煤氣柜在鋼鐵企業中的功能探索

（河鋼邯鋼集團有限公司邯寶能源中心，河北邯鄲 056015）

引言

在鋼鐵工業中，煤氣柜在鋼廠可用于調節生產過程中的煤氣供需平衡、緩解熱值波動、保障用能儲備，提供安全保障等，并逐漸成為鋼鐵企業不可缺少的關鍵能源設備之一，為煤氣合理利用發揮著重要作用。然而，鋼鐵行業節能減排壓力越加嚴重，為更加高效地利用煤氣這一主要能源，煤氣柜功能的進一步發揮仍值得深入探討。

1 煤氣柜的種類和傳統作用

1.1 煤氣柜的種類

煤氣柜有濕式煤氣柜和干式煤氣柜兩大類。濕式煤氣柜因壓力低、柜容小、存在水污染等因素，逐漸停止使用，下文不作介紹。

干式煤氣柜是為適應更大容量、更高壓力、快速存儲和吞吐煤氣需求而開發的，包括稀油密封的曼式柜、POS柜和橡膠膜密封的威金斯柜等。

曼式煤氣柜為筒狀直立多邊型結構，儲氣量由幾萬m3到20萬m3不等，儲存壓力一般為4～8 kPa。

POS 煤氣柜為圓形筒狀直立式結構，是曼式煤氣柜的改進設備，密封壓力更高，升降速度更快，儲氣量由幾萬m3到30 萬m3不等，儲存壓力一般為4～12 kPa。

威金斯煤氣柜為圓形筒狀直立式結構，內部安裝同活塞卷動升降密封橡膠，儲氣量由幾萬m3到15萬m3不等，儲存壓力一般為2～4 kPa。

煤氣柜升降快速化是煤氣柜柜型的選擇，如近年來新建高、焦煤氣柜，均不選擇曼式柜，而選用POS柜。

1.2 煤氣柜的傳統作用

鋼鐵生產過程中面臨著幾個矛盾：煤氣生產連續，用戶檢修存在放散；用戶要求相對連續，轉爐煤氣回收的時間只有約15～18 min，不能滿足連續用戶要求；生產過程中熱值不穩而用戶要求相對穩定，如轉爐煤氣熱值在5434～7524 kJ/m3波動，而用戶要求一般波動不超過836 kJ/m3。煤氣柜可以很好地緩解以上矛盾。

(1)儲存煤氣。煤氣柜容積越大，儲存煤氣量越大，緩解富余煤氣功能越強，越利于儲存功能的發揮。儲存的煤氣在煤氣緊張時送出來，發揮儲存功能，在煤氣富余時將煤氣儲存起來，起到合理利用煤氣功能。在資金和位置允許的條件下，盡可能選擇大容量煤氣柜。高、焦爐煤氣柜容量由原來的5萬m3或8 萬m3，增 加 至10 萬m3、20 萬m3甚 至30 萬m3，轉爐 煤氣柜由 原 來的3 萬m3、5 萬m3或8萬m3，增加至10萬m3或15萬m3。

(2)穩定管網壓力。煤氣柜與煤氣主管網聯通，可穩定管網壓力，也可直接為用戶穩定壓力，如某鋼廠將煤氣柜設于CCPP 發電機組入口以穩定壓力。

(3)管網安全保障。煤氣柜的一項重要功能，就是在煤氣生產突然中斷時，作為保安手段保證管網正壓，既避免出現煤氣管網煤氣短缺失壓出現爆炸風險，又避免短期煤氣中斷事故恢復后對生產造成長期影響（注：煤氣安全規定，煤氣主管網一旦停用煤氣，重新恢復使用時需吹掃置換，達到使用條件后才能繼續使用。）

2 影響煤氣柜功能的因素

煤氣柜是活塞結構，決定了煤氣柜是一種定壓設備，煤氣壓力高于氣柜的壓力才能充柜，低于氣柜壓力才能排柜。另外，還必須受活塞安全運行速度的限制。煤氣柜要發揮緩沖調節作用，受管網壓力高低、氣柜容積、生產指揮和操作、生產節湊等諸多因素影響。

