楊亞魁¹,朱光強¹

(1.武漢鋼鐵有限公司,湖北 武漢 430083)

摘 要:本文詳細(xì)闡述了7號高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)設(shè)計特點、工藝流程和運行效果。對爐頂料罐煤氣排放回收時間進(jìn)行了精確計算,為煤氣回收按照時間模式運行提供了依據(jù),與不回收相比只增加了8.9s的上料時間;回收煤氣凈化部分對洗滌塔的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹,回收過程中不會對煤氣管網(wǎng)造成壓力波動,并實現(xiàn)了洗滌水循環(huán)利用;該均壓煤氣回收系統(tǒng)煤氣回收率達(dá)到76%,平均每天可回收的煤氣量達(dá)66858Nm3,每年回收煤氣折算標(biāo)準(zhǔn)煤量為3052t,并減少粉塵排放約237t。

關(guān)鍵詞:高爐;均壓煤氣;回收;環(huán)保;濕法

高爐冶煉過程中,爐頂料罐放完一次料之后料罐內(nèi)的含塵高爐煤氣通常直接排放大氣,該高爐煤氣含有大量 CO 和少量 H₂、CH₄ 等有毒、可燃性的混合氣體及灰塵,直接排放大氣對廠區(qū)尤其是高爐附近大氣環(huán)境造成了污染,也白白浪費了煤氣資源。

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的全球化趨勢和日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢,均壓煤氣的回收勢在必行。目前武鋼所有高爐都實現(xiàn)了均壓煤氣回收,其中8號高爐于2019年完成了干法均壓煤氣回收系統(tǒng)改造,6號高爐于2021年利用大修機(jī)會新增加了濕法均壓煤氣回收裝置,7號高爐在6號高爐均壓煤氣回收的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)改進(jìn),于2022年高爐大修期間也新增了濕法均壓煤氣回收裝置。兩座高爐運行均壓煤氣回收以來,使用效果良好,此技術(shù)在煉鐵廠進(jìn)行了推廣,2023年完成了在4號高爐和5號高爐的在線新增改造。7 號高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)是武鋼濕法均壓煤氣回收技術(shù)的典型代表,經(jīng)2023年一年的運行,效果顯著, 實現(xiàn)了環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收,本文以7號高爐 為例來介紹武鋼均壓煤氣回收系統(tǒng)。

1 高爐煤氣系統(tǒng)

7號高爐爐頂采用并罐無料鐘上料系統(tǒng),高爐粗煤氣經(jīng)爐頂?shù)拇置簹鈱?dǎo)出管、上升管、下降管后, 進(jìn)入旋風(fēng)除塵器進(jìn)行粗除塵,粗除塵后的半凈煤氣進(jìn)入環(huán)縫洗滌系統(tǒng)進(jìn)行精除塵,經(jīng)過精除塵后的凈煤氣余壓發(fā)電后進(jìn)入煤氣管網(wǎng)。

2 爐頂均壓煤氣回收的設(shè)計

2.1 均壓煤氣回收爐頂工藝流程

稱量料罐的排壓回收過程如下:①料罐內(nèi)的爐料向高爐排空之后,料流調(diào)節(jié)閥、下密封閥相繼關(guān)閉;②打開 DN500均壓煤氣回收閥;③料罐內(nèi)的煤氣經(jīng)過煤氣回收管道流向均壓煤氣回收塔,洗滌后的煤氣匯入 TRT 后煤氣管網(wǎng),該過程依靠料罐內(nèi)的壓力進(jìn)行釋放直至回收結(jié)束;④回收閥關(guān)閉,打開放散閥,料罐與大氣連通,放散好后關(guān)閉放散閥,料罐排壓結(jié)束,可以接受主皮帶的物料。

料罐均壓煤氣回收過程的重點在第③步,即料罐內(nèi)的煤氣釋放并回收。該回收過程可設(shè)置為時間模式或者壓力模式,如選時間模式,當(dāng)設(shè)置的時間結(jié)束時,關(guān)閉 DN500 回收閥,回收 結(jié)束;如選壓力模式,當(dāng)料罐內(nèi)壓力降低到設(shè)定的壓力值時,關(guān)閉DN500回收閥,回收結(jié)束。

2.2 回收時間的確定

由于均壓煤氣回收過程需要在原有爐頂裝料時序中增加一段回收時間,而且不能影響爐頂正常的上料作業(yè)。因此,計算均壓煤氣回收過程所需的時間是首先要考慮的問題。

料罐內(nèi)的煤氣釋放回收過程可細(xì)分為以下兩個階段:第一階段,處在臨界狀態(tài)之前的自然回收階段,料罐收閥打開前,料罐內(nèi)煤氣壓力約 0.25MPa,回收閥后的煤氣管道經(jīng)均壓煤氣回收塔直接與低壓煤氣管網(wǎng)相通,當(dāng)回收閥剛打開的一小段時間料罐內(nèi)煤氣以聲速穿過回收閥經(jīng)回收管道向均壓煤氣回收塔方向流動,該階段時間t₁可以用公式(1) (2)來計算;第二階段,處在亞臨界狀態(tài)的自然回收階段,料罐內(nèi)煤氣以亞聲速向回收塔流動,直至料罐內(nèi)煤氣壓力略高于凈煤氣管網(wǎng)壓力,自然冋收階段結(jié)束,該階段時間t₂可以用公式(2)(3)來估算[1,2]。

t=t₁ +t₂ (4)

