新一代1920mw鋼副產(chǎn)煤平衡與利用方案研究

新一代1920mw鋼副產(chǎn)煤平衡與利用方案研究

21世紀(jì)，國(guó)際鋼鐵工業(yè)進(jìn)入第二個(gè)快速發(fā)展趨勢(shì)。由于資源、能源和環(huán)境的限制，國(guó)際鋼鐵工業(yè)特別重視資源、能源的使用、環(huán)境保護(hù)和清潔生產(chǎn)。鋼鐵企業(yè)普遍關(guān)注與社會(huì)、環(huán)境友好,向可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。鋼鐵工業(yè)是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化的支撐產(chǎn)業(yè),為提高綜合競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,鋼廠未來(lái)發(fā)展的模式將通過(guò)功能的拓展,實(shí)施綠色制造,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型,成為工業(yè)生態(tài)鏈的重要一環(huán),在循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中承擔(dān)重要積極的角色。1新鋼的內(nèi)涵和模式1.1鋼鐵產(chǎn)品制造流程所謂新一代鋼鐵制造流程就是將已有的先進(jìn)工藝、裝備,與新開發(fā)的工藝、裝備以及“界面技術(shù)”(銜接匹配、協(xié)同、緩沖技術(shù))創(chuàng)新性集成而重新構(gòu)筑的制造流程。該流程充分體現(xiàn)了三個(gè)功能:鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納處理功能。其重點(diǎn)是共性平臺(tái)技術(shù)(例如高效、低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺(tái)技術(shù)等)、動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的界面匹配技術(shù)(煉鐵-煉鋼技術(shù)界面、連鑄-熱軋技術(shù)界面等)、流程工程集成技術(shù)(流程網(wǎng)絡(luò)的合理化配置、流程運(yùn)行“程序”的動(dòng)態(tài)、有序、合理調(diào)控等),系統(tǒng)、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù),新流程的工業(yè)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理,資源循環(huán)利用技術(shù),產(chǎn)業(yè)鏈接技術(shù)等。1.2生產(chǎn)規(guī)模及效益新一代鋼廠以生產(chǎn)薄板及其深加工產(chǎn)品為主要目標(biāo),通過(guò)2座高爐、1個(gè)煉鋼廠、2套熱軋帶鋼軋機(jī)為核心的冶金流程,以3臺(tái)轉(zhuǎn)爐、3臺(tái)連鑄機(jī)對(duì)應(yīng)2臺(tái)熱帶軋機(jī),以3套冷帶軋機(jī)作為深加工的主力,60%～70%的薄板得到高附加值深加工,生產(chǎn)不同質(zhì)量、性能的高附加值產(chǎn)品,合理生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)粗鋼約900萬(wàn)t。新一代鋼廠流程見圖1。2企業(yè)總能耗鋼廠各種副產(chǎn)煤氣——焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣是二次能源的主要形式,約占企業(yè)總能耗的30%～40%。副產(chǎn)煤氣的充分、合理利用是降低能源消耗、發(fā)揮鋼廠能源轉(zhuǎn)換功能的關(guān)鍵所在,不僅有利于降低鋼廠單位產(chǎn)品的能源消耗和排放負(fù)荷,甚至有可能開發(fā)出新的大規(guī)模制氫工藝。2.1煤氣-燃煤混燒發(fā)電機(jī)此種模式是目前國(guó)內(nèi)外最常見的,在此模式下,鋼廠副產(chǎn)煤氣作為氣體燃料加以利用。在滿足鋼鐵制造流程燃料需求的前提下,剩余煤氣用來(lái)發(fā)電。為提高煤氣發(fā)電效率,在保證煤氣供應(yīng)量穩(wěn)定充足的前提下,采用燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP);由于各設(shè)備作業(yè)時(shí)間的差異、工藝參數(shù)變化等原因,產(chǎn)生煤氣量的波動(dòng),為了不造成煤氣放散,又確保發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行,宜采用煤氣-燃煤混燒發(fā)電機(jī)組。