高爐爐頂均壓放散工藝方案優(yōu)化分析

高爐爐頂均壓放散工藝方案優(yōu)化分析王小偉，唐恩，范小剛，周強，李菊艷(中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢，)摘要：針對當前高爐煉鐵均壓放散時，煤氣直接對空排放的現(xiàn)狀，為了減少煤氣排放，降低環(huán)境污染，提出了氣囊法、引射法和氣體替代法等新型爐頂煤氣均壓放散工藝。以上三種新工藝操作簡單，自動化程度高，均能實現(xiàn)煤氣的回收利用。但氣囊法占地面積大，運行維護成本高，當煤氣與通入氣囊氣體單價比值大于4時，才能獲得經(jīng)濟效益；引射法可實現(xiàn)煤氣與粉塵的完全回收，具有很好的經(jīng)濟和環(huán)保效益，由于需要增加除塵設(shè)施和引射器，比較適用于新建高爐；氣體替換法可回收絕大部分煤氣，卻無法避免粉塵的排放，但與傳統(tǒng)均壓放散工藝相比，仍能獲得巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益，且固定投資少，操作靈活，不僅適用于新建高爐，也適用于現(xiàn)有高爐。關(guān)鍵詞：均壓放散；氣囊法；引射法；氣體替換法引言目前，世界范圍內(nèi)的料罐均壓放散工藝基本均采用傳統(tǒng)的均壓放散技術(shù)，即采用半凈煤氣或凈煤氣一次均壓，氮氣二次均壓，放散時含粉塵的荒煤氣直接對空排放。平均噸鐵的荒煤氣放散量約為79Nm3tFe，粉塵量為280400gtFe。按照我國目前年產(chǎn)鐵水6億噸計算，年煤氣排放量高達4254億m3，粉塵排放量達16824萬噸，除了對環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染外，還造成大量的資源浪費，是一筆巨大的經(jīng)濟損失，不符合我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟的要求。因此，若能開發(fā)出一種新的均壓放散技術(shù)，杜絕均壓放散煤氣直接對空放散，既能減輕環(huán)境污染，有利于建立環(huán)境友好型鋼廠，又能回收大量的煤氣資源，獲得良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的市場前景。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在上世紀七八十年代，前蘇聯(lián)、日本等國即有對均壓放散工藝優(yōu)化的嘗試，并投入工業(yè)生產(chǎn)1。其中，由日本石川島播磨重工業(yè)公司研制成功，在鹿島廠1號高爐投入使用的均壓回收設(shè)備，更是獲得了日本1980年節(jié)能設(shè)備優(yōu)秀項目獎。在國內(nèi)，上世紀九十年代，當時的重慶鋼鐵設(shè)計院公開了一種利用引射器、文氏管除塵器和脫水器構(gòu)成的濕法煤氣回收系統(tǒng)的專利2，鞍山亨通高爐設(shè)備工程技術(shù)有限公司2010年也公開了一種利用布袋除塵器凈化爐頂煤氣并回收進入凈煤氣管網(wǎng)的專利方法3。以上國內(nèi)外各方法雖有不同，但核心思想均為通過一定的方式，將爐頂料罐內(nèi)的煤氣引入凈煤氣管網(wǎng)，實現(xiàn)煤氣的回收。