某鋼廠富余煤氣消納和蒸汽梯級利用優(yōu)化

劉偉

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900）

前言

某鋼廠2020年12月底，第4座高爐計(jì)劃投入使用，但與之配套的《富余煤氣高效利用發(fā)電項(xiàng)目》的計(jì)劃投產(chǎn)時(shí)間為2021 年11 月，兩者投產(chǎn)的時(shí)間差約為11個(gè)月。根據(jù)全廠煤氣平衡情況，在此期間將有約12 萬m3/h 高爐煤氣富余，根據(jù)此鋼廠《含鐵資源及副產(chǎn)品回收價(jià)格體系》，高爐煤氣回收成本為0.1 元/m3,如不采取相應(yīng)措施任其放散，放散損失約9 500 萬元（作業(yè)時(shí)間按7 920 h 計(jì)算），也會對環(huán)境產(chǎn)生污染，有悖于現(xiàn)階段能源價(jià)格日益增長、節(jié)能減排、綠色發(fā)展、生態(tài)發(fā)展的時(shí)代主題。

另外，四高爐投產(chǎn)距今僅有7個(gè)月的時(shí)間，時(shí)間的緊迫性要求利用方案必須具有在短周期內(nèi)的可實(shí)施性。因此，有必要對現(xiàn)有的高爐煤氣利用技術(shù)及現(xiàn)有的全廠能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，制定經(jīng)濟(jì)合理可實(shí)施性強(qiáng)的技術(shù)方案，少投入、少改造、充分利用現(xiàn)有設(shè)施、盤活現(xiàn)有資源、協(xié)同中長期規(guī)劃，充分利用和消耗四高爐投產(chǎn)和煤氣發(fā)電投產(chǎn)空檔期間的富余煤氣，避免高爐煤氣放散，減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)有的高爐煤氣利用技術(shù)

高爐煤氣熱值較低，一般企業(yè)在煤氣不平衡時(shí)首先選擇放散高爐煤氣，因此高爐煤氣放散率一般被用作衡量一個(gè)企業(yè)煤氣平衡措施和水平的標(biāo)志[1]。在冶金工廠中，高爐煤氣的主要用戶是高爐熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、電站鍋爐以及燃用高焦混合煤氣的軋鋼加熱爐等[2]；還可以用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、高溫空氣蓄熱燃燒、富氧燃燒等。一些文獻(xiàn)提出可通過變壓吸附濃縮高爐煤氣，將CO 含量提高至65%～70%，然后作為高熱值燃料使用，甚至將CO含量濃縮至98.5%以上[3]，進(jìn)一步生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品。還有文獻(xiàn)提出，利用高爐煤氣中的CO 制取草酸二乙酯[4]，利用高爐煤氣制備甲醇[5],利用焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣制取合成氨[6]，利用焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣原料轉(zhuǎn)化制液化天然氣[7]。

綜上所述，高爐煤氣的利用技術(shù)共分兩種：作為燃料使用或?qū)ζ溥M(jìn)行深加工。上述現(xiàn)有的高爐煤氣利用技術(shù)，均因建設(shè)周期較長、投資較大、不能協(xié)同中長期規(guī)劃等，不能合理有效解決空檔期放散的高爐煤氣。故只能考慮與全廠蒸汽系統(tǒng)協(xié)同高效聯(lián)動(dòng)，消納富余的高爐煤氣。

2 全廠蒸汽系統(tǒng)

全廠蒸汽系統(tǒng)共分為3 個(gè)各自獨(dú)立的區(qū)域：鐵前區(qū)域、焦化區(qū)域、鋼軋區(qū)域，3 個(gè)區(qū)域間無管網(wǎng)連通，各區(qū)域用汽均由各自區(qū)域內(nèi)余熱資源產(chǎn)出的蒸汽供應(yīng)，富余蒸汽由區(qū)域內(nèi)設(shè)置的余熱發(fā)電站消納。全廠蒸汽系統(tǒng)汽源及余熱發(fā)電站參數(shù)詳見表1。

