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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)計鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣利用情況[2],由于煉鐵產(chǎn)能的增加,高爐煤氣產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)設(shè)備的加熱外,很大一部分用于發(fā)電或產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組和高溫蓄熱式燃燒技術(shù)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(lián)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(lián)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(shù)

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(shù),在不影響鍋爐安全運行的情況下,可通過調(diào)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(diào)整煤氣管網(wǎng)的壓力波動。首鋼應用燒純高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)以來,每年生產(chǎn)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(nèi)主要有杭州鍋爐廠、江西鍋爐廠、無錫鍋爐廠生產(chǎn)此類鍋爐,有130~220t/h高溫高壓電站鍋爐機組。此技術(shù)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(lián)合循環(huán)發(fā)電

燃氣-蒸汽聯(lián)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(chǎn)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(chǎn)生蒸汽,推動蒸汽輪機做功、發(fā)電。另外,富余的轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣也可供低熱值煤氣熱電聯(lián)供發(fā)電,進行綜合利用,以提高發(fā)電效率。該技術(shù)是當前世界上熱電轉(zhuǎn)換效率較高的用于鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)煤氣發(fā)電的系統(tǒng),一般由高爐煤氣或混合煤氣供給系統(tǒng)、燃氣輪機系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、蒸汽輪機系統(tǒng)和發(fā)電機組系統(tǒng)組成,與常規(guī)鍋爐發(fā)電機組相比,CCPP熱電轉(zhuǎn)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(jīng)濟效益和環(huán)境效益。目前在寶鋼、通鋼、濟鋼都已投入生產(chǎn),鞍鋼的CCPP也正在建設(shè),預計2007年可投入使用。

2.3高溫蓄熱室燃燒技術(shù)(HTAC)

高溫空氣蓄熱燃燒技術(shù)(HTAC)是一項全新的燃燒技術(shù),亦稱為無焰燃燒技術(shù),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(xiàn)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(chǎn)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(shù)。近幾年,蓄熱式火焰爐發(fā)展迅猛,我國已經(jīng)建成、投產(chǎn)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)爐煤氣等)以獲得高風溫。寶鋼2#高爐摻燒轉(zhuǎn)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(chǎn)。

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(shè)備(如加熱爐、熱處理爐等)的燃料利用系數(shù)指的是遺留于爐內(nèi)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(shè)備中,物料得到的有效能和設(shè)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(shù)[6]。可見,燃料和空氣預熱,能夠提高燃料利用系數(shù),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(shù),使低熱值高爐煤氣得到更為廣泛的應用。

4結(jié)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(jié)構(gòu),實現(xiàn)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(chǎn)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。