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宝钢副产煤气利用及减排技术的开发与实践
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宝钢副产煤气利用及减排技术的开发与实践
王鼎，邓万里
(宝钢分公司能源环保部，上海200941)
摘要：副产煤气是钢铁工业宝贵的二次能源，其充分利用是企业节能减排的首选。宝钢结合投产后多年的生产运行管理实践、现有条件和技术水平，形成了煤气回收与使用、系统监控与调节、经济运行与决策的技术路线。通过技术开发与集成，取得了一系列成果，如建立现代化的能源中心、创立转炉煤气双柜运行系统、建成燃用高炉煤气的CCPP机组、开发能源管理数据仓库等，使副产煤气综合利用水平居国内领先并达到国际先进，节能减排效益显著。
关键词：副产煤气；综合利用；节能减排
中图分类号：X757文献标志码：B文章编号：1008—0716(2009)03—0002—05
0前言
我国钢铁工业能源消费量占全国能源消费总量的15％左右，其用能结构中煤炭占70％左右，热能转换后约有2／3以焦炭和煤粉形式参与冶炼生产，并有约1／3经热能转换后以高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等副产煤气形式出现。
副产煤气是钢铁联合企业中宝贵的二次能源，是我国以煤为主多元化能源结构中的绿色因素，所以钢铁企业管好用好取之不易的煤气资源是搞好节能减排工作的首选。不难设想，如果一个企业不能科学合理地使用煤气资源，那么浪费煤、油、汽、水等其他能源就是不可避免的了。
随着钢铁工业流程的进步，结构调整以及能源生产、转换和使用设备的更新改造，钢铁联合企业副产煤气的产量不断增长而消耗量却逐年减少，使长期制约钢铁企业发展的煤气供需矛盾开始缓解，乃至出现不同程度的剩余，一些大型钢铁联合企业统计的煤气富余量高达10％～50％(主流程统计到热轧工序为止)。所以，全面分析把握钢铁联合企业的煤气现状，科学规划制定煤气供需之间的平衡对策，特别是富余煤气的缓冲和使用策略，依靠技术进步和现代化手段最大限度地提高煤气资源的能源效益和环境效益(不是简单的减少煤气放散)，对进一步发展钢铁工业、节约能源、改善环境都有十分重要的意义。
多年以来，宝钢坚持煤气资源开发与节约并重，把节约煤气放在优先地位，节能减排取得显著成绩。
1 副产煤气利用技术路线分析
1．1副产煤气利用的技术问题
我国钢铁企业副产煤气的利用水平总体较低。1995年，钢铁企业高炉煤气放散率为15％左右，焦炉煤气放散率为5％左右，转炉煤气回收率不足40 m3／t。整体装备水平较先进的宝钢，以上指标仅为16．1％、0．2％、83．3 m3／t，远低于国外先进水平，如新日铁高炉煤气和焦炉煤气基本不放散，转炉煤气回收率在95 m3／t以上。
造成上述现状的原因，主要是我国钢铁企业燃气系统普遍存在以下问题：①缺乏对转炉煤气发生和回收过程的理论研究及指导，转炉煤气间歇回收与连续使用的矛盾突出，煤气柜检修时转炉煤气就无法回收；②能单独特别是大能力使用高炉煤气的机组不多，多需配人高热值煤气，显著限制了高炉煤气的充分利用，一般企业经常放散高炉煤气；③由于整体燃料结构存在问题和煤气平衡技术水平较低，高热值的焦炉煤气仍然在放散；④缺少一个将各个单元煤气等能源系统相互联系起来、进行统一调整、实施全面监控的系统；⑤煤气混合和加压控制精度不高，不利于后续生产过程控制和产品质量的提高。
宝钢随着生产规模的扩大，上述问题更加突出，而且还面I临着以下困难：当煤气精制单元检修时，对焦炉煤气质量有严格要求的冷轧机组只能停产；煤气设施有老化、劣化趋势，煤气管道和安全附件对于煤气的输送运行带来诸多安全隐患，煤气柜等关键设备仍需依赖进口；对燃气系统的数据统计、分析决策过多地依靠人工经验，难以达到高效率和精确化的要求。