然而，由于各方法均存在一定的缺陷，有的直接將爐頂煤氣排入凈煤氣管網(wǎng)對凈煤氣造成污染，有的僅局限于濕法除塵，有的無法實現(xiàn)煤氣短時間內(nèi)有效回收，最終均沒有推廣使用。本文針對已知各技術(shù)存在的特點，提出了氣囊法、引射法和氣體替換法，對高爐爐頂稱量料罐放散的煤氣進行有效回收，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。3 方案分析31 氣囊法311 方案介紹氣囊法是通過將稱量料罐內(nèi)的煤氣排入一個鋼制密封罐內(nèi)，達到煤氣回收與循環(huán)利用之目的，其工藝示意圖如圖1所示。密封罐內(nèi)有一個氣囊裝置，均壓時，打開氮氣切斷閥和均壓放散閥，通過氮氣罐向密封氣囊內(nèi)輸送高壓氮氣，使密封氣囊膨脹，將密封罐內(nèi)的均壓煤氣壓入爐頂稱量料罐，當料罐內(nèi)壓力與高爐內(nèi)壓力一致時，均壓完畢。放散時，打開均壓放散閥和氮氣放散閥，氣囊內(nèi)的氮氣通過氮氣放散閥排入大氣，氣囊體積收縮，稱量料罐內(nèi)放散的煤氣進入密封罐內(nèi)，當料罐內(nèi)的煤氣放散至常壓時，放散完畢。緊急狀況下，可打開事故放散閥，放散煤氣。充入密封氣囊的氣體也可使用不對密封罐造成安全隱患的其它氣體。本文中結(jié)合鋼鐵廠實際以及敘述方便，采用氮氣作為充入密封氣囊的氣體。氣囊法的工藝原理是假定煤氣在均壓放散過程中無溫度變化，根據(jù)波義耳定律，料罐中的煤氣放散時，等溫膨脹進入密封罐內(nèi)；均壓時，往氣囊中充入氮氣，占據(jù)之前放散煤氣的體積，從而將煤氣再等溫壓縮進入料罐中。如此，即可實現(xiàn)料罐的均壓放散和料罐煤氣的回收和循環(huán)利用，避免直接排入大氣造成污染和資源浪費。為了確定均壓時氮氣的用量，須計算出氣囊和密封罐的大小。各參數(shù)的定義如下：Pg：料罐壓力；P：大氣壓力；Vg：料罐體積；Vn：氣囊體積；Vh：回收體積；Vd：消耗氮氣體積；則根據(jù)波義耳定律，有：PgVg=P(Vg+Vh) (1)PgVh=PVd (2)由方程(2)知，Vd=PgPVh (3)一般情況下，稱量料罐內(nèi)表壓為025MPa，即實際壓力為035MPa，則代入方程(3)中，可知Vd=35Vh即每次回收過程中，消耗的氮氣體積是煤氣放散體積的35倍。實際上，由于密封罐上部和下部以及回收管路上有一定的體積空間，該部分的氣體也需在均壓時，被氣囊壓至與料罐內(nèi)壓力一致，實際所需的氣囊體積VnVh，故Vg35Vh，實際設(shè)計中，每次消耗的氮氣體積至少為回收的煤氣體積的4倍。312方案評估由于消耗的氮氣量較多，因此運行費用也較高，采用該技術(shù)的實際運行費用取決于鋼鐵廠內(nèi)的介質(zhì)結(jié)算價格，同樣的工藝對有的企業(yè)是盈利的，對于有的企業(yè)也許就是虧損的?？傊?，當煤氣與通入氣囊的氣體單價比大于4時，采用該工藝即可實現(xiàn)盈利。由于稱量料罐放散的煤氣均進入了密封罐，因此密封罐的體積較大，對于一個有效容積30m3的料罐，回收煤氣所需的密封罐尺寸為直徑42m，高8m，導(dǎo)致體積過大，不適宜置于爐頂平臺，除需增加額外的占地面積外，還增加了固定投資。此外，氣囊作為易耗品，每次更換也比較麻煩，增加工人作業(yè)量。32 引射法321 方案介紹引射法回收煤氣的核心思想，也是將稱量料罐煤氣通過一定的方式引入凈煤氣管網(wǎng)中，實現(xiàn)煤氣的回收利用。