姬抱平

（河钢集团邯钢公司能源中心，河北邯郸 056015）

前言

与国外钢铁企业相比，国内钢铁工业是以高炉－转炉流程为主的长流程结构，这种工艺要求使用煤炭作为铁矿石冶炼的还原剂和能源，其固有特性造成了钢铁生产过程中必须消耗大量的煤炭资源，同时伴随产生大量的二次能源（如煤气、废热等等）。煤炭在钢铁生产过程中经过能源转换后主要以煤气（高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气）、烟气废热、高温物料废热等二次能源形式输出，其中煤气资源占企业总能耗的40%左右[1]。钢铁企业加强煤气资源的综合利用，对减少不可再生资源消耗和缓解环境污染压力具有重要意义。

1 现状

某钢厂是一个以高炉－转炉流程为主的长流程结构的大型钢铁企业，在研究和应用二次资源综合利用技术方面投入了很多，实施了大量的二次能源回收利用技术项目，其中与煤气利用直接相关的项目包括：低热值高炉煤气燃料发电技术、转炉煤气高效回收利用专有技术、干式除尘高炉煤气中氯盐消除技术等等。这些技术的开发与利用，为企业转变发展方式、减少能源消耗、提高能源综合利用率提供了重要的技术和装备支撑，取得了显著成效，综合能耗指标实现了较大改善。随着能源管理的升级与完善，能源管控中心系统的开发与应用，为企业更加高效、科学地利用煤气资源和开展相关关键技术研究提供了基础保障。

2 总体技术方案

相对于具有实体形态的煤气利用设备设施，能源管控系统属于软科学技术。利用能源管控系统的综合评价技术优势，可以对大型企业内部能源流的综合利用水平和能源平衡做出最高效的分析和调控。通过能源管控系统对现有能源结构体系进行分析，同时对企业能源利用情况与国内先进水平进行对比，提出了能源科学、综合利用的发展规划，总体技术思路如下：

（1）借助于能源管理系统平台，对煤气资源进行调度和优化分配，消除煤气资源的不平衡利用状态，实现煤气的“近零”排放。

（2）开发大型煤气柜柜位控制技术，创新研究“峰段多发电、谷段少发电”的运行模式，充分利用峰谷平用电成本变化优势，实现分布式煤气发电机组创效最大化。

3 具体方案的实施

在副产煤气净化回收利用项目建设完成之后，副产煤气的利用率得到了较大提高，但是在工序间、整体煤气资源整合方面还存在问题，仍然有较大的提升空间。经过系统的数据分析调研，研究和开发了基于煤气资源化和高效化利用的一系列关键技术：完成了煤气新用户开发及分质供应、大型煤气柜柜位控制技术，高、焦、转三气动态调配技术、燃机纯低热值燃料应用技术、高炉煤气干法除尘技术、高炉煤气余压回收透平发电装置(Top Gas Pressure Recovery Turbine简称TRT)湿改干升级改造技术、高炉供风能源利用效率升级改造技术等多项技术创新，取得了良好效果。

3.1 优化两区煤气系统的动态调控

原来的煤气调控采用工序控制方式，富裕煤气用于发电，属于单点控制，存在东西区利用不平衡，个别时段出现放散的情况。针对此问题，利用转炉煤气柜动态缓冲功能和能源管控系统动态调控功能，最大限度消除炼钢转炉节奏的变化对转炉煤气回收的影响，提高转炉煤气回收率；同时，根据转炉煤气量的测算和能源管控系统数据分析，提出了利用管网+煤气柜柜容联合调整煤气使用的技术方案。

（1）提升两区煤气互调能力。对东西区高炉煤气管道、焦炉煤气管道联通管道实施改造，高炉煤气管道由DN1600增至DN3500，焦炉煤气管道由DN800增至DN1600，增加两区高、焦炉煤气互调能力，实现煤气利用率最大化。

