燃氣資源梯級利用研究與實踐

冀佩璇，羅秀文

（1.呼和浩特中燃武川縣子公司；2.呼和浩特中燃城市燃氣發(fā)展有限公司，呼和浩特 010000）

企業(yè)在建廠初期沒有投入焦爐設(shè)備，煤氣生產(chǎn)主要包括轉(zhuǎn)爐煤氣和高爐煤氣。轉(zhuǎn)爐煤氣熱值為 7 300 kJ/m3，高爐煤氣設(shè)置為3 150 kJ/m3，都屬于低熱值煤氣。由于生產(chǎn)工藝要求，需要選擇高熱值天然氣作為燃料，這樣就可以開展魚雷罐烘烤、熱處理爐升溫加熱等生產(chǎn)工藝。該企業(yè)外購天然氣主要采用管道輸送方式，該天然氣屬于優(yōu)質(zhì)氣體燃料，低位發(fā)熱值為33 000 kJ/m3。

1 企業(yè)燃氣情況分析

1.1 天然氣消耗

2017年，該企業(yè)噸鋼天然氣消耗量為5.76 kg，能源消耗比較高。遷鋼天然氣消耗量為0.67 kg[1]。該企業(yè)中間包、鋼包、魚雷罐以及真空室都需要使用天然氣作為燃料，通過與其他同類企業(yè)交流得知，我國多數(shù)鋼鐵企業(yè)都采用轉(zhuǎn)爐煤氣或者高爐煤氣烘烤工藝，只有少數(shù)企業(yè)采用天然氣作為燃料。使用天然氣烘烤用能設(shè)備會顯著增加能源消耗量，極大浪費了天然氣能源[2]。

1.2 轉(zhuǎn)爐煤氣回收率低

該企業(yè)2017年噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收率為107 m3，熱值超過7 000 kJ/m3，遷鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收率比較高，并且可以有效降低煤氣中一氧化碳含量，滿足回收標準，噸鋼水平大于116 m3，熱值小于7 000 kJ/m3。其他同類企業(yè)在回收轉(zhuǎn)爐煤氣時只確保氧氣體積分數(shù)達標即可，回收水平明顯高于該企業(yè)，但熱值明顯低于該企業(yè)。所以，該企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣數(shù)量損失比較大，并且熱量過剩。

2 轉(zhuǎn)爐煤氣替代天然氣分析

2.1 分析轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣互換性

由于轉(zhuǎn)爐煤氣熱值比較低，代替天然氣烘烤用能設(shè)備可以有效減少天然氣消耗量，所以該企業(yè)可以采用轉(zhuǎn)爐煤氣代替天然氣實現(xiàn)梯級利用效果。轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣互換主要包括熱負荷強度參數(shù)和火焰穩(wěn)定參數(shù)。在不更換燃燒器的條件下，將天然氣和轉(zhuǎn)爐煤氣進行替換時只需要確保兩者的熱負荷強度參數(shù)和火焰穩(wěn)定參數(shù)接近即可實現(xiàn)替換[3]?？梢酝ㄟ^燃燒勢能判斷火焰穩(wěn)定性，燃燒勢能主要反映燃燒速度對回火、離焰的影響，用CP表示。華白數(shù)可以作為熱負荷強度參數(shù)參考值，如式（2）所示。如果轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣密度、熱值不相同，只需要確保華白數(shù)相同即可。

式中，K為燃氣中氧含量修正系數(shù)；s為相對密度；φ(H2)、φ(CO)、∑φ(CmHn)、φ(CH4)為燃氣中不同成分的體積分數(shù)。

式中，H表示燃氣熱值。

通過對轉(zhuǎn)爐媒體成分、密度和熱值進行測量計算可知，轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒勢能為33.5，天然氣燃燒勢能為36.8，轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣華白數(shù)分別為6.0 MJ/m3、 52 MJ/m3。由計算結(jié)果能夠看出，在天然氣烘烤器上燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣無法獲得相同熱負荷，因此將轉(zhuǎn)爐煤氣替換為天然氣時需要將燃燒器進行更新升級。

