楊亞魁¹,朱光強¹

(1.武漢鋼鐵有限公司,湖北 武漢 430083)

摘 要:本文詳細闡述了7號高爐均壓煤氣回收系統設計特點、工藝流程和運行效果。對爐頂料罐煤氣排放回收時間進行了精確計算,為煤氣回收按照時間模式運行提供了依據,與不回收相比只增加了8.9s的上料時間;回收煤氣凈化部分對洗滌塔的工作原理進行了詳細介紹,回收過程中不會對煤氣管網造成壓力波動,并實現了洗滌水循環利用;該均壓煤氣回收系統煤氣回收率達到76%,平均每天可回收的煤氣量達66858Nm3,每年回收煤氣折算標準煤量為3052t,并減少粉塵排放約237t。

關鍵詞:高爐;均壓煤氣;回收;環保;濕法

高爐冶煉過程中,爐頂料罐放完一次料之后料罐內的含塵高爐煤氣通常直接排放大氣,該高爐煤氣含有大量 CO 和少量 H₂、CH₄ 等有毒、可燃性的混合氣體及灰塵,直接排放大氣對廠區尤其是高爐附近大氣環境造成了污染,也白白浪費了煤氣資源。

隨著低碳經濟的全球化趨勢和日益嚴峻的環保形勢,均壓煤氣的回收勢在必行。目前武鋼所有高爐都實現了均壓煤氣回收,其中8號高爐于2019年完成了干法均壓煤氣回收系統改造,6號高爐于2021年利用大修機會新增加了濕法均壓煤氣回收裝置,7號高爐在6號高爐均壓煤氣回收的基礎上做了適當改進,于2022年高爐大修期間也新增了濕法均壓煤氣回收裝置。兩座高爐運行均壓煤氣回收以來,使用效果良好,此技術在煉鐵廠進行了推廣,2023年完成了在4號高爐和5號高爐的在線新增改造。7 號高爐均壓煤氣回收系統是武鋼濕法均壓煤氣回收技術的典型代表,經2023年一年的運行,效果顯著, 實現了環保和經濟效益的雙豐收,本文以7號高爐 為例來介紹武鋼均壓煤氣回收系統。

1 高爐煤氣系統

7號高爐爐頂采用并罐無料鐘上料系統,高爐粗煤氣經爐頂的粗煤氣導出管、上升管、下降管后, 進入旋風除塵器進行粗除塵,粗除塵后的半凈煤氣進入環縫洗滌系統進行精除塵,經過精除塵后的凈煤氣余壓發電后進入煤氣管網。

2 爐頂均壓煤氣回收的設計

2.1 均壓煤氣回收爐頂工藝流程

稱量料罐的排壓回收過程如下:①料罐內的爐料向高爐排空之后,料流調節閥、下密封閥相繼關閉;②打開 DN500均壓煤氣回收閥;③料罐內的煤氣經過煤氣回收管道流向均壓煤氣回收塔,洗滌后的煤氣匯入 TRT 后煤氣管網,該過程依靠料罐內的壓力進行釋放直至回收結束;④回收閥關閉,打開放散閥,料罐與大氣連通,放散好后關閉放散閥,料罐排壓結束,可以接受主皮帶的物料。

料罐均壓煤氣回收過程的重點在第③步,即料罐內的煤氣釋放并回收。該回收過程可設置為時間模式或者壓力模式,如選時間模式,當設置的時間結束時,關閉 DN500 回收閥,回收 結束;如選壓力模式,當料罐內壓力降低到設定的壓力值時,關閉DN500回收閥,回收結束。

2.2 回收時間的確定

由于均壓煤氣回收過程需要在原有爐頂裝料時序中增加一段回收時間,而且不能影響爐頂正常的上料作業。因此,計算均壓煤氣回收過程所需的時間是首先要考慮的問題。

料罐內的煤氣釋放回收過程可細分為以下兩個階段:第一階段,處在臨界狀態之前的自然回收階段,料罐收閥打開前,料罐內煤氣壓力約 0.25MPa,回收閥后的煤氣管道經均壓煤氣回收塔直接與低壓煤氣管網相通,當回收閥剛打開的一小段時間料罐內煤氣以聲速穿過回收閥經回收管道向均壓煤氣回收塔方向流動,該階段時間t₁可以用公式(1) (2)來計算;第二階段,處在亞臨界狀態的自然回收階段,料罐內煤氣以亞聲速向回收塔流動,直至料罐內煤氣壓力略高于凈煤氣管網壓力,自然冋收階段結束,該階段時間t₂可以用公式(2)(3)來估算[1,2]。

t=t₁ +t₂ (4)

