高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術研究

田 瑋

(唐山鋼鐵國際工程技術股份有限公司)

0 引言

唐鋼北區2#高爐為并罐爐頂，有效容積為2 000 m3，爐頂壓力約200 kPa。料罐容積約29 m3，設置有二套均排壓系統。高爐正常運行過程中，在每次裝料前必須對料罐進行充壓操作，使料罐內的壓力與高爐爐頂壓力平衡，才可將下密封閥開啟，物料才能夠順利的裝入爐內。裝料結束后須將料罐內高壓煤氣對空放散，上密封閥方可開啟，完成向料罐裝料。高爐均壓放散煤氣通過旋風除塵器后直排入大氣。

高爐料罐均壓煤氣對空排放存在以下三個問題：產生噪音，影響了廠區周圍居民的生活；爐頂旋風除塵器只能除去煤氣中較大直徑的粉塵，其余的粉塵都隨著放散煤氣直接排入了大氣中，且高爐煤氣中含有大量的CO和少量的H2、CH4等有毒、可燃物的混合氣體。近年來，隨著日益嚴峻的氣候問題，以及建設低碳、清潔、高效型企業和資源節約、環境友好型企業的要求[1]，設計一套完整的高爐料罐均壓煤氣凈化回收系統，既能解決環境污染問題，又可以作為一種企業降本增效的有效手段。

1 技術難點分析

1.1 煤氣放散時間對高爐爐頂料罐作業率的影響

爐頂料罐泄壓就是將料罐內的高壓氣體排空至煤氣管網的過程,可視作料罐由罐壓P罐=200 kPa放氣至P管=10 kPa的過程。根據料罐放氣時間計算公式，可計算出爐頂料罐的瀉壓時間。

首先計算放氣時間常數τ,它表示料罐以聲速流量放氣時,料罐壓力從Ps到絕對真空所需的時間，計算公式為：

(1)

式中：V——料罐容積，m3；

k——絕熱指數，取k=1.4；

S——煤氣回收管道有效截面積，m2；

Ts——放氣的氣源絕對溫度，℃。

煤氣回收管道選用φ219×8的鋼管，鋼管的有效截面積為0.0314 m2,爐頂料罐容積為29 m3，罐內溫度約為150 ℃。按式(1)計算泄壓時間常數τ=2.76 s。

噴吹罐放氣時間(從P罐→P管)計算公式為：

(2)

將數值帶入式(2)得t泄=7.85 s。

經爐頂時序驗算，爐頂裝料周期僅增加8 s左右，幾乎不會影響到高爐的作業率。

1.2 回收煤氣時的壓力變化對煤氣管網的影響

爐頂料罐均壓煤氣是通過與凈煤氣管網的壓力差進行回收的，由于料罐放散煤氣壓力初期和末期的相差非常大，其回收過程類似于周期性氣體脈沖。所以在選擇并網點時應考慮在熱風爐之后接入，避開熱風爐燒這一最近的煤氣用戶。網后通過較長的主干管，使并網煤氣在管道中得到充分的緩沖，減小煤氣壓力波動，完全滿足用戶的使用要求。

1.3 回收煤氣溫度過低的問題

為了應對均壓煤氣溫度低、含濕量大的問題，可以通過提高均壓煤氣溫度來提高煤氣露點，是防止煤氣結露糊袋的主要措施，也可以增強除塵器的蒸汽伴熱功能，選擇具有良好憎水性能的濾袋，也可以減輕煤氣結露帶來的糊袋問題。

2 均壓煤氣回收系統技術方案

煤氣回收系統：首先從料罐放散管道引出用于煤氣回收φ219×8的管道，在爐頂依次設置二套盲板閥和均壓放散閥，管路沿高爐煤氣下降管引致地面上的布袋除塵器。由于煤氣回收時間～8 s，時間較短，瞬間煤氣流量較大，煤氣平均流量為3.625 m3/s，按此流量計算，每分鐘流量約為217.5 m3/min。為保證布袋除塵器的除塵效果，布袋除塵器濾袋過濾風速最高不超過0.60 m/min。因此，參與過濾的布袋除塵器的過濾面積應不小于362.5 m2，除塵器利用現有高爐煤氣除塵器備用箱體設置為2臺DN6 000箱體(過濾面積為1 340 m2，能夠滿足過濾要求)，除塵箱體一用一備。

