湛鋼煤氣回收利用技術(shù)實踐

張仕通，黃衛(wèi)超，鄧萬里

（1.寶鋼湛江鋼鐵能源環(huán)保部，廣東湛江 524000；2.寶山鋼鐵股份公司能源環(huán)保部，上海 200941）

引言

湛江鋼鐵有限公司（以下簡稱湛鋼）一期工程煤氣發(fā)生源主要有4 座焦?fàn)t（65 孔）、2 座高爐（5 050 m3）和3 座轉(zhuǎn)爐（350 t)；煤氣輸配系統(tǒng)有5 座煤氣柜、5個煤氣站、8套煤氣混合裝置、煤氣管網(wǎng)總長超過100 km；煤氣用戶50 多個，每年煤氣輸送體積量約150 億m3，占全廠所有輸送氣體總量的78%，煤氣系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。

煤氣是鋼鐵企業(yè)中寶貴的二次資源。湛鋼傳承寶鋼煤氣利用與減排技術(shù)路線主要有：轉(zhuǎn)爐煤氣柜雙柜運行系統(tǒng)技術(shù)、合成轉(zhuǎn)爐煤氣技術(shù)、高爐煤氣柜主副柜運行技術(shù)、煤氣分流分質(zhì)供應(yīng)技術(shù)、煤氣混合和加壓技術(shù)、能源中心實時監(jiān)控和信息管理技術(shù)等。

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整、生產(chǎn)流程優(yōu)化，煤氣發(fā)生、回收量顯著提升，要求采用更好的煤氣回收與利用技術(shù)，充分利用富余煤氣，有效控制投資，以優(yōu)化企業(yè)煤氣資源、降低能源消耗、減少二氧化碳排放。結(jié)合自身系統(tǒng)的變化，湛鋼對煤氣回收利用技術(shù)優(yōu)化和提升，開發(fā)并形成了相應(yīng)的技術(shù)。

1 轉(zhuǎn)爐煤氣智慧儲運

1.1 3座轉(zhuǎn)爐柜并列自動運行

湛鋼2021年配套三高爐項目，為滿足轉(zhuǎn)爐煤氣回收需求，新增1 座12 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜，形成3 座轉(zhuǎn)爐煤氣柜系統(tǒng)，如圖1 所示。在沒有國內(nèi)外經(jīng)驗可借鑒的情況下，為了實現(xiàn)3 座轉(zhuǎn)爐柜并列自動運行，3 號柜出口設(shè)置有調(diào)節(jié)閥和切斷閥，與原1、2 號柜壓力形成5 個不同的壓力等級，通過不同柜容下的壓力差和控制相關(guān)閥門的開閉，控制煤氣的走向，湛鋼首創(chuàng)并建成了3 座轉(zhuǎn)爐煤氣柜并列自動運行系統(tǒng)。為減少3 號柜的并入對原1、2 號柜運行控制方式的影響，3 座柜并列運行時，1、2 柜系統(tǒng)保持原有的運行控制方式不變，3 號柜根據(jù)柜位變化自動控制入口閥、出口調(diào)節(jié)閥和出口切斷閥的狀態(tài)以實現(xiàn)3座柜自動并列運行。轉(zhuǎn)爐煤氣柜送出系統(tǒng)有1、2 號柜的主柜和3 號柜2 個，2 個送出系統(tǒng)的回流送到1、2號柜的主柜。

圖1 3座轉(zhuǎn)爐煤氣柜并列運行工藝圖

1.2 轉(zhuǎn)爐煤氣自動調(diào)節(jié)技術(shù)

轉(zhuǎn)爐煤氣的產(chǎn)消量受到生產(chǎn)設(shè)備工況的影響非常大，當(dāng)工況發(fā)生改變時，會發(fā)生大幅度的波動，表現(xiàn)出很強(qiáng)的時變性，很難對系統(tǒng)作出及時的調(diào)整，從而經(jīng)常導(dǎo)致煤氣柜滿放散，給煤氣產(chǎn)消量的準(zhǔn)確預(yù)測帶來很大的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)爐煤氣的回收過程、煤氣柜位、系統(tǒng)用量等潮流數(shù)據(jù)，通過控制模型計算出電廠轉(zhuǎn)爐煤氣混入量和聯(lián)網(wǎng)裝置調(diào)節(jié)量，改變控制系統(tǒng)的設(shè)定值來進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。另外，還可根據(jù)各加壓站出口壓力、轉(zhuǎn)爐煤氣回流流量、吹煉耗氧量、回收CO 含量等條件，進(jìn)行報警提示和限制性調(diào)節(jié)的安全操作。該技術(shù)的使用，減少了轉(zhuǎn)爐煤氣的不合理放散，在相當(dāng)程度上減輕了調(diào)度人員的負(fù)擔(dān)，起到了“智能控制”的作用。