該法中，為了使凈煤氣管網(wǎng)中的凈煤氣不受料罐煤氣的污染，料罐煤氣在進入凈煤氣管網(wǎng)之前，采用布袋除塵器(或電除塵器)除塵；而為了在規(guī)定的的時間內(nèi)將煤氣回收完畢，經(jīng)過除塵的煤氣通過引射器的作用，使其快速回收入凈煤氣管網(wǎng)，達到放散至常壓的目的。該方法的具體回收流程見圖2所示，均壓放散連接的布袋除塵器與高爐爐頂煤氣布袋除塵器系統(tǒng)是并聯(lián)的。布袋除塵器后串聯(lián)引射器，引射器入口段包含兩個入口，分別為工作管和引射管。工作管通過管道和工作氣體連接，引射管通過管道和引射器切斷閥與布袋除塵器相連接以接入布袋除塵后的凈煤氣。1高爐本體；2下料閘；3稱量料罐；4均壓放散管道；5均壓放散切斷閥；6旋風除塵器；7旋風除塵放散閥；8半凈煤氣充壓閥；9氮氣充壓閥；10布袋切斷閥；11凈煤氣放散閥；12清灰閥；13布袋除塵器；14引射器切斷閥；15工作流體切斷閥；16引射器；17切斷閥；18凈煤氣管網(wǎng)稱量料罐的均壓過程與目前傳統(tǒng)的均壓過程一致，而煤氣放散回收過程則分為自然回收和強制回收兩步進行。放散時，料罐內(nèi)的煤氣經(jīng)旋風除塵器粗除塵后，進入布袋除塵器精除塵，由于開始放散時，料罐內(nèi)的壓力相對凈煤氣管網(wǎng)較高，能自動進入凈煤氣管網(wǎng)而進行自然回收。當料罐內(nèi)壓力降至50100kPa時，由于料罐和凈煤氣管網(wǎng)的壓力差減小及阻損等原因，煤氣進入凈煤氣管網(wǎng)的速度減慢，為了在規(guī)定的時間內(nèi)將料罐內(nèi)煤氣降至常壓，此時，采取強制回收措施，打開引射器的工作流體切斷閥，啟動引射器，在高壓工作流體的引射作用下，剩余的煤氣被快速引射入凈煤氣管網(wǎng)。當料罐內(nèi)壓力降至常壓時，停止引射，結(jié)束放散過程。322方案評估該法操作簡單，能實現(xiàn)爐頂均壓放散煤氣的完全回收，帶來良好的環(huán)保效益。在運行費用方面，由于僅在回收后期采用強制回收，消耗的工作氣體較少，運行成本較低，具有良好的經(jīng)濟效益。工作氣體可以是高壓氮氣，高壓水蒸汽，也可以是經(jīng)過凈化且未經(jīng)減壓的高爐凈煤氣。若采用高壓氮氣或水蒸汽作為引射器工作氣源，每次放散過程回收的煤氣經(jīng)濟價值要遠高于工作氣體消耗的支出價值，若采用高壓的高爐凈煤氣作為工作氣體，可進一步降低運行費用，獲得更大的經(jīng)濟效益。但由于高壓凈煤氣的壓力小于高壓氮氣或水蒸汽，引射所需的時間比采用氮氣或水蒸汽等氣源要長，因而會延長整個放散過程回收時間。氮氣與水蒸汽相比，水蒸汽價格較低，但由于煤氣中含有氯離子，會對引射器等造成腐蝕。因此，高壓凈煤氣、氮氣、水蒸汽三者各有優(yōu)劣，廠家結(jié)合實際可綜合考慮后選擇合適的引射器工作氣源。在固定投資上，由于增加了除塵器系統(tǒng)和引射器，該法與傳統(tǒng)均壓放散方法相比，會增加部分固定投資，但考慮到回收煤氣帶來的經(jīng)濟效益，增加的固定投資約半年左右即可收回。由于引射法引入了除塵器系統(tǒng)和引射器，需要占用額外的總圖布置，不大適用于現(xiàn)有高爐，但該法具有完全回收爐頂均壓放散煤氣的優(yōu)勢，杜絕了煤氣和粉塵的直接排放，具有優(yōu)越的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，在新建高爐上，具有廣闊的應(yīng)用前景。