蒸汽在各單元內(nèi)自平衡，全廠蒸汽平衡現(xiàn)狀詳見表2。

經(jīng)對全廠蒸汽系統(tǒng)的研究，認(rèn)為現(xiàn)有全廠蒸汽系統(tǒng)主要存在以下問題：

（1）蒸汽不符合梯級利用的原則，存在高溫高壓低用現(xiàn)象，如鐵前區(qū)域用戶均為低壓用戶，壓力需求約0.3～0.4 MPa，現(xiàn)由燒結(jié)環(huán)冷鍋爐中壓蒸汽減壓后供應(yīng)。

（2）3 臺燒結(jié)環(huán)冷余熱鍋爐煙氣系統(tǒng)為直排設(shè)計(jì)，無煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，環(huán)冷煙罩漏風(fēng)率較大，產(chǎn)汽效率低，1#余熱發(fā)電站1#汽輪發(fā)電機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，2#汽輪發(fā)電機(jī)停運(yùn)，存在蒸汽缺口80 t/h。

（3）蒸汽系統(tǒng)參數(shù)不協(xié)同匹配，如鋼軋區(qū)域蒸汽系統(tǒng)汽源壓力參差不齊，當(dāng)煉鋼蓄熱器設(shè)定壓力較高時(shí)，軋鋼加熱爐所產(chǎn)蒸汽不能并入鋼軋區(qū)域管網(wǎng)，造成蒸汽放散，鋼軋區(qū)域蒸汽管網(wǎng)只能降壓至1.03 MPa運(yùn)行，降低了2#余熱發(fā)電站的效率。

表1 全廠蒸汽系統(tǒng)汽源及余熱發(fā)電站參數(shù)

表2 全廠蒸汽平衡現(xiàn)狀

（4）2#余熱發(fā)電站的1#汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行，2#發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)停運(yùn)，蒸汽存在缺口約60 t/h。

3 優(yōu)化的總體解決方案

經(jīng)過對全廠蒸汽系統(tǒng)的研究，為了消納上述空檔期全廠富余的約12 萬m3/h高爐煤氣，統(tǒng)籌考慮全廠富余煤氣和蒸汽系統(tǒng)的高效聯(lián)動(dòng)，遵循“少投入、少改造、盤活現(xiàn)有資源、協(xié)同中長期規(guī)劃”的原則，全廠蒸汽采取“高壓高溫高用、低壓低溫低用，壓力溫度對口、逐級使用，優(yōu)先滿足生產(chǎn)需要，富余部分發(fā)電”的梯級利用策略，對全廠蒸汽系統(tǒng)提出優(yōu)化的總體解決方案。

新建1套60 t/h（2.45 MPa，350℃）中壓過熱蒸汽燃?xì)忮仩t和1 套75 t/h（1.8 MPa）飽和蒸汽燃?xì)忮仩t，消納全廠富余的約12 萬m3/h 高爐煤氣，并將全廠蒸汽管道形成環(huán)網(wǎng)，實(shí)施及運(yùn)行方案如下。

2020 年12 月底前，新建1 套60 t/h（2.45 MPa，350℃）中壓過熱蒸汽燃?xì)忮仩t，通過新增的1 根蒸汽管道供至1#余熱發(fā)電站，供2 套發(fā)電機(jī)組發(fā)電－供1#發(fā)電機(jī)組48 t/h，減壓至1.5 MPa 供2#發(fā)電機(jī)組。新建1 套75 t/h（1.6 MPa）飽和蒸汽燃?xì)忮仩t，所產(chǎn)蒸汽供新建的2 套燃?xì)忮仩t除氧器使用約15 t/h，外供飽和蒸汽60 t/h，通過新增的1 根蒸汽管道專供2#余熱發(fā)電站的2#發(fā)電機(jī)組發(fā)電。同時(shí)預(yù)留新增的2 根蒸汽管道與現(xiàn)有蒸汽管道連通的手段，將鐵前、鋼軋、焦化三個(gè)區(qū)域連通，暫不投入使用。

