冶金业高炉煤气运用

高炉煤气是高炉炼铁的副产品,煤气成分以N2、CO2和CO为主,其特点是含尘量大、不易着火、燃烧不稳定、热值低,一般为3000~3800kJ/m3(见表1),产出波动大,尤其是高炉休风或发生待料的时候。高炉煤气的主要用户是高炉热风炉、焦炉、电站锅炉以及燃用高焦混合煤气的轧钢加热炉等。由于高炉煤气的热值较低,一般企业在煤气平衡不好时首先选择放散高炉煤气,因此高炉煤气放散率一般作为衡量一个企业煤气平衡措施和水平的标志[1]。表2为近几年我国重点统计钢铁企业副产煤气利用情况[2],由于炼铁产能的增加,高炉煤气产量逐年增多,高炉煤气利用情况不容乐观。

2高炉煤气在钢铁厂的应用

高炉煤气因热值低、含尘含水量大、压力波动大等因素在钢铁企业中难以适应生产需要,大部分钢铁厂除高炉热风炉、焦炉等用户使用外,剩余的大量煤气被白白地放散掉,但在先进钢铁企业,高炉煤气除满足生产设备的加热外,很大一部分用于发电或产生蒸汽。表3为近几年我国宝钢高炉煤气的利用情况,可以看出,高炉煤气放散逐年减少,2004年宝钢高炉煤气有60.89%用于各种工业炉窑加热,35.00%用于电站锅炉发电,放散率仅为0.13%,远远低于全国平均水平。日本新日铁高炉煤气43%用于各种工业炉窑加热,57%用于发电;焦炉煤气80%用于工业炉窑加热,20%用于发电;转炉煤气64%用于工业炉窑加热,36%用于发电。放散均为零,煤气再利用率约为100%[3]。烧纯高炉煤气锅炉发电技术、燃气-蒸汽联合循环发电机组和高温蓄热式燃烧技术的研制成功并在钢铁企业中的广泛应用,为高炉煤气的有效利用提供了很好的途径。如作为世界首台大容量单烧低热值高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环机组在宝钢的建成,使宝钢每年被放散约20余亿m3高炉煤气得到有效利用,不仅解决了大型钢铁联合企业的煤气平衡问题,而且对环境保护起到了积极的作用。

2.1纯烧高炉煤气锅炉发电技术

锅炉燃烧高炉煤气,是钢铁企业中利用大量低热值高炉煤气进行发电的一项新技术,在不影响锅炉安全运行的情况下,可通过调整发电负荷来增减高炉煤气的使用量,既有效地利用了高炉煤气资源,作为缓冲用户又能及时地调整煤气管网的压力波动。首钢应用烧纯高炉煤气锅炉发电技术以来,每年生产蒸汽57.6×104t,发电4320×104kW•h,节约17.6×104t标准煤,综合年效益在4000万元以上。目前,国内主要有杭州锅炉厂、江西锅炉厂、无锡锅炉厂生产此类锅炉,有130~220t/h高温高压电站锅炉机组。此技术已在鞍钢、马钢、武钢、沙钢、梅钢、安钢等企业广泛使用。

2.2燃气蒸汽联合循环发电

燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP)其工作原理是除尘后的低热值煤气(高炉煤气)与空气混合后在汽轮机的燃烧室燃烧,产生高温高压气体推动透平机组做功、发电;高温气体再进入余热锅炉产生蒸汽,推动蒸汽轮机做功、发电。另外,富余的转炉煤气、焦炉煤气也可供低热值煤气热电联供发电,进行综合利用,以提高发电效率。该技术是当前世界上热电转换效率较高的用于钢铁行业副产煤气发电的系统,一般由高炉煤气或混合煤气供给系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统和发电机组系统组成,与常规锅炉发电机组相比,CCPP热电转换效率提高近10个百分点,可达45%以上(见表4),使发电成本大为降低,具有显著的节能效果、较好的经济效益和环境效益。目前在宝钢、通钢、济钢都已投入生产,鞍钢的CCPP也正在建设,预计2007年可投入使用。

2.3高温蓄热室燃烧技术(HTAC)

高温空气蓄热燃烧技术(HTAC)是一项全新的燃烧技术,亦称为无焰燃烧技术,具有高效烟气回收和高温预热空气及节能效果十分明显等多重优越性。它的特征是烟气热量被最大限度地回收,实现了超高温(助燃空气被预热到1000℃以上)、超贫氧浓度(燃料在低氧浓度)下燃烧,做到了燃料化学能的高效利用和燃烧产物的低NOx排放。它从根本上提高了加热炉的能源利用率(热效率提高了85%),既减少了钢铁企业富余高炉煤气的放散,又节约了能源,是满足当前资源和环境要求的先进技术。近几年,蓄热式火焰炉发展迅猛,我国已经建成、投产或正在新建的蓄热式火焰炉已达200多座。

3提高高炉煤气利用的措施

低热值高炉煤气的特点是可燃成分低,燃烧不稳定,燃烧温度低,烟气量大。火焰稳定直接关系到燃烧的安全性,对低热值煤气一般都采用稳定强化燃烧的措施,如富化高炉煤气或采用换热器对高炉煤气和助燃空气双预热等。

3.1富化高炉煤气

炼铁过程中产生的大量高炉煤气也作为高炉热风炉的燃料使用,一般占到煤气产量的40%左右。然而,随着高炉入炉焦比的降低,高炉煤气的热值已降到3300kJ/m3以下[4],显然,如果不采取其它附加措施,用此高炉煤气获得高风温是不大可能的。为了获得高风温,国内外基本上采用富化高炉煤气的办法,即掺烧一部分高热值煤气(如焦炉煤气、转炉煤气等)以获得高风温。宝钢2#高炉掺烧转炉煤气、鞍钢部分高炉掺烧焦炉煤气均以获得高风温来满足生产。

3.2采取双预热,提高高炉煤气利用率

在高炉煤气不被预热的条件下,很难满足工业加热要求,因而大量的高炉煤气因无法使用被放散。如果对这些低热值煤气及其助燃空气进行预热,完全可以满足工业加热的高温要求,这不仅可以节约大量的燃料,而且可以减少对大气环境的污染,扩大了低热值煤气的应用范围[5]。耗能设备(如加热炉、热处理炉等)的燃料利用系数指的是遗留于炉内的热量(有效热与炉子热损失的和)与供给炉子的燃料燃烧热量之比,或在热工设备中,物料得到的有效能和设备的热损失之和与燃料的燃烧热之比叫做燃料的利用系数[6]。可见,燃料和空气预热,能够提高燃料利用系数,如果回收利用高温烟气进行空气和高炉煤气预热,则可提高高炉煤气的利用系数,使低热值高炉煤气得到更为广泛的应用。

4结论

(1)高炉煤气是清洁的气体燃料,在先进钢铁企业全部被回收再利用,提高高炉煤气利用率,优化钢铁厂能源结构,实现钢铁企业煤气的零排放是节能的方向之一。

(2)高炉煤气除作为加热燃料供钢铁厂使用外,还能用于发电等其它用途,利用好这部分副产能源不仅能降低企业的能源消耗,还将改善钢铁企业对周边环境的污染。

(3)通过高炉煤气富化及助燃空气、煤气双预热等手段能够提高高炉煤气的利用效率,克服高炉煤气热值低、燃烧困难等问题,增加高炉煤气用量,减少高炉煤气放散。