（2）实施煤气分质供应。对煤气西部环管和三、七加压站进行改造，实现西部轧钢用煤气分热值供应，降低生产线混合煤气热值，以节省高热值焦炉煤气消耗。

（3）优化混合煤气使用方法。对钢后加压站进行改造，实现高、焦、转三种煤气混合后供给连轧、酸再生和常化炉生产线，灵活调配转炉煤气和焦炉煤气用户，增加了煤气平衡手段，并由此节约了焦炉煤气。

（4）开发转炉煤气新用户。先后开发了5#高炉、8#高炉和1#六万发电等新的转炉煤气用户，实现高、焦、转三种煤气各用户之间的平衡使用。

（5）合理调整柜容，优化发电方案。利用1×30万m3高炉煤气柜、1×12万m3焦炉煤气柜和2×8万m3转炉煤气柜的煤气充排能力，根据各气源工艺线生产节奏、日生产计划和发电电价，合理控制柜容、调整发电负荷，实行峰、谷、平煤气分段分量供应，实现发电机峰谷发电负荷和煤气峰谷储备量之间的协调供应和平衡，降低厂内电耗成本。

上述措施的实施，使转炉煤气回收量达到了历年来最好水平，吨钢回收转炉煤气147 m3，年回收转炉煤气7亿m3。通过新的平衡调控模式，满足了各煤气用户需求，同时，结余的煤气用于高效率的发电机组进行发电。副产煤气实现了零放散目标，形成煤气系统稳定、高效、科学、合理的新型运行模式。

3.2 低热值燃气轮机零值班燃料技术改造

燃气-蒸汽联合循环发电（Combined Cycle Power Plant简称CCPP）是钢铁企业高效利用煤气资源的重要方法，在不对外供热时，其发电效率可达40%～45%。日产M251S燃机投入运行后，需要依靠焦炉煤气值班燃料来维持发电机组燃烧系统的稳定运行，单机值班焦炉煤气消耗量350 m3/h，同时焦炉煤气中的萘、焦油易造成烧嘴堵塞导致频繁事故停机。根据钢铁企业燃机电厂运行数据统计分析，由于焦炉煤气问题引起的跳机比率达33%[2]。焦炉煤气已成为了燃气轮机在钢铁企业应用的瓶颈。

分析认为，启机过程中M251S燃机的值班焦炉煤气点火程序必不可少，因此值班管道及值班喷嘴不能取消；而使用隔离阀及调节阀切断值班燃料，会造成主燃料沿着值班喷嘴及环形管道回流，引发回火爆炸事故。

具体改进方案：通过对值班管道系统进行改进，现场增加高炉煤气吹扫阀、供应阀、切断阀、氮气密封阀、过滤器及节流孔板等工艺设备改造，使用压缩的高压主燃料流向值班环形管道及喷嘴，进而实现值班煤气切投，并有效避免了主燃料的回火爆炸问题。对应工艺管线改造，对控制系统也进行了相应的修改，重点修改了值班焦炉煤气与高压高炉煤气切换程序，通过程序控制实现了值班焦炉煤气向高炉煤气的正常切换。热值修订方面主要进行了主燃料显示热值大于实际热值修正、配风量修正和焦炉气热值修订等参数修正。通过技术改造实现了M251S燃气轮机的零值班运行，节约了焦炉煤气。

3.3 高炉煤气干法除尘技术创新

TRT发电装置利用高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，通过膨胀透平予以回收，驱动发电机发电。使用TRT装置可以显著地提高产量，并且将压力调节阀组释放的压力能和热能重新利用，减少废气和噪声对环境的污染。随着国家对环境和能效的日益重视，TRT装置良好的节能减排功效使其获得越来越广泛的应用。随着TRT技术研究的不断发展和进步，干法TRT发电因其技术优势逐渐得到推广应用。而对应于干法TRT发电机组，高炉煤气的干法除尘技术研究相应发展起来。