除塵器箱體較大的容積可做為高壓煤氣的一個緩沖罐體，可有效消除高壓煤氣對煤氣管網的沖擊，從而達到在較短時間內盡可能多的回收煤氣的目的。煤氣經過除塵凈化后引入高爐煤氣減壓閥組后管網。由于每天回收的煤氣量不大，且經除塵器過濾后煤氣內含塵量較少，灰斗內每天收集的灰塵量也不多，故卸灰系統可采用0.5 m3倉泵，將灰塵輸及時送到就近的除塵器儲灰倉內[2]。

高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術適用于配備有無料鐘爐頂設備的高爐。它主要由均壓放散閥組、煤氣管道吹掃放散系統、除塵卸輸灰系統、氮氣系統、煤氣管道系統、輔助系統、控制系統組成構成，如圖1所示。

3 環境及經濟效益分析

工況下煤氣處理量的計算，根據高爐加料罐工作制度，系統中共設有二個加料罐，并聯使用，每個加料罐的容積為29 m3，二個料罐連鎖工作，每天放料約350次，經計算得出每小時產生的煤氣工況量約為420 m3/h，爐頂壓力按照200 kPa，爐頂煤氣溫度按照150 ℃，并網后煤氣溫度按照25 ℃，回收煤氣量可按下式計算：

圖1 爐頂均壓煤氣回收系統

(3)

按照式(3)計算可得回收煤氣量為882 Nm3/h。對于采用干法布袋回收工藝的高爐，煤氣回收率按90%考慮，每天可回收的煤氣量為：882 Nm3/h×24 h×0.9=19 052 Nm3/d；按煤氣價格0.09 元/Nm3，每天可回收利用的煤氣價值為：19 052 Nm3/d×0.09元/Nm3=1 715 元/d；按每年350天計，每年可產生的經濟效益約為：1 715 元/d×350 d=60 萬元。

由于本系統是加在旋風除塵器(旋風除塵器是粗過濾器，它的排放濃度為20 g/Nm3～30 g/Nm3)后的，使得原有氣體經過旋風除塵器后直接排放改為由布袋除塵后再排放，按旋風除塵器后的氣體含塵量25 g/Nm3計，每年少排放的灰塵量為：19 052 Nm3/d×25 g/Nm3×350 d=166.7 t，減小了空氣污染。

唐鋼北區2#高爐爐頂料罐均壓煤氣回收改造項目投資費用約165萬元，根據回收煤氣、粉塵及節約的電能計算，項目投資回收期約為1.95年。

4 結語

高爐料罐均壓放散煤氣凈化回收技術適用于配備有無料鐘爐頂設備的高爐。其特點在于完全利用料罐及煤氣管網自身的壓差進行煤氣回收，基本不再消耗能源。此技術具備工藝流程簡單、運行可靠性強、容易對現有爐頂系統進行改造等特點。同時又能回收高爐均壓煤氣，減少污染物及粉塵排放量，是一種節能環保的實用技術，且具有環保、和較好的經濟還社會效益。

[1] 王彥軍．高爐均壓煤氣回收探討[J].冶金動力，2012(6):30-33．

[2] 王洪軍．高爐爐頂料罐均壓放散煤氣回收的研究與應用[J]．冶金能源，2016(6):40-42．

[3] 文輝正．高爐爐頂排壓煤氣部分回收技術[C]．第八屆中國鋼鐵年會論文集[A]，北京：冶金工業出版社，2011:2103-2105.

[4] 周傳典．高爐煉鐵生產技術手冊[M]．北京:冶金工業出版社，2005:359-362.