表1為年產(chǎn)900萬(wàn)t粗鋼的新一代鋼廠副產(chǎn)品煤氣的平衡估算。對(duì)年產(chǎn)粗鋼900萬(wàn)t的新一代鋼廠而言,鋼廠自發(fā)電主要由TRT、CDQ、CCPP、煤氣-燃煤電站構(gòu)成。其中:CCPP機(jī)組采用焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣混合煤氣作為燃料,混合比例為:焦?fàn)t煤氣/高爐煤氣=1/9,混合煤氣熱值為4535kJ/m3。CCPP裝機(jī)容量按150MW選擇,年日歷工作時(shí)間7000h,年發(fā)電量約為10.5億kW·h,選擇2×150MW的CCPP機(jī)組,年發(fā)電量約21億kW·h;剩余煤氣(約30.9萬(wàn)t標(biāo)煤,參見表1)采用燃煤混燒機(jī)組發(fā)電,混燒比例在25%左右,建設(shè)2×300MW機(jī)組,需購(gòu)入發(fā)電用動(dòng)力煤約105萬(wàn)t標(biāo)煤/年,年發(fā)電量約可達(dá)到42億kW·h。再加上約22MW×2的TRT發(fā)電機(jī)組和25MW×2的CDQ發(fā)電機(jī)組,電站總裝機(jī)容量約100萬(wàn)kW。2.2焦?fàn)t煤氣制氫后的煤氣平衡估算工業(yè)制氫目前是以天然氣、石油和煤為原料,在高溫下使之與水蒸氣反應(yīng)或用部分氧化法制得,而鋼鐵企業(yè)(或煉焦廠)產(chǎn)生的副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣含有50%～60%的H2,20%～30%的CH4,是非常好的制氫原料氣。采用焦?fàn)t煤氣制氫,只需按現(xiàn)有煤氣處理工藝,將其中的有害雜質(zhì)去除,即可通過(guò)變壓吸附技術(shù)提取出高純度(99.99%)的氫氣,1m3的焦?fàn)t煤氣約可制取0.44m3的氫氣。與天然氣制氫相比,省去了蒸汽轉(zhuǎn)換或部分氧化等CH4裂解過(guò)程,從而省去了這一工藝過(guò)程的能源消耗,有可能成為大規(guī)模、高效、低成本生產(chǎn)氫氣的有效途徑,有利于促進(jìn)鋼廠環(huán)境改善和工業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型。此模式下,焦?fàn)t煤氣全部采用變壓吸附制氫,通過(guò)變壓吸附提取氫氣后的高熱值解吸氣返回鋼鐵制造流程,解吸氣與高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣作為熱風(fēng)爐、加熱爐等燃料使用,而轉(zhuǎn)爐煤氣應(yīng)作為石灰焙燒燃料生產(chǎn)高品質(zhì)的低硫活性石灰,剩余煤氣發(fā)電。新一代鋼廠可產(chǎn)生氫氣約為6.7億m3/a,扣除鋼廠內(nèi)部使用氫氣約844萬(wàn)m3/a,可外供氫氣約為6.6億m3/a(約66000t/a),生產(chǎn)出的氫氣或與石化行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈,或作為汽車清潔燃料使用。假定鋼廠內(nèi)以解吸氣替代焦?fàn)t煤氣后各工序所需的煤氣熱值、熱消耗等工藝參數(shù)不變;同時(shí),高熱值解吸氣與高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣混兌后,混合煤氣的密度、成分等滿足輸送、燃燒性能等工藝要求。在此條件下,焦?fàn)t煤氣制氫后鋼廠的煤氣平衡估算見表2。CCPP機(jī)組采用解吸氣、高爐煤氣混合煤氣作為燃料,混合煤氣熱值按4535kJ/m3,混合比例為:解吸氣/高爐煤氣=5/95。選擇1×150MW的CCPP機(jī)組,年發(fā)電量約為10.5億kW·h。剩余煤氣總計(jì)折合約37.36萬(wàn)t標(biāo)煤(參見表2),采用燃煤混燒機(jī)組發(fā)電,混燒比例在30%左右,建設(shè)2×300MW機(jī)組,需購(gòu)入發(fā)電用動(dòng)力煤98.5萬(wàn)t標(biāo)煤/a,年發(fā)電量約可達(dá)到42億kW·h。再加上TRT、CDQ發(fā)電,電站總裝機(jī)容量約為85萬(wàn)kW。2.3高熱值高爐煤氣模式一(副產(chǎn)煤氣發(fā)電單一模式)與模式二(焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫,剩余煤氣發(fā)電)煤氣平衡和自發(fā)電比較見表3。