2.2 明確置換量

為了確保燒烤效果一致性，在對設(shè)備進行改造時確保燒烤工藝和熱負荷一致。在改變?nèi)剂虾腿剂掀髦螅梢岳檬剑?）計算出燃料需求量。

式中，B''和B'分別為變更后和變更前燃料使用量；Q'為燃氣變更前低位發(fā)熱量；Q''為燃氣變更后低位發(fā)熱量；η'為變更前燃料利用系數(shù)；η''為變更后燃料利用系數(shù)。

燃料利用系數(shù)和燃料熱值會直接決定轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備，燃氣空燃比、燃料器以及余熱余能利用情況會對燃料利用系數(shù)造成影響。

3 轉(zhuǎn)爐煤氣烘烤改造效果分析

3.1 燃燒器選型分析

該企業(yè)所應用的烘烤設(shè)備為套筒燒嘴，該烘烤設(shè)備的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，煙氣燃燒具有較高的噴射速度，火焰適中。通過對該企業(yè)魚雷罐分析可知，該烘烤器屬于T 型套筒燒嘴，運行功率在2.75 MW。該設(shè)備只將調(diào)節(jié)閥門設(shè)置在天然氣口，沒有設(shè)置在助燃風末端。因此，無法通過烘烤器輸出功率對助風末端進行調(diào)整，這樣就降低了烘烤效率，導致天然氣能源浪費嚴重。

在實施改造之前，天然氣瞬時消耗量超過300 m3/h， 在實施改造后，為了確保烘烤效果相同，還是將T型套筒燒嘴作為轉(zhuǎn)爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為 3 MW。

作業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)爐煤氣壓力在5 kPa，熱值為6 250 kJ/m3， 助燃風機風量為3 000 m3/h，壓力為4.3 kPa。按照工業(yè)爐設(shè)計手冊中所規(guī)定的公式進行計算。轉(zhuǎn)爐煤氣流通面積為254 cm2，煤氣通道為Φ215 mm，轉(zhuǎn)氣燒嘴最大燃燒能力為1 795 m3/h；空氣流通面積為 314 cm2，空氣通道為Φ366 mm，空氣最大流量為 2 495 m3/h。燃燒器主要由調(diào)節(jié)閥、火焰監(jiān)視器、快切閥以及壓力表等設(shè)施組成，烘烤效果顯著，可以全面提升生產(chǎn)安全性。

3.2 現(xiàn)場烘烤試驗

在烘烤魚雷罐時采用轉(zhuǎn)爐煤氣燃料，內(nèi)襯升溫均勻平穩(wěn)，滿足烘烤曲線要求。魚雷罐大修烘烤確保在95 h 將內(nèi)襯從常溫條件下烘烤到1 000℃。首先需要在48 h 內(nèi)升溫到300℃，之后保溫6 h。大火升溫至600℃，升溫時間控制在15 h 以內(nèi)，同時保溫時間控制在3 h。最后通過大火烘烤升溫到1 000℃，保溫4 h[4-5]。為了對轉(zhuǎn)爐煤氣烘烤效果進行驗證，試驗期間應當確保溫度升高與烘烤曲線相同。由于該企業(yè)適用老式魚雷罐體，因此不能對包襯溫度進行監(jiān)測，此時可以通過罐體表面溫度監(jiān)測來判斷烘烤過程，如圖1所示。

圖1 烘烤過程罐體溫度上升曲線

經(jīng)過現(xiàn)場試驗后，將轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)定為600m3/h，助人空氣設(shè)置在845 m3/h，采用小火烘烤，其間罐體兩端溫度和中部溫度滿足溫升曲線，可以在48 h 內(nèi)將溫度升高到300℃。在大火烘烤過程中，將轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)定為1 500 m3/h，助人空氣設(shè)置在2 000 m3/h，其間罐體兩端溫度滿足溫升曲線，中部溫度升高緩慢，無法在48 h 內(nèi)升溫到1 000℃，如圖2所示。

