高爐煤氣的回收利用與平衡

張克弢

（天津鋼鐵集團有限公司生產技術部，天津300301）

1 引言

就我國目前的能源構成而言，煤氣是鋼鐵聯合企業最重要的氣體燃料，而高爐煤氣在氣體燃料中占相當大的比重。天鋼2012年全年共消耗氣體燃料88.0483萬t標準煤，而僅高爐煤氣就消耗了71.5363萬t標準煤，占氣體燃料總耗量達81.25%。高爐煤氣是企業的副產煤氣，由于其使用量大、用戶停產波及面廣等特點，使得高爐煤氣用氣緊張時，只能直接或間接的通過緩沖用戶來消耗大量天然氣等外購氣源的方式來維持生產。在鋼鐵行業進入微利時代，能源消費成為各企業降低生產成本的有效突破口，因此，高爐煤氣的供需平衡是生產穩定的基礎，煤氣資源的合理有效利用對公司的能源效益有著重要的影響。

2 高爐煤氣的性質

高爐是冶金生產中燃料的巨大消費者，高爐燃料的熱量約有60%轉移到高爐煤氣中。在高爐內，由風口吹入的熱風使焦炭燃燒，生成大量的一氧化碳，鼓風所帶入的水蒸氣與焦炭發生反應生成氫氣和一氧化碳。由于鐵、錳、硅、磷等氧化物直接還原生成一部分一氧化碳，因而煤氣在由下向上沿著料柱間隙上升的過程中，其一氧化碳量也逐漸增加。同時，部分碳酸鹽分解放出的二氧化碳與碳作用生成一氧化碳。在軟化半融區上部及塊狀區，鐵礦石還原消耗部分一氧化碳而生成二氧化碳，而煤氣中的氫與碳作用生成少量的甲烷。鼓風中的氮氣不發生反應，仍以氮氣狀態存在于生成氣中，只是在煤氣量增加時其相對含量有所降低。

高爐煤氣的成分見表1[1]。

高爐煤氣是無色、無味的可燃氣體，發熱量為3.35～4.19 MJ/m3，約合 800～1000 kcal/m3，理論燃燒溫度為1400～1500℃，著火點為700℃左右。作為高爐冶煉過程中的副產煤氣，其特點是熱值低、產氣量大，與空氣混合爆炸的范圍（體積分數）在40%～70%，其成分中的氮氣和二氧化碳會使人喘息和窒息，而一氧化碳是有毒成分，也使得高爐煤氣極易造成人體中毒。因而，無法燃用的高爐煤氣必須經過點火燃燒后方可放散到大氣當中。

表1 高爐煤氣的主要組成（體積分數） /%

3 高爐煤氣的回收與利用

高爐產生的粗煤氣首先進入軸流旋風除塵器，通過旋風的作用去除顆粒較大的粉塵，使含塵量由10 g/m3降到2.25 g/m3。然后進入比肖夫洗滌系統，在預凈化段噴嘴噴出水簾的作用下，粉塵顆粒落入水箱，排到煤氣清洗水處理系統，當煤氣進入凈化段，由于構件頂部噴射水和氣流產生很強的喘動，使得細微的塵粒和硫等物質與水一同被收集到集水箱，在降低含硫量的同時，使含塵量由2.25 g/m3驟降到5 mg/m3。然后煤氣進入脫水器，在葉片的作用下使氣流產生動力，將氣流中的水滴甩到內壁上進行脫水，而后進入TRT。當TRT投入運行，高爐煤氣在經過環縫洗滌塔時，洗滌塔不再調節煤氣壓力，而是利用其壓力能（大于100 kPa壓力）投入到透平膨脹機使其作功，并將這部分能量進行回收用來發電，達到節能的目的。當TRT檢修時，煤氣則經過TRT的旁通閥組進入捕滴器。捕滴器可以將氣體中過多的水霧成分分離，從而提高可燃氣體的純凈度，增加氣體效能，避免高爐煤氣因含水量過大導致氣體性能下降甚至影響燃燒利用的效果，經過捕滴器處理后的煤氣即可送入高爐煤氣管網。高爐煤氣回收工藝見圖1。

圖1 高爐煤氣回收工藝

高爐煤氣進入管網后，即可供予各用戶使用，但由于管網空間布局及用戶地域性的差異，在實際生產中，當管網煤氣壓力波動時，中厚板加熱爐等末端用戶所受影響更加明顯。為保證中厚板軋制的連續性，可在其原有的基礎上適當調低其煤氣低壓自動切斷值。

以煤氣用氣量的角度而言，高爐煤氣的主要用戶為熱風爐、鍋爐和軋鋼廠的加熱爐。在表2中可知，高爐熱風爐及其煤粉制備均為高爐煤氣單一用戶，而軋鋼各加熱爐則可混入轉爐煤氣、鍋爐可加入天然氣，但受管道承載能力和燒嘴性能的限制，轉爐煤氣和天然氣均無法完全替代高爐煤氣來維持加熱爐和鍋爐的正常生產，二者只可替換少部分的高爐煤氣，因而保證高爐煤氣的正常供給，仍是穩定公司生產的重中之重。

表2 高爐煤氣用戶與緩沖用戶

4 高爐煤氣的平衡

高爐煤氣的平衡分為動態平衡和靜態平衡。靜態平衡主要是以計劃為主，將某一時期內高爐煤氣的產生量和使用量，結合該階段的生產計劃、檢修計劃等影響因素，制定預測性的平衡。動態平衡是指高爐煤氣的流量、熱值、壓力因生產過程的變化而相應波動，而在實際生產中，由于高爐內爐況的波動和物料的變化，管網中高爐煤氣的壓力和熱值也隨之變化，進而使得各煤氣用戶的消耗量時刻發生著動態變化。