2 焦?fàn)t煤氣綜合利用

湛鋼煤氣系統(tǒng)如圖2所示。按壓力和煤氣種類分為9個子系統(tǒng)，其中焦?fàn)t煤氣（COG）分為5個子系統(tǒng)：①低壓COG 子系統(tǒng)。低壓COG 經(jīng)煤氣精制后進(jìn)入主管網(wǎng)，由COG 儲氣罐和燃燒放散塔穩(wěn)壓，除與高爐煤氣（BFG）混合后供焦?fàn)t自用外，其余供向電廠、燒結(jié)、球團(tuán)等單元和各加壓站以及制氫站。②中壓COG子系統(tǒng)。低壓COG 由1GS 加壓后向高爐、煉鋼、石灰等單元供應(yīng)。③高壓COG 子系統(tǒng)。高壓COG 在3GS 脫硫和加壓后供應(yīng)煉鋼RH(真空脫氣設(shè)施)和連鑄、熱軋、厚板。⑦制氫子系統(tǒng)。將COG 加壓后進(jìn)行PSA(變壓吸附)制氫，氫氣經(jīng)球罐供向冷軋，制氫尾氣返回COG 儲氣罐。⑨制氫和天然氣子系統(tǒng)。將COG 雜質(zhì)脫除后，通過冷箱深處理，制取氫氣和天然氣。[1]

圖2 煤氣系統(tǒng)工藝流程

2.1 焦?fàn)t煤氣制取氫氣和天然氣

湛鋼依托東海島國家產(chǎn)業(yè)園區(qū)的優(yōu)勢，結(jié)合自身生產(chǎn)工藝特點，聯(lián)合中科煉化等周邊企業(yè)，著力提升能源使用效率。利用副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣中氫氣（～60%）和甲烷（～20%）含量高的特點，鋼廠焦?fàn)t煤氣優(yōu)先用于制取氫氣和天然氣。

鋼廠富余焦?fàn)t煤氣制氫氣和天然氣采用深冷分離技術(shù)，如圖2制氫和天然氣子系統(tǒng)⑨所示，管網(wǎng)焦?fàn)t煤氣首先經(jīng)過對除油、苯和萘等雜質(zhì)粗處理，再經(jīng)過加氫脫有機(jī)硫、脫二氧化碳等精處理后進(jìn)入冷箱深度分離。冷箱內(nèi)主要采用混合冷劑制冷工藝，通過制冷系統(tǒng)使富甲烷氣逐漸降溫、冷凝和過冷，再通過規(guī)整填料塔對富甲烷氣進(jìn)行分離，達(dá)到凈化原料氣液化分離并生產(chǎn)LNG 的目的；同時還有高壓富氫氣和低壓尾氣從冷箱排出，高壓富氫氣至PSA提氫單元用于生產(chǎn)氫氣。制取的氫氣除鋼廠內(nèi)部自用一部分外，大部分供給中科煉化；制取的天然氣主要用于鋼廠內(nèi)部對燃?xì)馐褂靡蟾叩墓ば?。實現(xiàn)燃?xì)庾顑?yōu)化、最高效率的利用。

2.2 制氫返回尾氣利用技術(shù)

焦?fàn)t煤氣制取氫氣和天然氣后，其尾氣中含有大量的萘等雜質(zhì)，同時含有大量的可燃?xì)庑詺怏w，如進(jìn)行放散同樣造成能源的浪費和環(huán)境的污染。但如供鋼廠軋鋼工序使用，將對其燃燒器燒嘴造成堵塞，嚴(yán)重時甚至影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為避免此部分尾氣的燃燒放散，結(jié)合鋼廠各工序燃?xì)馐褂锰攸c，在焦?fàn)t側(cè)開發(fā)利用與其他煤氣混合利用的技術(shù)。根據(jù)制氫產(chǎn)生的尾氣量定流量混入焦?fàn)t混合氣中，焦?fàn)t煤氣混合裝置在保持原來控制模式不變情況下，根據(jù)返回尾氣混入流量的大小、熱值和用戶熱值需求，調(diào)整原有混合煤氣的配比。在保證焦?fàn)t穩(wěn)定生產(chǎn)的同時，有效避免了能源的浪費和環(huán)境的污染。