式中:t₁ 為罐內煤氣以聲速穿過回收閥時間,s; t₂ 為亞臨界狀態的自然回收時間,s;k絕 為絕熱系數,取值1.4;P罐為回收前料罐內煤氣絕對壓力, MPa;P管 為煤氣管網絕對壓力,MPa;V罐 為高爐料 罐容積及附屬管道等可計入料罐的容積,L;S管 為 煤氣回收管道有效截面積(考慮到管道長,彎頭多, 收縮系數α取0.5計算),mm2;τ 為充氣與放氣時間常數,s;T絕 為回收煤氣絕對溫度,K。

煤氣管網壓力約10kPa,考慮到煤氣管道系統安全、管道壓差以及放氣時間-壓力特性曲線所示排氣末期壓降趨緩,回收終了時爐頂料罐壓力宜略高于煤氣管網壓力,測算中此壓力取值30kPa,由以上算得回收時間t約為4.5s。

2.3 與不回收煤氣時爐頂上料時間的對比

與不進行均壓煤氣回收相比,時間上的差異主要體現在料罐煤氣排放環節。均壓煤氣回收投用前料罐煤氣排放時間環節有:開放散閥、煤氣放散、關放散閥;煤氣回收情況下回收至放散結束的時間環節有:開回收閥、回收時間t、關回收閥、開放散閥、殘余煤氣放散、關放散閥(上述涉及料罐煤氣排放的時間都可以上節公式測算),各項所用時間見表1。

采用時間模式均壓煤氣回收比不回收而直接放散每次排料增加8.9s爐頂上料時間。通過對上料程序適當優化該時間可以接受,不會對高爐正常上料或者趕料造成影響。根據計算情況在爐頂進行實踐,必要環節進行微調,圖1是根據料罐壓力變化繪制的料罐煤氣排放壓力曲線,各環節時間與計算過程基本吻合。

3 均壓煤氣回收凈化系統設計

3.1 回收煤氣凈化部分工藝流程

料罐內煤氣主要有兩個來源:一是來自于畢肖夫塔預洗滌段凈化煤氣,均壓時經均壓管道進入料罐;二是排料過程中置換爐料而上竄的粗煤氣。由于高爐煤氣凈化系統為濕法除塵,爐頂均壓煤氣溫度較低,排料過程中溫度只是稍微升高,故爐頂均壓煤氣回收方案選擇濕法洗滌塔比較合適。

爐頂兩個罐料的煤氣回收管道在回收閥后匯合在爐頂沿下降管下降,路由經過旋風除塵和畢肖夫塔進入均壓煤氣回收塔,凈化后的高爐煤氣匯入低壓凈煤氣管網,工藝流程見圖2 ^[3]。

3.2 煤氣凈化原理及設計參數

均壓煤氣回收塔進氣、出氣管徑為 DN700,進、出口閥門均采用電動蝶閥+封閉式電動插板閥的形式,正常生產回收煤氣時均保持常開狀態。均壓煤氣回收塔氣體進出方式采用頂進頂出,兼有重力除塵的特點。來自爐頂料罐煤氣經進氣口順著回收塔內中心煤氣導管向下流動,在塔體下部煤氣導管出口處一部分稍大的粉塵顆粒在慣性作用下與回收塔下部水面碰撞被吸收進入洗滌水;稍小一點的灰塵隨煤氣流在塔體下部中心導管末端進入回收塔體,由于回收塔直徑遠大于煤氣導管直徑,煤氣及灰塵流速明顯降低,煤氣中灰塵或飄浮、或上升,與洗滌塔中部噴嘴噴出的水霧相遇,灰塵與水霧相互碰撞、粘結、聚結增大,在自身重力作用下沉降到下部錐形集水斗,達到分離灰塵凈化煤氣的目的;帶水的煤氣在塔體內向上流動,與回收塔內布置的捕水層碰撞, 煤氣穿過捕水層流出塔體,最后匯入煤氣主管網,煤氣中水滴在捕水層團聚成液滴回流至回收塔下部集水斗。下部污水經排水管匯入畢肖夫高架流槽輸送至斜板沉淀池處理,處理的污泥進入料場利用。均壓煤氣回收塔供水由畢肖夫塔主管供水分出,與畢肖夫凈化煤氣系統一樣洗滌水循環利用。