4.1 動態平衡

煤氣用戶在某一階段內對其加熱所需的熱量是一定的，當煤氣的熱值發生動態變化時，用戶對煤氣的需求量也隨之變化，二者產生相應的反比例關系。而高爐的煤氣產生量也是時刻變化的，這種供應量與需求量不斷變化，則會引起煤氣管網壓力的波動，從而給生產帶來一定的負向影響。當煤氣不足時，必然要限制一部分煤氣用戶的生產；煤氣盈余時，又將有大量的煤氣被放散，浪費了燃料，也污染了環境。煤氣管網壓力的波動也使工藝生產的熱工制度得不到保證，既影響產品質量，又增加產品單位熱耗，有時甚至引起爆炸和跑冒煤氣事故，威脅企業的安全生產。為了解決供與需的矛盾，就需要高爐煤氣柜來緩解煤氣供應和使用量的波動，保持系統的穩定和平衡。高爐煤氣柜與煤氣用戶相同，都是以子用戶的形式與高爐煤氣的管網相連，這樣當煤氣的管網壓力高于煤氣柜的設計壓力（由煤氣柜的配重決定）時，煤氣就進入煤氣柜儲存；當煤氣管網壓力較低時，煤氣柜中的煤氣則補入管網，從而使高爐氣柜起到以余補欠的作用。

公司現有一座10萬m3和一座16.5萬m3高爐煤氣柜，初始設計為手動進出口閥，由于人工的滯后性，只能將該閥設定某一特定開度值，在一定程度上削弱了煤氣柜的調節作用。經過一段時間的經驗總結，利用設備檢修的機會將該閥改為自動閥后，該閥即可根據管網中的煤氣壓力自動調整閥的開度，使得煤氣柜穩定和平衡系統煤氣的調節作用更為突出。當高爐煤氣用戶的瞬時用量大于煤氣產氣量時，煤氣柜可以起到在短時間內向管網補充煤氣和穩壓的作用，而當產氣量大于用戶用量，煤氣柜又處于高柜容運行時，則需采用剩余煤氣放散裝置來穩定管網壓力，避免管網的過度充壓，它是建立在煤氣產氣量超過消耗量基礎上的一種特定的穩壓措施，即通過改變放散壓力來達到調節管網的目的。

在一般情況下，鋼鐵企業都以電廠鍋爐車間或供熱鍋爐作為煤氣管網的緩沖用戶[2]，但鍋爐使用緩沖煤氣只可調節一些延續時間較長的波動，對于一些延續時間較短的波動只能通過煤氣柜來自行調節。而當高爐臨時休風或煤氣柜柜容較低時，則需煤氣用戶及時減少用氣量，甚至將其調至保火狀態，待煤氣系統回復正常供應量時再恢復生產。

4.2 靜態平衡

公司日常投入生產的1#2000 m3高爐和2#3200 m3高爐，瞬時產氣量之和約為80萬m3/h，就目前的生產節奏而言，可以滿足正常生產的需要，但在高爐休風期間，高爐煤氣用氣緊張的局面就凸顯出來。

從前述表2中各煤氣緩沖用戶的用氣結構可以看出，在平衡高爐煤氣用戶用量時，只有140 t/h鍋爐可真正作為高爐煤氣的緩沖用戶，在高爐煤氣用氣緊張時,可將天然氣替換部分高爐煤氣，而煉鋼廠修砌包間雖然也可用天然氣替換轉爐煤氣，進而以軋鋼廠各加熱爐多燃用轉爐煤氣的方式來節約高爐煤氣，但在高爐休風時轉爐的鋼產量勢必降低，相應的轉爐煤氣也會面臨產氣量不足的問題。公司現有兩座煤氣柜儲氣能力不足30萬m3，難以長時間彌補生產的需要，只能以精簡用戶的方式來平衡高爐煤氣，但高爐熱風爐、噴煤等單一高爐煤氣用戶，既無法用其它燃料代替高爐煤氣，也因其自身的重要性而要保證正常生產，因而只能以削減加熱爐的方式來滿足其它高爐煤氣用戶的需求，這不僅影響了軋鋼的生產節奏，在鋼材市場較好時也損失了產品的經濟效益。

隨著新建石灰窯和煤氣發電項目等新用戶的投產，高爐煤氣的用氣量將隨之增大，在煤氣系統緩沖能力不足的條件下，如何詳實準確地做好煤氣平衡和對供需矛盾的應急處理就顯得尤為重要。在滿足煤氣用戶要求的同時，還要考慮煤氣使用的經濟合理性等綜合因素，通過產品的經濟效益與天然氣等外購氣源的消費成本對比，來確定煤氣平衡方案，盡可能地提高煤氣的使用價值。另外，還需要深挖煤氣用戶自身的節能潛力，通過對燒嘴等燃燒器的設備改造、設定合理的空燃比等手段，進一步優化配置高爐煤氣，從點滴處節約煤氣資源。

5 結語

由于市場環境的不斷惡化，鋼鐵企業要想實現可持續發展，擺脫未來的能源價格上漲給企業生產帶來的不利影響，必須將管理節能與技術節能并進，加大節能減排的力度，盡可能地減少外購能源消耗，降低能源費用，科學調配公司自產的高爐煤氣等二次能源，對降低能源成本以提高企業的市場競爭力具有非常重要的意義。

[1]陳紅萍，王勝春．煤氣基礎知識[M]．北京：化學工業出版社，2008：9．

[2]鋼鐵企業燃氣設計參考資料編寫組．鋼鐵企業燃氣設計參考資料（煤氣部分）[M]．北京：冶金工業出版社，1978：37．