從表3數(shù)據(jù)可以看出:①焦?fàn)t煤氣全部采用變壓吸附制氫,高熱值解吸氣返回的情況下,對(duì)鋼廠煤氣平衡的影響僅9%～10%;②高熱值解吸氣替代焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣混兌后,由于解吸氣熱值提高,在各主要工序(如焦?fàn)t、熱風(fēng)爐、加熱爐、CCPP)所需混合煤氣熱值保持不變的前提下,可多利用低熱值高爐煤氣約38687萬(wàn)m3/a(折合約4.2萬(wàn)t標(biāo)煤/年);③通過(guò)合理配置發(fā)電機(jī)組,鋼廠仍可實(shí)現(xiàn)電力自給,做到“只買煤、不買電、不用燃料油”。3現(xiàn)代鋼鋼公司的生態(tài)改造方案3.1t高爐渣水泥發(fā)展現(xiàn)狀高爐渣的成分與水泥接近,成為制作水泥的良好原料。利用高爐渣生產(chǎn)水泥由于可減少使用石灰石等天然資源等必需的焙燒過(guò)程,而減少能源消耗(圖2)。一般來(lái)講,使用1t高爐渣,相當(dāng)于節(jié)省生產(chǎn)1t普通水泥所需的資源、能源消耗,并相應(yīng)減少由此引起的CO2排放。目前高爐渣水泥中高爐渣的配比在40%左右,相應(yīng)可節(jié)省資源、能源消耗約40%,降低CO2排放約45%(表4)。對(duì)于年產(chǎn)粗鋼約900萬(wàn)t的新一代鋼廠,高爐渣產(chǎn)生量約223萬(wàn)t/a。目前最大的一條水泥生產(chǎn)線年產(chǎn)量約為350萬(wàn)t,按高爐渣配比41%左右估算,可利用高爐渣約143萬(wàn)t/a。剩余高爐渣,再加上部分鋼渣可建成年產(chǎn)80萬(wàn)t的礦渣微粉生產(chǎn)線,從而與建材行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈。3.2廢鋼、廢水、社區(qū)廢水新一代鋼廠不僅可以通過(guò)副產(chǎn)品煤氣的合理利用,實(shí)現(xiàn)“電力自給”,還有可能生產(chǎn)出氫氣等清潔能源,并通過(guò)冶金渣的再資源化等,發(fā)揮鋼廠的能源轉(zhuǎn)換功能;還可以利用鋼鐵生產(chǎn)流程來(lái)消納處理大量社會(huì)廢棄物,包括處理不同來(lái)源的廢鋼,利用焦?fàn)t、高爐處理大量廢塑料、廢輪胎、社會(huì)垃圾、社區(qū)廢水和污水等。鋼鐵工業(yè)是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)先切入點(diǎn)之一,在循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中,新一代鋼廠通過(guò)鋼廠功能的拓展,充分發(fā)揮鋼廠的鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能和廢棄物消納處理功能,并憑借自己的物質(zhì)流和能量流的優(yōu)勢(shì)、資金優(yōu)勢(shì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、人才優(yōu)勢(shì),促進(jìn)形成鋼鐵與發(fā)電、建材及石化(化工)等行業(yè)的工業(yè)生態(tài)制造鏈(圖3),從而實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、綠色制造,直至成為環(huán)境友好的循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重要一員。4與發(fā)電、工藝技術(shù)、行業(yè)以及黨的行業(yè)鏈接(1)新一代鋼廠以生產(chǎn)薄板及其深加工產(chǎn)品為主要目標(biāo),與此同時(shí),充分發(fā)揮鋼廠的鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能和廢棄物消納處理功能,適應(yīng)和促進(jìn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程。(2)新一代鋼廠副產(chǎn)品煤氣利用有燃料化利用和資源化利用兩種模式可供選擇,通過(guò)副產(chǎn)煤氣合理利用并集成到發(fā)電上來(lái),合理配置發(fā)電機(jī)組,新一代鋼廠可實(shí)現(xiàn)電力自給,做到“只買煤、不買電、不用燃料油”,并有可能開發(fā)出大規(guī)模制氫工藝。(3)新一代鋼廠可與發(fā)電、建材、石化等行業(yè)