与湿法除尘相比，干法除尘具有水耗少、电耗小、煤气显热损失小、TRT发电能力高、占地小、污染少等优点。而随着国际料矿偏酸性趋势的形成，高炉煤气干法除尘后，煤气中含有大量的氯离子和硫分，后序工艺的防腐蚀问题成为行业关注的焦点。

结合各高炉工艺特点，采用了下进上出式低压长袋氮气脉冲干法布袋系统，开发了气流分布装置技术，有效防止了因气流分布不均造成布袋寿命缩短的问题，研发了全封闭气体输灰放灰技术、洗涤塔耐冲刷保护套技术、喷碱塔捕雾脱水装置技术、喷淋水pH值远程调控工艺及控制系统等一系列关键技术，实现了高炉干法除尘+TRT湿改干工艺技术的高效稳定运行，取得了良好的效果。

通过技术创新，在延长除尘器布袋使用寿命的同时，干法TRT较湿法TRT的发电量提高了20%～35%，每年增加发电量约2200万kW·h。

3.4 供风系统一拖二供风技术创新

根据能源管控系统数据分析，现有供风机组采用低参数蒸汽锅炉驱动鼓风机，供风效率偏低，而自发电系统却存在煤气不足问题。为此，提出了利用AV90风机供风1000 m3级高炉和一座2000 m3级高炉的设想。需要面对的主要问题是：一方面国内没有同类型供风方式经验，另一方面两座高炉要求风压、风量也不相同，工艺上实现难度比较大。

经过对AV90风机供风数据及性能曲线与两座高炉风压、风量核算，自主研究开发了一套一拖二供风系统和控制系统，对现有供风管网系统及程序实施改造，投运后效果良好。

通过供风方案的优化，实现了两台低效率的中温中压煤气锅炉及其配套鼓风机组停运备用，利用AV90风机同时供风两座高炉，在同等供风条件下，置换出13.5万m3/h高炉煤气用于燃气-蒸汽联合循环发电机组进行发电，煤气利用效率提高了15%，扣除电动风机用电，每年可创效约6800万元。

3.5 大型燃气轮机煤气回流回收技术

通过一系列的优化措施，实现了高炉煤气结余大约35万 m3/h。为了合理高效地利用好这部分煤气，经过充分调研和论证，决定采用目前效率最高的燃气-蒸汽联合发电机组来实现煤气的高效利用。因此，建设了一套150 MW燃气-蒸汽联合循环+热电联产发电机组。

该机组在启动过程中为了满足燃气轮机对煤气热值的要求，原设计工艺煤气经两级压缩机进行压缩，压缩后的煤气温度在250℃左右，初期产生的不满足燃机油-气切换要求的混合煤气需要进行放散处理，同时停机过程中为了降低高压煤气的回流冲击，也要进行放散处理，这就造成了大量煤气资源浪费，同时增加大气热污染。为此，采用了一种新型煤气回流冷却装置[3]。该装置可以有效地对燃气轮机启动和停机阶段放散的大量的煤气进行回收，解决放散煤气由于温度较高对系统管网的热应力冲击，并消除放散高压煤气对系统管网运行的安全威胁，保证其他生产用户的正常运行不受影响。利用该煤气回流冷却装置并配合煤气柜，实现了燃气轮机启停期间的煤气零放散，提高了煤气回收利用率，降低了环境污染，年可回收混合煤气50万m3左右，节能效果显著。

4 结语

通过一系列煤气资源综合利用关键技术的研究与应用，实现了钢铁企业煤气资源利用水平的新提升，推动了钢铁行业科学用能、精准调控、绿色发展等用能管理体系和科学技术体系的发展和完善。钢铁企业煤气资源的综合利用，为社会降低燃煤总耗量和控制雾霾做出了应有的贡献，经济效益和社会效益明显，具有广阔的推广前景，对发展循环经济、节能减排、推进国民经济快速健康发展具有重要应用价值和示范意义。