大容量高爐煤氣回收再利用及其計量方法研究

馬士杰

濱州市計量所，山東濱州 256606

眾所周知，高爐煤氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，但同時又可在動力鍋爐中使用，但因其組分比較復(fù)雜，一直不能得到很好的回收利用，本文在中小容量鍋爐積累的單燒或混燒的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對純高爐煤氣通過高溫高壓動力鍋爐燃燒使用進行的回收再利用進行初步探索，以期起拋磚引玉之效。

1 高爐煤氣的著火熱

人們一提起高爐煤氣，多少有點談虎色變，尤其是不少電站鍋爐，即使按混燒設(shè)計，仍無法按設(shè)計比例混燒，例如萊鋼現(xiàn)有數(shù)臺220t/h煤粉和高爐一起混燒鍋爐至今仍不能將高爐煤氣有效投入。所以這種擔心不無道理。高爐煤氣的余壓利用也是研究著火熱的一個關(guān)鍵之處，進入煤氣余壓回收裝置之前，要經(jīng)過重力除塵和文丘里管水清洗等有效凈化措施才能夠利用其進行發(fā)電或供熱。

根據(jù)某煉鋼集團公司實際生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)顯示，其組成比例如表1所示：

CO C02 N2 H2 CH4 QKJ/m3

25.255 19.572 54 1.07 0.1 3341

高爐煤氣著火溫度和煤氣組成及試驗條件有關(guān)，高低相差甚大，在此取高值660℃作為計算用定性溫度。

將高爐煤氣和空氣的混合物加熱至著火溫度Tzh所需要的熱量稱為著火熱，用Qzh（Kcal/m3· h）表示。

Qzh=Bj[（voac）（Tzh-To）+Cm(Tzh-Tm)]

式中Bj-計算燃料消耗m3/h (Bj=195815m3/h)

vo-理論空氣量

C-空氣比熱Kcal/ m3℃

a-燃燒器過量空氣系數(shù)

To-空氣進入爐膛溫度℃

Cm-高爐煤氣比熱Kcal/ m3℃

Tm-高爐煤氣進入爐膛溫度℃

根據(jù)上述公式，當著火燃料量相當于額定出力時，得出燃料量的百分比為30%左右。

2 高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒

因為受到實際生產(chǎn)過程中各種因素影響，要想保障穩(wěn)定燃燒，必須使混合氣體的溫度遠遠高于著火點，由于高爐煤氣參與燃燒的量很大，使得升溫速度很慢，導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性不好。另外，氣體分子間能夠發(fā)生有效碰撞也是重要條件之一，由于存在大量的二氧化碳和氮氣成分（占到總體的70%以上），使得氣體分子間發(fā)生有效碰撞的幾率大打折扣，宏觀上表現(xiàn)為燃燒速度慢，燃燒不穩(wěn)定。

雖然存在以上種種不利因素，但高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒并不是不能實現(xiàn)，目前，儲熱式燃燒技術(shù)是較為理想的一種技術(shù)，它把回收煙氣余熱與高效燃燒及氧化氮減排等技術(shù)有機結(jié)合，從而達到節(jié)能減排的目的。該系統(tǒng)由儲熱式燒嘴、換向裝置、管路網(wǎng)絡(luò)、調(diào)節(jié)閥門、強制排煙裝置組成，空氣預(yù)熱溫度可高達一千度以上，利用該節(jié)能技術(shù)后，噸鋼煤耗可降為120 kgce，節(jié)能效果大于30%。

沾污系數(shù)：爐膛沾污系數(shù)的選取對于高爐煤氣的回收再利用也非常關(guān)鍵。考慮到高爐煤氣中含有一定的灰分，根據(jù)實際運行經(jīng)驗選取參考范圍為0.6～0.8，是否恰當還有待運行實踐驗證。

3 預(yù)熱式熱風爐技術(shù)

當熱風爐處于燃燒狀態(tài)時，冷空氣、冷高爐煤氣經(jīng)過空氣換熱器、煤氣換熱器后被預(yù)熱，進入熱風爐的燃燒器，在燃燒室內(nèi)混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣大部分通過熱風爐內(nèi)的蓄熱體，將大部分熱量留在蓄熱體后，廢氣排入煙道，通過設(shè)在煙道內(nèi)的空氣、煤氣換熱器后，進入煙囪排入大氣。高爐煤氣的理論空氣量為0.636，煤氣量是空氣的1.6倍，煤氣空氣混合均勻加熱到著火溫度所需的著火熱中加熱煤氣的熱量占到60%。所以在條件許可情況下，將煤氣加熱到一定溫度對提高著火熱效果是至關(guān)重要。

眾所周知，熱管換熱器依靠流體相變來傳遞熱量，傳熱系數(shù)高，還可采用熱流方式達到最大溫差。使用分體式熱管傳熱，傳熱系數(shù)提高6倍，相應(yīng)的受熱面積減少了六分之五，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊許多，雖然成本增加但后期維護費用低，所以采用該換熱器對于實現(xiàn)煤氣再利用及節(jié)能減排的意義重大。

熱風爐燃燒用的空氣、煤氣通過空氣換熱器、煤氣換熱器后，將冷空氣、冷煤氣預(yù)熱成熱空氣、熱煤氣后進入燃燒器，所以火焰溫度大大提高，熱風爐拱頂溫度可達到1300℃～1350℃，從而使熱風爐向高爐送風的溫度達到1200℃以上。

4 計量方法

目前，國內(nèi)的多相流量計研制還處于起步階段，所推出的產(chǎn)品樣機還存在許多問題，還沒有研制出真正的凝析煤氣流量計。由于煤氣工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展及推動，多相流的在線計量技術(shù)仍然是當前乃至今后一段時間內(nèi)的研究熱點。凝析煤氣的在線計量技術(shù)已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注，因此我們采用通過水封后的氣體進行加溫處理，發(fā)現(xiàn)提高溫度對降低氣體濕度的效果非常明顯，并且用于加溫的蒸氣是二級脫萘的放空余汽，可以回收利用。采用的加溫處理設(shè)施為夾壁管道，同時采取措施對前后測量管段進行保溫處理，使其始終保持比測量裝置前氣體溫度高5-10℃。

采用的測量設(shè)備主要有：1）渦輪式流量積算儀；2）電容式差壓變送器、電容式壓力變送器 （Ⅲ 型 0.5級）、溫度變送器（Pt100 4-20mA 0.5級）；3）在線式孔板閥及標準孔板、測溫儀（Pt100）、（45-95%RH）在線濕度計。

該測量系統(tǒng)主要由PLC數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、上位機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)三部分組成。采用A—B公司的功能強大的小型控制器ML1500和組態(tài)軟件平臺CitectSCADA6.10，使用計算機軟件對變送器輸出的信號進行采樣計算，可以減少由于縮頸以及流體與節(jié)流件的碰撞分離效應(yīng)產(chǎn)生的斷續(xù)通過的現(xiàn)象，使測量值更加平穩(wěn)準確。

本文提供的設(shè)計方法設(shè)計的流量計量裝置已在有關(guān)使用單位進行試運行，根據(jù)規(guī)程進行檢定，當置信概率為90%時，氣相測量精度為±3%，液相精度為±7%，基本滿足計量規(guī)程JJG198-1994《差壓式流量計計量檢定規(guī)程》要求。

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