冶金業(yè)高爐煤氣運用

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1高爐煤氣的特點

高爐煤氣是高爐煉鐵的副產品,煤氣成分以N2、CO2和CO為主,其特點是含塵量大、不易著火、燃燒不穩(wěn)定、熱值低,一般為3000~3800kJ/m3(見表1),產出波動大,尤其是高爐休風或發(fā)生待料的時候。高爐煤氣的主要用戶是高爐熱風爐、焦爐、電站鍋爐以及燃用高焦混合煤氣的軋鋼加熱爐等。由于高爐煤氣的熱值較低,一般企業(yè)在煤氣平衡不好時首先選擇放散高爐煤氣,因此高爐煤氣放散率一般作為衡量一個企業(yè)煤氣平衡措施和水平的標志[1]。表2為近幾年我國重點統計鋼鐵企業(yè)副產煤氣利用情況[2],由于煉鐵產能的增加,高爐煤氣產量逐年增多,高爐煤氣利用情況不容樂觀。

2高爐煤氣在鋼鐵廠的應用

高爐煤氣因熱值低、含塵含水量大、壓力波動大等因素在鋼鐵企業(yè)中難以適應生產需要,大部分鋼鐵廠除高爐熱風爐、焦爐等用戶使用外,剩余的大量煤氣被白白地放散掉,但在先進鋼鐵企業(yè),高爐煤氣除滿足生產設備的加熱外,很大一部分用于發(fā)電或產生蒸汽。表3為近幾年我國寶鋼高爐煤氣的利用情況,可以看出,高爐煤氣放散逐年減少,2004年寶鋼高爐煤氣有60.89%用于各種工業(yè)爐窯加熱,35.00%用于電站鍋爐發(fā)電,放散率僅為0.13%,遠遠低于全國平均水平。日本新日鐵高爐煤氣43%用于各種工業(yè)爐窯加熱,57%用于發(fā)電;焦爐煤氣80%用于工業(yè)爐窯加熱,20%用于發(fā)電;轉爐煤氣64%用于工業(yè)爐窯加熱,36%用于發(fā)電。放散均為零,煤氣再利用率約為100%[3]。燒純高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術、燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組和高溫蓄熱式燃燒技術的研制成功并在鋼鐵企業(yè)中的廣泛應用,為高爐煤氣的有效利用提供了很好的途徑。如作為世界首臺大容量單燒低熱值高爐煤氣的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組在寶鋼的建成,使寶鋼每年被放散約20余億m3高爐煤氣得到有效利用,不僅解決了大型鋼鐵聯合企業(yè)的煤氣平衡問題,而且對環(huán)境保護起到了積極的作用。

2.1純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術

鍋爐燃燒高爐煤氣,是鋼鐵企業(yè)中利用大量低熱值高爐煤氣進行發(fā)電的一項新技術,在不影響鍋爐安全運行的情況下,可通過調整發(fā)電負荷來增減高爐煤氣的使用量,既有效地利用了高爐煤氣資源,作為緩沖用戶又能及時地調整煤氣管網的壓力波動。首鋼應用燒純高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術以來,每年生產蒸汽57.6×104t,發(fā)電4320×104kW•h,節(jié)約17.6×104t標準煤,綜合年效益在4000萬元以上。目前,國內主要有杭州鍋爐廠、江西鍋爐廠、無錫鍋爐廠生產此類鍋爐,有130~220t/h高溫高壓電站鍋爐機組。此技術已在鞍鋼、馬鋼、武鋼、沙鋼、梅鋼、安鋼等企業(yè)廣泛使用。

2.2燃氣蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電

燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電(CCPP)其工作原理是除塵后的低熱值煤氣(高爐煤氣)與空氣混合后在汽輪機的燃燒室燃燒,產生高溫高壓氣體推動透平機組做功、發(fā)電;高溫氣體再進入余熱鍋爐產生蒸汽,推動蒸汽輪機做功、發(fā)電。另外,富余的轉爐煤氣、焦爐煤氣也可供低熱值煤氣熱電聯供發(fā)電,進行綜合利用,以提高發(fā)電效率。該技術是當前世界上熱電轉換效率較高的用于鋼鐵行業(yè)副產煤氣發(fā)電的系統,一般由高爐煤氣或混合煤氣供給系統、燃氣輪機系統、余熱鍋爐系統、蒸汽輪機系統和發(fā)電機組系統組成,與常規(guī)鍋爐發(fā)電機組相比,CCPP熱電轉換效率提高近10個百分點,可達45%以上(見表4),使發(fā)電成本大為降低,具有顯著的節(jié)能效果、較好的經濟效益和環(huán)境效益。目前在寶鋼、通鋼、濟鋼都已投入生產,鞍鋼的CCPP也正在建設,預計2007年可投入使用。