圖2 烘烤過程煤氣與空氣流量

在對大火烘烤條件下的空燃配比進行優(yōu)化之后，不改變轉(zhuǎn)爐煤氣，將助燃空氣設(shè)置在1 800 m3/h，使煙氣產(chǎn)生量降低，避免其分散有效顯熱，使整個罐體都能夠充分吸收熱量，全面加強罐體烘烤效果。通過溫升曲線對罐體進行升溫處理，確保其滿足烘烤效果。

通過此次試驗研究結(jié)果可以看出，在烘烤魚雷罐時將轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料，具有顯著的效果，按照標準工藝要求，可以將罐體內(nèi)襯溫度升高到1 000℃，整個烘烤過程滿足生產(chǎn)標準。因此，使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備具有顯著效果。

3.3 提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收率

該企業(yè)轉(zhuǎn)爐吹煉期間，煙氣中一氧化碳體積分數(shù)大于30%，氧氣體積分數(shù)小于1.5%時即可回收煤氣。當一氧化碳體積分數(shù)小于30%，氧氣體積分數(shù)大于1.5%時，停止回收煤氣。在整個吹煉工藝中，為了確保魚雷罐設(shè)備烘烤轉(zhuǎn)爐煤氣充足，確保氧氣體積分數(shù)小于1.5%，適當降低轉(zhuǎn)爐煤氣回收中一氧化碳標準，以提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收率。

企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)備中最重要的就是套筒窯，該設(shè)備熱值最低要求在6 295 kJ/m3，通過降低一氧化碳回收標準，煤氣熱值應當大于套筒窯熱值最低要求。通過熱值在線分析儀降低一氧化碳回收標準，回收試驗的每級標準都進行跟蹤調(diào)查。結(jié)果顯示，在降低一氧化碳回收標準后，轉(zhuǎn)爐煤氣熱值明顯降低。

通過此次試驗可以看出，當一氧化碳體積分數(shù)小于20%，氧氣體積分數(shù)小于1.5%時，停止回收煤氣，此時煤氣熱值在在6 295 kJ/m3，屬于最佳回收范圍。延長轉(zhuǎn)爐煤氣回收時間，以有效提升煤氣回收率[6-7]。為了提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收率，必須對煤氣進行重新平衡處理，增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收量，以此滿足企業(yè)魚雷罐烘烤、鋼包離線烘烤、中間包在線烘烤燃料要求，使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應用到發(fā)電中，全面增強企業(yè)富余煤氣的發(fā)電能力[8]。通過替換改造后，該企業(yè)天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本也明顯減少。

4 結(jié)語

該企業(yè)中間包、鋼包、魚雷罐以及真空室都需要使用天然氣作為燃料，在對轉(zhuǎn)爐煤氣燒嘴和燒烤工藝進行優(yōu)化設(shè)計后，合理設(shè)置空燃配比，并按照溫升曲線可以將轉(zhuǎn)爐煤氣作為魚雷罐烘烤燃料，使該設(shè)備內(nèi)襯溫度達到1 000℃，整個烘烤過程滿足技術(shù)標準。在實施改造之前，天然氣瞬時消耗量超過300 m3/h，在實施改造之后，為了確保烘烤效果相同，還是將T型套筒燒嘴作為轉(zhuǎn)爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為3 MW。通過此次試驗可以看出，將天然氣替換為轉(zhuǎn)爐煤氣，可以有效充當魚雷罐、中間包、鋼包以及真空室烘烤工藝所需的燃料。對轉(zhuǎn)爐煤氣回收率進行試驗分析可得，當一氧化碳體積分數(shù)小于20%，氧氣體積分數(shù)小于1.5%時，停止回收煤氣，此時煤氣熱值在在6 295 kJ/h，屬于最佳回收范圍。使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應用到發(fā)電中，全面增強企業(yè)富余煤氣發(fā)電能力。通過替換改造后，該企業(yè)天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本明顯減少。因此，使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備具有顯著的效果，值得推廣應用到燃氣梯級利用中。