33氣體替換法氣體替換法的思路是直接向料罐內(nèi)通入對大氣無污染的清潔氣體，放散時，以清潔氣體的排放替代煤氣的排放，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。此處清潔氣體的標準為對大氣無污染且不與高爐煤氣發(fā)生反應(yīng)，不帶來安全隱患。本方法中，為了敘述方便，且考慮鋼鐵廠生產(chǎn)實際，以氮氣作為清潔氣體。331氮氣吹掃法以氣體替代法的思路為出發(fā)點，首先提出了氮氣吹掃法，即在傳統(tǒng)的均壓及下料結(jié)束后，料罐內(nèi)充滿了與高爐內(nèi)壓力相等的煤氣，此時，保持下料閘的開啟狀態(tài)，向料罐內(nèi)通入高壓氮氣，使料罐內(nèi)的煤氣在氮氣的吹掃下，重新被吹入高爐內(nèi)。當料罐內(nèi)的氮氣濃度達到設(shè)定的濃度時(如80以上)，關(guān)閉下料閘和下密閥，停止通入氮氣，料罐內(nèi)的氣體經(jīng)旋風除塵器除塵后排入大氣中。為了驗證該方案效果，通過Ansys軟件進行了模擬分析。設(shè)稱量料罐的有效容積為100m3，壓力為022MPa，通入氮氣的管道直徑為DN500，流速為70ms，通氮氣時間為20秒。為了簡化計算過程，設(shè)定高爐煤氣的成分(體積百分數(shù))為N2：55，CO：25，CO2：20，相應(yīng)的質(zhì)量百分數(shù)分別為：N2：494，CO：224，CO2：282。模擬分析結(jié)果見圖3所示。表1為根據(jù)圖3的結(jié)果，得到的不同時刻通入N2量及稱量料罐內(nèi)N2的體積濃度。從表1中可以看出，隨著氮氣的通入，料罐內(nèi)的氮氣含量進一步增多，煤氣被逐漸吹入高爐內(nèi)，在10秒時，稱量料罐內(nèi)絕大部分已經(jīng)為氮氣了。實驗中，還模擬了其它因素對吹掃效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了通入氮氣量對吹掃效果起決定性影響外，其它諸如氮氣吹掃方式、氮氣流速等對吹掃效果的影響幾乎都可忽略。從表1還可以發(fā)現(xiàn)，隨著通入氮氣的增多，氮氣的吹掃效果也急劇下降，因此，考慮經(jīng)濟性原因，當料罐內(nèi)煤氣量降到一定程度后，不宜再進一步通過吹入更多氮氣來降低料罐內(nèi)煤氣濃度，否則，即增加了氮氣消耗，又延長了整個均壓放散過程的時間，還不能獲得理想的效果，如表1中，氮氣通入時間由15秒增至20秒時，料罐內(nèi)的氮氣濃度僅由935增至964。因此，在整個吹掃過程中，具體氮氣通入量，需綜合考慮節(jié)能環(huán)保、氮氣消耗、均壓放散時間限制等多方面因素。此外，由于吹掃效果僅與氮氣通入量有關(guān)，可適當提高氮氣流速，以縮短吹掃時間，從而縮短均壓放散的時間。332氮氣填充法針對氮氣吹掃法隨著吹掃時間的延長，回收效率急劇降低，且在下料完后開始吹掃，增加了每次爐頂均壓放散的操作時間等缺點，又提出了氮氣填充法。該法在均壓時，采用氮氣均壓，在料罐均壓完畢之后，打開下料閘向料罐內(nèi)下料的同時，向料罐內(nèi)再次緩慢通入氮氣，及時補充由于爐料下降空出的多余空間，避免高爐內(nèi)的煤氣進入料罐內(nèi)。