2.3高溫蓄熱室燃燒技術(HTAC)

高溫空氣蓄熱燃燒技術(HTAC)是一項全新的燃燒技術,亦稱為無焰燃燒技術,具有高效煙氣回收和高溫預熱空氣及節(jié)能效果十分明顯等多重優(yōu)越性。它的特征是煙氣熱量被最大限度地回收,實現了超高溫(助燃空氣被預熱到1000℃以上)、超貧氧濃度(燃料在低氧濃度)下燃燒,做到了燃料化學能的高效利用和燃燒產物的低NOx排放。它從根本上提高了加熱爐的能源利用率(熱效率提高了85%),既減少了鋼鐵企業(yè)富余高爐煤氣的放散,又節(jié)約了能源,是滿足當前資源和環(huán)境要求的先進技術。近幾年,蓄熱式火焰爐發(fā)展迅猛,我國已經建成、投產或正在新建的蓄熱式火焰爐已達200多座。

3提高高爐煤氣利用的措施

低熱值高爐煤氣的特點是可燃成分低,燃燒不穩(wěn)定,燃燒溫度低,煙氣量大?；鹧娣€(wěn)定直接關系到燃燒的安全性,對低熱值煤氣一般都采用穩(wěn)定強化燃燒的措施,如富化高爐煤氣或采用換熱器對高爐煤氣和助燃空氣雙預熱等。

3.1富化高爐煤氣

煉鐵過程中產生的大量高爐煤氣也作為高爐熱風爐的燃料使用,一般占到煤氣產量的40%左右。然而,隨著高爐入爐焦比的降低,高爐煤氣的熱值已降到3300kJ/m3以下[4],顯然,如果不采取其它附加措施,用此高爐煤氣獲得高風溫是不大可能的。為了獲得高風溫,國內外基本上采用富化高爐煤氣的辦法,即摻燒一部分高熱值煤氣(如焦爐煤氣、轉爐煤氣等)以獲得高風溫。寶鋼2#高爐摻燒轉爐煤氣、鞍鋼部分高爐摻燒焦爐煤氣均以獲得高風溫來滿足生產。

3.2采取雙預熱,提高高爐煤氣利用率

在高爐煤氣不被預熱的條件下,很難滿足工業(yè)加熱要求,因而大量的高爐煤氣因無法使用被放散。如果對這些低熱值煤氣及其助燃空氣進行預熱,完全可以滿足工業(yè)加熱的高溫要求,這不僅可以節(jié)約大量的燃料,而且可以減少對大氣環(huán)境的污染,擴大了低熱值煤氣的應用范圍[5]。耗能設備(如加熱爐、熱處理爐等)的燃料利用系數指的是遺留于爐內的熱量(有效熱與爐子熱損失的和)與供給爐子的燃料燃燒熱量之比,或在熱工設備中,物料得到的有效能和設備的熱損失之和與燃料的燃燒熱之比叫做燃料的利用系數[6]。可見,燃料和空氣預熱,能夠提高燃料利用系數,如果回收利用高溫煙氣進行空氣和高爐煤氣預熱,則可提高高爐煤氣的利用系數,使低熱值高爐煤氣得到更為廣泛的應用。

4結論

(1)高爐煤氣是清潔的氣體燃料,在先進鋼鐵企業(yè)全部被回收再利用,提高高爐煤氣利用率,優(yōu)化鋼鐵廠能源結構,實現鋼鐵企業(yè)煤氣的零排放是節(jié)能的方向之一。

(2)高爐煤氣除作為加熱燃料供鋼鐵廠使用外,還能用于發(fā)電等其它用途,利用好這部分副產能源不僅能降低企業(yè)的能源消耗,還將改善鋼鐵企業(yè)對周邊環(huán)境的污染。

(3)通過高爐煤氣富化及助燃空氣、煤氣雙預熱等手段能夠提高高爐煤氣的利用效率,克服高爐煤氣熱值低、燃燒困難等問題,增加高爐煤氣用量,減少高爐煤氣放散。