1．2宝钢副产煤气利用的技术路线
宝钢燃气系统的发生源有高炉4座、转炉6座和焦炉6座及配套的回收净化设施，煤气柜8座，大型煤气加压站10座，煤气混合装置20套，管网总长超过100 km，煤气用户上百个。基于如此庞大的燃气系统，要提高副产煤气的综合利用水平，显然不可能仅靠单项技术实现，而必须是靠各个环节技术开发的总体集成。宝钢结合投产后多年的生产运行管理实践、现有条件和技术水平，对副产煤气的利用形成如图1的技术路线。
煤气回收与使用：研究转炉煤气极限回收技术，确定转炉煤气回收的潜力并指导操作；开发转炉煤气柜双柜运行系统，从储运技术上扩展转炉煤气回收能力；改造煤气管网，从根本上解决焦炉煤气质量对冷轧生产的影响；建设纯烧高炉煤气的燃气轮机组，充分利用富余煤气；开发煤气混合和加压系统的工艺方案和控制技术，确保稳定运行和供气质量；改善煤气柜和管网设施运行状况和使用寿命，消除安全隐患。
系统监控与调节：对原有能源中心进行改造，开发基于分布式网络的集散控制系统，以通过高度的集中统一监控达到系统的动态平衡及安全运行；针对系统调节的关键点建立数学模型，开发燃气系统的自动调节技术和预测功能，适应煤气系统频繁调节和大幅波动的特点，提高系统运行效率。
经济运行与决策：利用先进的计算机和信息技术，开发企业ERP级的能源数据仓库，为燃气的供需统计、平衡计划、指标管理等提供技术手段；研究多燃料复杂用户群下的燃气结构优化策略，为系统平衡提供决策依据；对焦炉煤气系统的展开平衡建立预测方法，合理分配煤气资源。
2宝钢副产煤气利用技术的开发与创新
2．1煤气回收与使用
2．1．1 转炉煤气极限回收技术
转炉煤气回收占整个转炉工序能源回收的80％以上，是实现负能炼钢的关键环节。此技术基于冶金反应理论，建立了转炉煤气回收量计算模型；应用回归分析统计方法，得出转炉煤气回收率与铁水比、铁水含碳量等原料条件之间的关系，转炉煤气回收量和供氧强度的关系，空气吸入系数和煤气热值的关系，炉气中CO含量与转炉熔池温度、压力、钢水含碳量之间的关系，转炉煤气回收量与回收限制性条件(CO，O2含量)的关系，推算出目前生产条件下转炉煤气的回收极限。此技术对转炉吹炼和煤气回收提出了定量化的指导，对于提高转炉煤气回收潜力起到了一定作用。
2．1．2转炉煤气柜双柜运行系统
在没有国内外经验可借鉴的情况下，宝钢首创并建成了完整的转炉煤气柜双柜并网运行系统。该技术对煤气柜的活塞配重设置不同，使主柜和副柜分4个压力级差。正常情况下，2座转炉煤气柜按直列方式运行；利用2座柜的活塞配重差，以及煤气柜入口切断阀的开闭，来控制煤气柜位和煤气的走向，主柜优先进气和供气，副柜的煤气则通过主柜外供气。
转炉煤气双柜运行技术开发并投入应用后，又经过生产运行中的实践，加以完善和提高，制定出合理的参数。运行中煤气柜以机械构造和电气控制结合，活塞交替升降，动作准确，完全符合工艺要求，实现了全自动运行，使转炉煤气回收率提高15 m3／t以上。
2．1．3 焦炉煤气按质分流分供技术
冷轧单元要求焦炉煤气中H2S的含量必须≤200 m／m3，当化工煤气精制设备中任何一套年修时，因H2S含量不易控制致使所供冷轧机组只能停产。宝钢冷轧建成投产十几年来，一直受此问题困扰。
通过对煤气管网的研究，开发了焦炉煤气按质分流分供技术：当一套煤气精制年修或脱硫装置故障时，可将处理不了的焦炉煤气压送至另2套煤气精制进行处理，并通过水封阀组按送出焦炉煤气的H2S含量超标与否进行切换式分流；充分利用焦炉煤气管网之间相对独立又互有联系的布局特点，将4个冷轧单元串为整体，配以水封阀组的切换，这样不论在何种运行方式下，均可以优先向冷轧单元供应质量合格的焦炉煤气，从根本上解决了焦炉煤气H2S含量对冷轧单元的影响问题。