3 高爐煤氣零伴燒放散

湛鋼一期高爐煤氣平均發(fā)生量約140 萬m3/h，1座高爐煤氣柜的柜容為30 萬m3，電廠1臺機(jī)組高爐煤氣使用量最大可達(dá)到30 萬m3/h，如果發(fā)生電廠故障跳機(jī)，高爐煤氣系統(tǒng)最大突發(fā)富余30 萬m3/h，煤氣柜扣除柜內(nèi)已有煤氣，其緩沖時間非常有限。所以為保證煤氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，通常高爐煤氣放散塔保持COG 點火伴燒狀態(tài)（俗稱長明燈），造成大量的煤氣放散損失。為減少能源浪費，對高爐煤氣放散塔改造成直燃式點火器，保證煤氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)高爐煤氣零伴燒。

直燃式點火器利用放散管自身放散的高爐煤氣經(jīng)催化后直接點燃火炬，放散時直接使用高爐煤氣點火，且即用即點，不再需要焦?fàn)t煤氣作為伴燒氣源。裝置主要由直燃式高空點火伴燒器、高能電弧發(fā)生器與高壓調(diào)理器、火焰檢測裝置、主控系統(tǒng)和點火電纜等設(shè)備組成。

4 煤氣加壓站雙回流

煤氣系統(tǒng)為提升設(shè)備運行效率，一套加壓系統(tǒng)對多個煤氣用戶，煤氣加壓系統(tǒng)檢修、故障狀態(tài)下需多個煤氣用戶停機(jī)配合，這時往往會影響工廠的物流平衡。煤氣加壓機(jī)系統(tǒng)通常采用回流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)來穩(wěn)定壓力。為滿足用戶對煤氣壓力需求，同時減少用戶煤氣用量少時加壓系統(tǒng)的回流量（降低加壓系統(tǒng)負(fù)荷），湛鋼煤氣加壓機(jī)系統(tǒng)出口壓力對回流調(diào)節(jié)閥和入口調(diào)節(jié)閥壓力分級設(shè)定（入口調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定略低于回流調(diào)節(jié)閥），以回流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)為主，入口調(diào)節(jié)為輔的控制方式。即當(dāng)用戶煤氣用量少，加壓系統(tǒng)出口壓力上升，由于入口調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力低于回流調(diào)節(jié)閥，入口調(diào)節(jié)閥先關(guān)小以減少加壓機(jī)輸出量，降低加壓系統(tǒng)負(fù)荷；同理，當(dāng)用戶煤氣用量增加，回流調(diào)節(jié)閥先關(guān)小直至全關(guān)（減少回流量），入口閥緩慢增大開度。同時，為避免入口調(diào)節(jié)閥開度過小加壓機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，入口調(diào)節(jié)閥設(shè)定最小開度值。

為解決單回流調(diào)節(jié)閥故障對多用戶的影響，有效、靈活地對回流調(diào)節(jié)閥的檢修、維護(hù)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性，湛鋼通過開發(fā)和改造，實現(xiàn)煤氣加壓系統(tǒng)雙回流控制技術(shù)。煤氣加壓機(jī)系統(tǒng)出口壓力控制保持以回流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)為主，入口調(diào)節(jié)為輔的控制方式不變，任意一套回流裝置出現(xiàn)故障異常時，故障異常回流裝置自動退出控制，另外一套回流裝置自動參與控制，有效避免了當(dāng)回流裝置出現(xiàn)異常時加壓機(jī)系統(tǒng)被迫退出運行的現(xiàn)象，提升設(shè)備運行的穩(wěn)定性。同時兩套回流裝置進(jìn)行分級控制，當(dāng)出口壓力與控制壓力偏差過大時，另外一套回流裝置自動參與控制，有效地避免了多用戶重疊波動而回流不足造成壓力波動。

5 結(jié)語

鋼鐵企業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，煤氣作為鋼鐵企業(yè)的重要二次資源。隨著能源供需關(guān)系的日益緊張，充分回收和利用副產(chǎn)煤氣成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗、減少排放的有效途徑。[2]湛鋼通過吸收和消納寶鋼股份寶山基地先進(jìn)的煤氣回收利用技術(shù)，同時結(jié)合自身的特點和優(yōu)勢，通過對新技術(shù)的利用和創(chuàng)新，形成3座轉(zhuǎn)爐煤氣柜并列自動運行、焦?fàn)t煤氣制取氫氣和天然氣、制氫返回尾氣利用、高爐煤氣放散塔零伴燒等技術(shù)，更好地利用了各種副產(chǎn)煤氣，減少煤氣放散，提升能源利用效率。