(1)管網壓力高且煤氣柜滿。在生產過程中，煤氣過剩，煤氣柜充滿后管網壓力仍然高于煤氣柜壓力，這種情況下，煤氣柜不能發揮作用。

(2)管網壓力低且煤氣柜低。在生產過程中，存在煤氣不足，煤氣柜降至最低位后，管網壓力仍然低于煤氣柜壓力，煤氣柜也不能發揮作用。

(3)管網煤氣壓力的高低與氣柜吞吐不同步。煤氣柜多數情況下是在生產指揮下運行，而不是按照氣柜的容量與管網適時同步運行，即未真正達到煤氣柜與管網壓力協同動作：管網壓力高于煤氣柜壓力時充柜，管網壓力低于煤氣柜壓力降柜，而是人為干預煤氣柜的運行。

(4)管網壓力的高低與氣柜吞吐能力不同步。大用戶用量的變化需要煤氣柜及時將其變化量消納，而實際上一般高爐煤氣柜最大容量30 萬m3，小時消納能力約8～10 萬m3，焦爐煤氣柜20 萬m3，小時消納能力約6～8萬m3，不能滿足大用戶在較長時間負荷變化及不同用戶突然同時增減煤氣及時消納的需求。

(5)氣柜儲量與煉鋼生產、用戶使用不同步。煉鋼會出現兩座轉爐同時回收和一座轉爐回收煤氣情況，有時又有兩座轉爐均較長時間不能回收煤氣，若煤氣柜調配不好，必然出現影響煤氣回收和使用的情況。

3 煤氣柜功能挖掘

煤氣利用要求適應生產多樣化、檢修不浪費及使用穩定均衡等需求，除煤氣生產和用戶進行適當調整外，要求煤氣柜來盡可能解決煤氣產供不協調等問題，故而需煤氣柜發展大型化、快速化、智能化。

煤氣柜的智能化，就是通過自動化技術，根據用戶及生產需求，更快、更方便地適時調節，減少人為手動不及時等影響，這是值得探索的方向。

3.1 氣柜自動運行

為避免氣柜受生產、操作等影響，若能將氣柜的運行適時與煤氣管網壓力相結合，就能最大限度地發揮作用，為此開發氣柜功能如下。

(1)壓力同步。在氣柜的正常升降區域范圍內，讓氣柜運行與煤氣管網壓力協調同步運行。即實現氣柜出入口閥門常開，管網壓力與氣柜壓力相對穩定。

(2)速度同步。讓氣柜運行速度與管網壓力同步，保持氣柜運行速度在正常運行范圍內，氣柜入口閥門開度與氣柜升降速度形成聯鎖動作，即管網與氣柜壓力差小時，氣柜入口閥門開度增大，管網與氣柜壓力差大時，氣柜入口閥門開度減小，實現氣柜升降速度與閥門開度大小相匹配，從而實現氣柜在相對較高的運行速度運行，保證較高的運行效率。

(3)經驗同步。根據管網壓力高低與氣柜設計壓力，按運行經驗分級設定閥門開度，并將其編入程序，具體見表1。

(4)安全同步。安全同步優于壓力同步。該同步主要作用是保氣柜在安全范圍內運行（即氣柜在管網壓力低時不著床，在管網壓力高時不冒頂）：當管網壓力高時保氣柜安全，即實現管網壓力高，氣柜高位時，氣柜入口閥門關，不充柜；盡管管網壓力低但氣柜仍在低位時，氣柜入口閥門關，不排柜；在氣柜充、排柜達到氣柜高或低限時，報警，達到高高或低低限時，自動停止充或排柜。

表1 10 Pa氣柜壓力閥門控制表

(5)完善安全保護模式。增加升降速度保護，確保氣柜運行安全。一是運行速度控制，在自動程序中增加氣柜升降速度與閥門開度對應控制模式，以保證氣柜升降在允許范圍內。二是油位控制，在氣柜密封油位設報警和低限保護，達到低限油位，氣柜停止運行。三是在氣柜油位差增加保護，油位差達到一定數值時，限制運行速度，直至關閉氣柜出入口閥門。四是CO 泄漏檢測，在氣柜活塞的CO 泄漏由原來的四點檢測增加至八點檢測，并設置一點超標，停運氣柜的安全模式。