式中:t₁ 為罐內(nèi)煤氣以聲速穿過回收閥時間,s; t₂ 為亞臨界狀態(tài)的自然回收時間,s;k絕 為絕熱系數(shù),取值1.4;P罐為回收前料罐內(nèi)煤氣絕對壓力, MPa;P管 為煤氣管網(wǎng)絕對壓力,MPa;V罐 為高爐料 罐容積及附屬管道等可計入料罐的容積,L;S管 為 煤氣回收管道有效截面積(考慮到管道長,彎頭多, 收縮系數(shù)α取0.5計算),mm2;τ 為充氣與放氣時間常數(shù),s;T絕 為回收煤氣絕對溫度,K。

煤氣管網(wǎng)壓力約10kPa,考慮到煤氣管道系統(tǒng)安全、管道壓差以及放氣時間-壓力特性曲線所示排氣末期壓降趨緩,回收終了時爐頂料罐壓力宜略高于煤氣管網(wǎng)壓力,測算中此壓力取值30kPa,由以上算得回收時間t約為4.5s。

2.3 與不回收煤氣時爐頂上料時間的對比

與不進(jìn)行均壓煤氣回收相比,時間上的差異主要體現(xiàn)在料罐煤氣排放環(huán)節(jié)。均壓煤氣回收投用前料罐煤氣排放時間環(huán)節(jié)有:開放散閥、煤氣放散、關(guān)放散閥;煤氣回收情況下回收至放散結(jié)束的時間環(huán)節(jié)有:開回收閥、回收時間t、關(guān)回收閥、開放散閥、殘余煤氣放散、關(guān)放散閥(上述涉及料罐煤氣排放的時間都可以上節(jié)公式測算),各項所用時間見表1。

采用時間模式均壓煤氣回收比不回收而直接放散每次排料增加8.9s爐頂上料時間。通過對上料程序適當(dāng)優(yōu)化該時間可以接受,不會對高爐正常上料或者趕料造成影響。根據(jù)計算情況在爐頂進(jìn)行實踐,必要環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào),圖1是根據(jù)料罐壓力變化繪制的料罐煤氣排放壓力曲線,各環(huán)節(jié)時間與計算過程基本吻合。

3 均壓煤氣回收凈化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 回收煤氣凈化部分工藝流程

料罐內(nèi)煤氣主要有兩個來源:一是來自于畢肖夫塔預(yù)洗滌段凈化煤氣,均壓時經(jīng)均壓管道進(jìn)入料罐;二是排料過程中置換爐料而上竄的粗煤氣。由于高爐煤氣凈化系統(tǒng)為濕法除塵,爐頂均壓煤氣溫度較低,排料過程中溫度只是稍微升高,故爐頂均壓煤氣回收方案選擇濕法洗滌塔比較合適。

爐頂兩個罐料的煤氣回收管道在回收閥后匯合在爐頂沿下降管下降,路由經(jīng)過旋風(fēng)除塵和畢肖夫塔進(jìn)入均壓煤氣回收塔,凈化后的高爐煤氣匯入低壓凈煤氣管網(wǎng),工藝流程見圖2 ^[3]。

3.2 煤氣凈化原理及設(shè)計參數(shù)

均壓煤氣回收塔進(jìn)氣、出氣管徑為 DN700,進(jìn)、出口閥門均采用電動蝶閥+封閉式電動插板閥的形式,正常生產(chǎn)回收煤氣時均保持常開狀態(tài)。均壓煤氣回收塔氣體進(jìn)出方式采用頂進(jìn)頂出,兼有重力除塵的特點。來自爐頂料罐煤氣經(jīng)進(jìn)氣口順著回收塔內(nèi)中心煤氣導(dǎo)管向下流動,在塔體下部煤氣導(dǎo)管出口處一部分稍大的粉塵顆粒在慣性作用下與回收塔下部水面碰撞被吸收進(jìn)入洗滌水;稍小一點的灰塵隨煤氣流在塔體下部中心導(dǎo)管末端進(jìn)入回收塔體,由于回收塔直徑遠(yuǎn)大于煤氣導(dǎo)管直徑,煤氣及灰塵流速明顯降低,煤氣中灰塵或飄浮、或上升,與洗滌塔中部噴嘴噴出的水霧相遇,灰塵與水霧相互碰撞、粘結(jié)、聚結(jié)增大,在自身重力作用下沉降到下部錐形集水斗,達(dá)到分離灰塵凈化煤氣的目的;帶水的煤氣在塔體內(nèi)向上流動,與回收塔內(nèi)布置的捕水層碰撞, 煤氣穿過捕水層流出塔體,最后匯入煤氣主管網(wǎng),煤氣中水滴在捕水層團(tuán)聚成液滴回流至回收塔下部集水斗。下部污水經(jīng)排水管匯入畢肖夫高架流槽輸送至斜板沉淀池處理,處理的污泥進(jìn)入料場利用。均壓煤氣回收塔供水由畢肖夫塔主管供水分出,與畢肖夫凈化煤氣系統(tǒng)一樣洗滌水循環(huán)利用。