下料結(jié)束后，料罐內(nèi)充滿氮氣，隨即關(guān)閉下料閘，停止通入氮氣。在放散時，以氮氣的放散取代傳統(tǒng)工藝中煤氣的放散，實現(xiàn)高爐煤氣的回收，并降低環(huán)境污染。氮氣填充法關(guān)鍵在于補充的氮氣量要始終與下料速度相協(xié)調(diào)，防止高爐內(nèi)煤氣進入料罐內(nèi)。由于高爐生產(chǎn)中，需要礦石、焦炭等原理，料罐在每次裝料過程中，裝入的爐料的種類和數(shù)量會有不同，下料的速度也會有不同。為此，可采用如下兩種控制方案：方案一：為了簡化操作，以下料速度最快的情況作為基準，算出單位時間內(nèi)由于料流下降空出的體積，從而確定單位時間內(nèi)需通入料罐內(nèi)的氮氣量。其它情況，則按照之前確定的氮氣填充速度來通入氮氣。此方案將所有的下料情況均統(tǒng)一成一種情況來處理，具有操作簡便的優(yōu)勢，但卻會增加氮氣的消耗量，不利于降低運行成本。方案二：為了減少氮氣消耗，根據(jù)料罐裝料情況，針對不同的爐料和下料時間，計算出不同情況下的爐料下料速度，然后針對具體情況，確定出不同情況下的單位時間內(nèi)氮氣通入量。該方案針對具體情況具體處理，與方案一相比，操作相對復(fù)雜，但由于整個過程中，采用自動控制，不會顯著增加操作不便，卻可降低氮氣消耗量，有利于降低運行成本，獲得更大的經(jīng)濟效益。與氮氣吹掃法相比，氮氣填充法除了避免了隨著吹掃時間延長，氮氣吹掃效率下降現(xiàn)象及導(dǎo)致均壓放散時間延長的缺陷，還可以取消半凈煤氣一次均壓管道，僅需保留爐頂?shù)牡獨夤藜纯?，能?jié)省部分固定投資。因此，氮氣填充法也更具有優(yōu)勢。333方案評估以氮氣吹掃法和氮氣填充法為代表的氣體替換法，即可用于新建高爐中，亦可用于目前已有的高爐上。用于新建高爐時，采用氮氣填充法更可以取消傳統(tǒng)均壓中的一次均壓半凈煤氣管道，降低施工難度，減少固定投資。用于目前已有高爐上時，只需在爐頂稱量料罐增加氣體分析儀即可，并且可根據(jù)生產(chǎn)需要，在操作實現(xiàn)傳統(tǒng)均壓放散法、氮氣吹掃法、氮氣填充法三種控制方法的無縫轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)了氣體替換法的靈活性。當然，由于氣體替換法的固有缺陷，難以實現(xiàn)煤氣的百分之百回收，同時，清潔氣體放散時，雖然經(jīng)過了旋風除塵器除塵，仍會不可避免的排出一部分粉塵，但與傳統(tǒng)的均壓放散方法相比，環(huán)保效果仍有極大的改善。但是，該法投資省，操作靈活，運行費用較低，能帶來良好的經(jīng)濟效益，便于在高爐上實施，是最容易實現(xiàn)的一種均壓放散優(yōu)化新方法。小結(jié)本文提出了氣囊法、引射法和氣體替換法(分為氮氣吹掃法和氮氣填充法)等新的均壓放散方法，諸方法都能實現(xiàn)煤氣的回收利用，但彼此都有獨特之處，其優(yōu)缺點對比分析如表2所示。從表1可以看出，由于氣囊法占地面積大，運行維護成本高，因此引射法和氣體替換法更有優(yōu)勢，而兩者又各有千秋。引射法雖然具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，除塵器和引射器的引入，會增加部分固定投資和占地面積，更適用于新建高爐。氣體替換法雖然無法避免粉塵