2．1．4燃用纯高炉煤气的CCPP机组关键技术
宝钢建成了世界上首台燃用低热值纯高炉煤气的燃气一蒸汽联合循环热电机组。该机组成功解决了稳定燃烧100％，低热值煤气的技术问题；解决了高压煤气压缩机振动、低压煤气压缩机漏煤气、高温高压煤气阀门卡涩和保护系统不完善等影响机组运行的重大技术设备问题；发明了联合循环发电机组运行效率在线解析方法与系统，解决燃烧室轻油枪内剩油结焦的专利向原国外制造商输出，并与日本川崎重工签订了合作研制技术转让协议。
该机组是目前世界上燃用煤气热值最低的机组，整体装置和技术具有国际一流水平。该机组投运后，对高效利用高炉煤气、实现低品质能源向高品质能源的转换起到了巨大作用，并开辟了大型钢铁企业合理利用能源的新途径。
2．1．5煤气混合与加压技术
为了满足热值调节的需要、充分利用各副产煤气，宝钢广泛地采用了混合煤气作气源，通过煤气混合装置和加压站将不同的煤气混合后供给用户。不同于国内同类企业广泛采用四蝶阀混合煤气系统，宝钢在煤气混合技术方面完善并形成了自己的技术，主要包括煤气混合过程控制策略、煤气混合的防反窜控制、煤气混合过程控制策略。这些技术的应用，不但满足了钢铁主生产对煤气气源可靠性和稳定性的要求，更使得宝钢具备了
灵活多样的煤气平衡手段。
2．1．6储运设施安全运行相关技术
宝钢在引进消化干式煤气柜技术的基础上，通过不断摸索，在煤气柜和管道技术方面形成了系列化集成专业技术。煤气柜系列技术带动可隆柜活塞导轮、威金斯柜密封橡胶等关键设备成功实现了国产化，并提高了煤气柜的安全性能和操作性能，现有3种类型的煤气柜运行实绩均不同程度地超过了国内外煤气柜的标准密封寿命；管道防煤气泄漏等技术为燃气管网的安全提供了有力的保障，在业内引起很大关注；还提出煤气管道托补及沉降处理技术，可不停役处理大口径煤气管道的腐蚀和沉降问题；并实现了在线处理煤气柜基础沉降。
2．2系统监控与调节
2．2．1 能源中心实时监控和信息管理技术
宝钢能源中心EMS系统(见图2)由宝钢自行组织开发和应用软件编制，达到20世纪90年代末期水平。
根据宝钢能源设备的地理分布特征，DCS网络的拓扑结构与其是一致的，这一现代控制系统配置方式能够较好满足宝钢的实际需要。针对大型能源系统管理的特点，提出了以监控和优化管理为系统信息集成的关键技术，实现了能源主系统的集中监控和管理，现场的所有设备全部实现无人值班。系统在设计中贯穿了总体信息集成的思想，成功应用了开放式的网络构架，结构分层、层问相对独立，系统具有积木式的软件结构；数据处理采用多层结构和分布式数据处理等先进技术，并成功实现了基于软件对现场设备的直接监控和管理优化与操作指导等，保证了能源系统的
安全、可靠、平衡与优化运行。
2．2．2转炉煤气系统的自动调节技术
由于转炉煤气系统始终存在着不连续发生和连续使用的供需矛盾，很难对系统作出及时的调整，从而经常导致煤气柜满放散。
该技术依据宝钢的实际情况进行了专家建模，调用EMS中转炉煤气的回收过程、煤气柜位、系统用量等潮流数据，通过控制模型计算出电厂转炉煤气混入量和联网装置调节量，改变DCS系统的设定值来进行控制调节。另外，还可根据各加压站出口压力、转炉煤气回流流量、吹炼耗氧量、回收CO含量等条件，进行报警提示和限制性调节的安全操作。该技术的使用，减少了转炉煤气的不合理放散，在相当程度上减轻了调度人员的负担，起到了“智能控制”的作用。
2．2．3煤气柜位预测数学模型