3.3 煤氣回收過程對煤氣系統(tǒng)壓力的影響

爐頂料罐回收閥后管道直接與煤氣主管道相通,管道內(nèi)壓力與主管網(wǎng)接近?；厥臻y剛打開的短時間內(nèi),均壓煤氣的初始流速及壓力較大,在臨界狀態(tài)之前,煤氣以聲速流出,持續(xù)時間約1~2s,在臨界狀態(tài)之后,煤氣流速降低,其回收過程類似于周期性氣體脈沖,正如圖3所示,該圖反映了回收塔運行過程中塔前進(jìn)氣管道內(nèi)壓力的周期性波動。由于回收管道及回收塔的緩沖作用,對煤氣外網(wǎng)產(chǎn)生的壓力波動可以忽略,與實踐中未見回收塔內(nèi)壓力明顯波動一致。從圖中可以看出,煤氣回收時壓力波動峰值在30~40kPa,壓力升高時間與表1中回收時間吻合,其他時間壓力在10kPa左右,與管網(wǎng)壓力相一致,正常生產(chǎn)時水量在80~100 m³/h,回收塔集水斗液位隨回收的煤氣擊打水面而略有起伏。

4 生產(chǎn)運行情況及效益測算

202 2年底均壓煤氣回收系統(tǒng)與七號高爐大修同步投用,一次調(diào)試成功。2023年各參數(shù)  運行平穩(wěn),生產(chǎn)指標(biāo)穩(wěn)定,處理過的煤氣指標(biāo)合格。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益計算

7號高爐料罐容積80m³,加上高壓狀態(tài)與料管直接連通的回收管道及其他比鄰空間,可回收總?cè)莘e約90m³。料罐壓力250kPa(表壓),煤氣含塵濃度約10g/Nm³,溫度按50℃,時間模式下自然回收結(jié)束回收閥關(guān)到位時料罐壓力約為30kPa。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRT,可計算出單次回收的煤氣量為165Nm^3[4]。

正常情況下,高爐每天上料批數(shù)~135批,則每天回收煤氣次數(shù) ~405 次,每天回收煤氣量 66858 Nm³。2023年回收煤氣量約2.37×107 Nm³,減排的粉塵量約237t。高爐煤氣標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)按照1.286tce/萬 Nm³計,回收的均壓煤氣折算標(biāo)準(zhǔn)煤量約3052t。

4.2 回收率

武鋼7號高爐采用自然回收的工藝路線,有別于強制回收工藝。在強制回收工藝中,由于增加了氮氣源,增加了氮氣吹趕煤氣回收的過程,其回收率通常能夠達(dá)到90%以上,但其工藝復(fù)雜,增加了吹趕煤氣時間以及強制回收相關(guān)閥門動作時間,大大增加了爐頂上料壓力。自然回收工藝相對簡單,對高爐上料能力影響小,節(jié)省投資且維護(hù)成本低。在自然回收工藝中,料罐煤氣有三個去向,一是自然回收凈化輸出至管網(wǎng)的煤氣,二是回收結(jié)束料罐殘余煤氣放散至大氣的量,三是向料罐放入爐料時被驅(qū)趕出的煤氣。三項中只有回收至管網(wǎng)的煤氣有價值,經(jīng)測算,自然回收工藝煤氣回收率達(dá)到76%。

5 結(jié)語

(1)料罐均壓煤氣回收實現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的雙贏,符合雙碳目標(biāo)下煉鐵碳減排技術(shù)的發(fā)展方向,不新增廢水、廢氣等污染物,減輕了對周圍環(huán)境的影響,值得推廣。

(2)目前均壓煤氣回收模式只是自然回收,仍有一部分煤氣排放到空氣中,回收率與強制回收模式相比偏低;均壓煤氣回收改造為強制回收模式,現(xiàn)有的回收和凈化系統(tǒng)均可以利用,只需少量改動并配套增加強制回收單元即可。制約因素解決之后,強制回收將是未來的發(fā)展方向。

(3)料罐回收閥打開的短時間內(nèi),煤氣流對管道及閥門有較大的沖刷力,管道、閥門、彎頭必須納入定期檢查的重點;隨著運行年限的延長,管道內(nèi)積灰、積水、腐蝕情況需要評估。

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