2021年1月-2021年11月，上述60 t/h中壓過熱燃?xì)忮仩t投入使用，可消納高爐煤氣約5.7 萬m3/h，75 t/h飽和蒸汽燃?xì)忮仩t投入使用，可消納高爐煤氣約6.3 萬m3/h，2 套鍋爐共消納高爐煤氣12 萬m3/h，可減少和避免富余高爐煤氣的放散。

2021 年12 月，燃?xì)怆姀S投產(chǎn)，高爐煤氣不再富余。此時(shí)將全廠管網(wǎng)連通，全廠蒸汽管網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng)；隨著環(huán)保形勢的嚴(yán)峻，關(guān)停焦化單元4 套20 t/h燃?xì)忮仩t，其所消耗的6 500 m3/h 焦?fàn)t煤氣等熱值置換為3.5 萬m3/h高爐煤氣，供新建60 t/h 中壓過熱蒸汽燃?xì)忮仩t使用，此鍋爐降壓運(yùn)行，運(yùn)行壓力1.1～1.2 MPa，作為全廠蒸汽的調(diào)峰鍋爐使用；燒結(jié)環(huán)冷鍋爐所產(chǎn)蒸汽供1#余熱發(fā)電站發(fā)電；鐵前及焦化用低壓飽和蒸汽由全廠管網(wǎng)供應(yīng)，優(yōu)先滿足生產(chǎn)使用，全廠蒸汽富余部分進(jìn)3#余熱發(fā)電站發(fā)電；新建75 t/h飽和蒸汽鍋爐作為調(diào)峰鍋爐的備用鍋爐，此時(shí)全廠蒸汽平衡詳見表3。

改造前后的全廠蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)圖詳見圖1。

4 經(jīng)濟(jì)效益

參考當(dāng)?shù)氐脑O(shè)備及主材市場價(jià)，以及當(dāng)?shù)氐淖匀缓偷刭|(zhì)條件，新建中低壓燃?xì)忮仩t和蒸汽管網(wǎng)，噸蒸汽投資按40 萬元估算，新建1 套60 t/h 中壓過熱蒸汽燃?xì)忮仩t和1 套75 t/h 低壓飽和蒸汽燃?xì)忮仩t，工程總投資約5 400 萬元。

1#余熱發(fā)電站汽耗率約為5.5 kg/kWh,消納60 t/h蒸汽，發(fā)電功率約10.9 MW，扣除15%自耗電，外供電約9.3 MW。2#余熱發(fā)電站汽耗率約為7 kg/kWh，消納60 t/h 蒸汽（75 t/h 鍋爐扣除2 臺鍋爐除氧用蒸汽15 t/h）,發(fā)電功率約8.6 MW，扣除15%自耗電，外供電約7.3 MW。廠內(nèi)電價(jià)0.68 元/kWh,在2020 年12 月底至2021 年11 月間共約7 920 h。消納12 萬m3/h 的高爐煤氣利用現(xiàn)有設(shè)施發(fā)電可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約8 900 萬元。在收回工程投資5 400 萬元后，可減少經(jīng)濟(jì)損失3 500 萬元。

表3 2021年12月全廠蒸汽平衡

圖1 改造前后的全廠蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)圖

5 結(jié)語

通過研究某鋼廠現(xiàn)有全廠蒸汽系統(tǒng)、能源分布及蒸汽管網(wǎng)特征，結(jié)合目前及中長期規(guī)劃，采用梯級利用的原則，盤活和利用現(xiàn)有設(shè)施，對全廠蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，新建1套75 t/h低壓飽和蒸汽燃?xì)忮仩t和1套60 t/h中壓過熱蒸汽燃?xì)忮仩t，消納空檔期全廠富余的約12 萬m3/h高爐煤氣，可減少高爐煤氣放散的經(jīng)濟(jì)損失3 500 萬元，并避免煤氣放散造成環(huán)境污染，合理調(diào)配全廠蒸汽，減少不合理使用造成的?損失以及熱能品質(zhì)的貶值，使全廠蒸汽管網(wǎng)具備調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力，在一段時(shí)間范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全廠蒸汽系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。