3.3 煤氣回收過程對煤氣系統壓力的影響

爐頂料罐回收閥后管道直接與煤氣主管道相通,管道內壓力與主管網接近。回收閥剛打開的短時間內,均壓煤氣的初始流速及壓力較大,在臨界狀態之前,煤氣以聲速流出,持續時間約1~2s,在臨界狀態之后,煤氣流速降低,其回收過程類似于周期性氣體脈沖,正如圖3所示,該圖反映了回收塔運行過程中塔前進氣管道內壓力的周期性波動。由于回收管道及回收塔的緩沖作用,對煤氣外網產生的壓力波動可以忽略,與實踐中未見回收塔內壓力明顯波動一致。從圖中可以看出,煤氣回收時壓力波動峰值在30~40kPa,壓力升高時間與表1中回收時間吻合,其他時間壓力在10kPa左右,與管網壓力相一致,正常生產時水量在80~100 m³/h,回收塔集水斗液位隨回收的煤氣擊打水面而略有起伏。

4 生產運行情況及效益測算

202 2年底均壓煤氣回收系統與七號高爐大修同步投用,一次調試成功。2023年各參數  運行平穩,生產指標穩定,處理過的煤氣指標合格。

4.1 經濟效益計算

7號高爐料罐容積80m³,加上高壓狀態與料管直接連通的回收管道及其他比鄰空間,可回收總容積約90m³。料罐壓力250kPa(表壓),煤氣含塵濃度約10g/Nm³,溫度按50℃,時間模式下自然回收結束回收閥關到位時料罐壓力約為30kPa。根據理想氣體狀態方程 PV=nRT,可計算出單次回收的煤氣量為165Nm^3[4]。

正常情況下,高爐每天上料批數~135批,則每天回收煤氣次數 ~405 次,每天回收煤氣量 66858 Nm³。2023年回收煤氣量約2.37×107 Nm³,減排的粉塵量約237t。高爐煤氣標準煤折算系數按照1.286tce/萬 Nm³計,回收的均壓煤氣折算標準煤量約3052t。

4.2 回收率

武鋼7號高爐采用自然回收的工藝路線,有別于強制回收工藝。在強制回收工藝中,由于增加了氮氣源,增加了氮氣吹趕煤氣回收的過程,其回收率通常能夠達到90%以上,但其工藝復雜,增加了吹趕煤氣時間以及強制回收相關閥門動作時間,大大增加了爐頂上料壓力。自然回收工藝相對簡單,對高爐上料能力影響小,節省投資且維護成本低。在自然回收工藝中,料罐煤氣有三個去向,一是自然回收凈化輸出至管網的煤氣,二是回收結束料罐殘余煤氣放散至大氣的量,三是向料罐放入爐料時被驅趕出的煤氣。三項中只有回收至管網的煤氣有價值,經測算,自然回收工藝煤氣回收率達到76%。

5 結語

(1)料罐均壓煤氣回收實現了節能、環保的雙贏,符合雙碳目標下煉鐵碳減排技術的發展方向,不新增廢水、廢氣等污染物,減輕了對周圍環境的影響,值得推廣。

(2)目前均壓煤氣回收模式只是自然回收,仍有一部分煤氣排放到空氣中,回收率與強制回收模式相比偏低;均壓煤氣回收改造為強制回收模式,現有的回收和凈化系統均可以利用,只需少量改動并配套增加強制回收單元即可。制約因素解決之后,強制回收將是未來的發展方向。

(3)料罐回收閥打開的短時間內,煤氣流對管道及閥門有較大的沖刷力,管道、閥門、彎頭必須納入定期檢查的重點;隨著運行年限的延長,管道內積灰、積水、腐蝕情況需要評估。

參考文獻:

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[3] 胡學羽,王龍峰,劉孝清,等.一種高爐爐頂均壓煤回收裝置:2022210748875[P].2023-02-10.

[4] 郭大磊,張慶喜.武鋼8 號高爐料罐均壓煤氣回收設計及運行實踐[J].遼寧科技學院學報,2022,24(03):12 -14.