3.2 縮小影響煤氣柜運行因素

(1)減少用戶影響。做到避免用戶集中檢修，避免同時大量用氣和同時減少用氣，盡可能將各用戶的大小量用氣均開，達到減少煤氣壓力波動的目的。

(2)減少檢修影響。做到煤氣大用戶與煤氣產生點同步檢修，避免兩個以上用戶同時檢修，加強設備管理，減少或避免煤氣用戶的設備事故等。

(3)減少品種影響。煤氣用戶多數為軋鋼用戶，其用量受品種影響大，如大規格、厚規格、寬規格用量大，小規格、薄規格、窄規格用量小。因此在生產中應盡可能將各軋鋼用戶大小、厚薄及寬窄規格間隔錯開生產，以減少煤氣用量波動。

3.3 調節用戶的壓力自動跟蹤功能

調節用戶的用量和調節能力，是煤氣利用效率高低的關鍵。在實現煤氣柜自動與管網壓力同步運行的基礎上，通過調節用戶的燃燒專家系統（如發電機組鍋爐的自動燃燒系統），使其煤氣量根據管網煤氣壓力高低情況自動增減。如高爐煤氣壓力為6～8 kPa 時，不增減煤氣量和鍋爐負荷；高于8 kPa 時自動增加煤氣量，鍋爐加負荷，風系統根據煙氣中CO 和氧含量及爐膛負壓自動調整，當壓力低于8 kPa 時停加負荷；當壓力低于6 kPa 時自動減少煤氣，鍋爐自動減負荷，當壓力高于6 kPa 時停減負荷。焦爐煤氣與之相近。轉爐煤氣沒有單獨進鍋爐，而是根據回收和用戶情況，自動摻入高爐煤氣管網中。

為保證轉爐煤氣管網正常壓力在12～14 kPa，可當轉爐煤氣管網壓力高于14 kPa 時，開大轉爐煤氣調節閥開度，增加混入高爐煤氣管網量，直至轉爐煤氣管網壓力低于14 kPa。

3.4 峰谷發電與煤氣柜同步

河北省2019 年峰段電價0.78 元/kWh，尖峰段0.88 元/kWh，谷段電價0.34 元/kWh，故需增加峰段調節用戶用量，以增加峰段發電量，減少谷段調節用戶用量，以減少谷段發電量。在安全生產保障的前提下，煤氣柜在自動運行程序中增加峰谷充排柜限制，即峰段時間內管網壓力高時也不充柜，谷段時間內管網壓力低時也不排柜，其效益非常可觀。

增加峰谷調節手段，即高爐煤氣在谷段運行壓力由原來8～12 kPa 提升至9～13 kPa，焦爐煤氣在谷段運行壓力由原來的4～6 kPa 提升至5～7 kPa，這樣減少谷段發電量，增加谷段氣柜充柜。高爐煤氣在峰段運行壓力由原來8～12 kPa 降低至7～11 kPa，焦爐煤氣在峰段運行壓力由原來的4～6 kPa降低至3～5 kPa，這樣增加峰段氣柜外送量，增加峰段發電。

另外，因峰段有兩個時間段，中間間隔一個平段，在平段也按谷段增加充柜。

氣柜自動運行程序編入峰谷平段時間：在峰谷段時間內，增加峰段不允許充柜，除非高爐煤氣壓力高于16 kPa和焦爐煤氣壓力高于8 kPa，且持續時間在3min以上才允許充柜；同樣增加谷段不允許排柜，除非高爐煤氣壓力低于6 kPa 和焦爐煤氣壓力低于2 kPa，且持續時間在3 min 以上才允許排柜。這樣讓電廠鍋爐調節用戶來調節管網壓力，以實現增加峰谷發電目的。

4 效益評估

按照500 萬噸鋼鐵聯合企業，配套焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、熱軋及冷軋全系統，高爐煤氣柜30 萬m3、焦爐煤氣柜20 萬m3、轉爐煤氣柜15 萬m3考慮，配套三臺套260 t/h 鍋爐及60 MW 高溫高壓發電機組，若實現以上所有的煤氣柜功能，并考慮峰谷時間，每天兩次充排柜，高爐煤氣柜按每天40 萬m3吞吐能力、焦爐煤氣柜每天20 萬m3吞吐能力，僅四個月峰谷發電差所創造的效益可達1600多萬元。

5 結語

總之，挖掘煤氣柜功能，實現煤氣柜自動運行，與調節用戶相結合，與管網壓力相匹配，不僅可以平衡管網壓力，又可提高用氣效率，優化峰谷發電，創造可觀的效益。