煤气柜位的预测是在煤气柜位处于目标值以外时进行的。由于煤气柜位变化受到多方面影响，其规律是未知的，无法对其进行精确的计算，因此采用了外延预报方式来预测煤气柜位的变化。根据以往的经验和系统的特点，系统采用了基于最小二乘法的系统辨识方法，以当前煤气柜位前一段时间的数据为基础，在线辨识系统的参数，并作出预测。当煤气柜位到达上限和下限时，还分别进行了使柜位恢复到目标值的调整量计算。另外，还根据煤气柜位的变化进行了煤气柜出人口流量的计算，以帮助运行人员及时了解煤气变化的情况，进行合理调度。
2．3经济运行与决策
2．3．1 基于数据仓库的信息化管理技术
能源管理数据仓库以宝钢数据仓库平台S85主机为中心，采用了SAS数据仓库系统解决方案。根据燃气等专业和能源管理工作的要求，系统提供了六大主要主题：技术分析主题，提供燃气等能介发生量、使用量、压力等数据的查询和分析；能源生产主题，提供每日的能源潮流数据和能源系统作业信息等；能源供需主题，实现能源供需统计过程及报表展示；能源计划主题，实现能源消耗预测及计划报表展示；能源指标主题，构建完整的指标体系并提交最终的能源平衡表；早会系统主题，汇总生产实绩、作业信息、检修信息、指标数据等并实现早会发布。
此技术已成为能源管理工作的重要组成部分，为能源的供需统计、消耗预测、指标管理等提供了依据和工具，为节能降耗提供了指导，并为成本管理和能源管理的有机结合奠定了基础。
2．3．2焦炉煤气日平衡预测技术
该技术结合六西格玛精益运营的先进理念和方法，以DMAIC为主线，使用相应的因果矩阵分析、过程稳定性检验、相关性分析、实验设计等统计技术，建立了预测模型，如：对用气单元分析后得出用气量的线性回归公式或多元回归公式，并把用气量和用户产品的总产量或分品种产量结合起来；构建日不平均系数和月不平均系数概念，反映煤气较强的季节因素和使用规律；基于DOE分析，掌握了煤气发生量的规律。此技术可将平衡预测偏差控制在2％以下，平衡预测的精度满足了能源调度、生产调整、检修计划等方面的要求。
3 宝钢副产煤气利用与减排效果
3．1提高了燃气系统技术水平
从与国内外相关技术的比较来看：宝钢的转炉煤气柜双柜运行系统在可靠性和经济性方面都远远优于常规的单柜系统；煤气柜活塞导轮、密封橡胶等关键设备克服了同类技术的缺陷，高炉和焦炉煤气柜寿命超过国外同类设备最先进指标15％，转炉煤气柜的寿命超过最先进指标12．5％；能源中心实时监控及信息管理技术高效、柔性，使煤气系统生产过程实现了实时、动态的高度集中管控，达到了20世纪90年代末的国外先进水平，并进行了技术输出；数学模型、数据仓库的应用，丰富了燃气系统的信息化管理技术的内涵。宝钢燃气轮机是目前世界上燃用煤气热值最低的机组，主要运行指标均超过国际上第二套同类型发电机组。一些在工程实践中形成的关键技术，已向马钢、南钢、梅钢等多家企业输出。
3．2节能减排效益明显
由于坚持煤气资源开发与节约并重，宝钢形成了完善的副产煤气综合利用体系，高炉煤气放散率降低至1．5％左右，焦炉煤气实现零排放，吨钢转炉煤气回收率提高到99 m3(28．3 kg标准煤)以上，居国内领先并达到国际先进水平；近3年创直接经济效益56741．57万元，减排二氧化碳3454508 t、二氧化硫13460 t(与1995年相比)。燃气轮机被上海市列为废气综合利用环保型机组，实现了节能减排和环境保护的双重效果，为宝钢建成国家环境友好企业发挥了重要作用。
4 结语
钢铁企业是高能耗企业，也是国民经济的支柱产业，其能源的综合利用能力直接关系到国民经济的健康可持续发展。如果全国十大钢铁企业燃气利用技术都达到宝钢的水平，每年可降低能耗约200万t标准煤(1 kg标准煤=29．3 MJ)，吨钢综合能耗降低22 kg标准煤，年创节能价值约20亿元。随着国家能源供需矛盾的扩大、环境保护政策的强化以及钢铁企业自身生产成本的不断优化，副产煤气利用与减排技术的应用前景和推广价值将得到进一步体现。
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