tài)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(tài)合下站煤供氣出平量衡
因保新供增狀混態(tài)合下站煤供氣出平量衡少于正常生產(chǎn)狀態(tài)下的轉爐煤氣產(chǎn)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(chǎn)負荷狀態(tài)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(qū)低壓天然氣管網(wǎng)供氣。
通過實際運行試驗，轉爐煤氣柜脫網(wǎng)后，管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)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(wǎng)系統(tǒng)正常運行， 按用戶分級原則維持各用戶生產(chǎn)，轉爐煤氣柜離線檢修創(chuàng)造條件。
4 結語
根據(jù)首秦公司單座轉爐煤氣柜與煤氣管網(wǎng)串聯(lián)的結構特點，指出煤氣柜 “帶病” 運行是造成管網(wǎng)穩(wěn)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(wǎng)系統(tǒng)中與煤氣柜形成并聯(lián)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)，鋼包離線烘烤、 魚雷罐烘烤及套筒窯最低負荷正常生產(chǎn)。試驗證明，提高首秦公司轉爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的保供能力，解決了氣柜離線檢修時管網(wǎng)斷路與煤氣停供問題，為主工序正常生產(chǎn)提供了有效保障，為同類型鋼鐵企業(yè)提供借鑒意義。
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