燃氣資源梯級利用研究與實踐

冀佩璇，羅秀文

（1.呼和浩特中燃武川縣子公司；2.呼和浩特中燃城市燃氣發展有限公司，呼和浩特 010000）

企業在建廠初期沒有投入焦爐設備，煤氣生產主要包括轉爐煤氣和高爐煤氣。轉爐煤氣熱值為 7 300 kJ/m3，高爐煤氣設置為3 150 kJ/m3，都屬于低熱值煤氣。由于生產工藝要求，需要選擇高熱值天然氣作為燃料，這樣就可以開展魚雷罐烘烤、熱處理爐升溫加熱等生產工藝。該企業外購天然氣主要采用管道輸送方式，該天然氣屬于優質氣體燃料，低位發熱值為33 000 kJ/m3。

1 企業燃氣情況分析

1.1 天然氣消耗

2017年，該企業噸鋼天然氣消耗量為5.76 kg，能源消耗比較高。遷鋼天然氣消耗量為0.67 kg[1]。該企業中間包、鋼包、魚雷罐以及真空室都需要使用天然氣作為燃料，通過與其他同類企業交流得知，我國多數鋼鐵企業都采用轉爐煤氣或者高爐煤氣烘烤工藝，只有少數企業采用天然氣作為燃料。使用天然氣烘烤用能設備會顯著增加能源消耗量，極大浪費了天然氣能源[2]。

1.2 轉爐煤氣回收率低

該企業2017年噸鋼轉爐煤氣回收率為107 m3，熱值超過7 000 kJ/m3，遷鋼轉爐煤氣回收率比較高，并且可以有效降低煤氣中一氧化碳含量，滿足回收標準，噸鋼水平大于116 m3，熱值小于7 000 kJ/m3。其他同類企業在回收轉爐煤氣時只確保氧氣體積分數達標即可，回收水平明顯高于該企業，但熱值明顯低于該企業。所以，該企業轉爐煤氣數量損失比較大，并且熱量過剩。

2 轉爐煤氣替代天然氣分析

2.1 分析轉爐煤氣和天然氣互換性

由于轉爐煤氣熱值比較低，代替天然氣烘烤用能設備可以有效減少天然氣消耗量，所以該企業可以采用轉爐煤氣代替天然氣實現梯級利用效果。轉爐煤氣和天然氣互換主要包括熱負荷強度參數和火焰穩定參數。在不更換燃燒器的條件下，將天然氣和轉爐煤氣進行替換時只需要確保兩者的熱負荷強度參數和火焰穩定參數接近即可實現替換[3]。可以通過燃燒勢能判斷火焰穩定性，燃燒勢能主要反映燃燒速度對回火、離焰的影響，用CP表示。華白數可以作為熱負荷強度參數參考值，如式（2）所示。如果轉爐煤氣和天然氣密度、熱值不相同，只需要確保華白數相同即可。

式中，K為燃氣中氧含量修正系數；s為相對密度；φ(H2)、φ(CO)、∑φ(CmHn)、φ(CH4)為燃氣中不同成分的體積分數。

式中，H表示燃氣熱值。

通過對轉爐媒體成分、密度和熱值進行測量計算可知，轉爐煤氣燃燒勢能為33.5，天然氣燃燒勢能為36.8，轉爐煤氣和天然氣華白數分別為6.0 MJ/m3、 52 MJ/m3。由計算結果能夠看出，在天然氣烘烤器上燃燒轉爐煤氣無法獲得相同熱負荷，因此將轉爐煤氣替換為天然氣時需要將燃燒器進行更新升級。

2.2 明確置換量

為了確保燒烤效果一致性，在對設備進行改造時確保燒烤工藝和熱負荷一致。在改變燃料和燃料器之后，可以利用式（3）計算出燃料需求量。

式中，B''和B'分別為變更后和變更前燃料使用量；Q'為燃氣變更前低位發熱量；Q''為燃氣變更后低位發熱量；η'為變更前燃料利用系數；η''為變更后燃料利用系數。

燃料利用系數和燃料熱值會直接決定轉爐煤氣替換天然氣烘烤用能設備，燃氣空燃比、燃料器以及余熱余能利用情況會對燃料利用系數造成影響。

3 轉爐煤氣烘烤改造效果分析

3.1 燃燒器選型分析

該企業所應用的烘烤設備為套筒燒嘴，該烘烤設備的特點在于結構簡單，煙氣燃燒具有較高的噴射速度，火焰適中。通過對該企業魚雷罐分析可知，該烘烤器屬于T 型套筒燒嘴，運行功率在2.75 MW。該設備只將調節閥門設置在天然氣口，沒有設置在助燃風末端。因此，無法通過烘烤器輸出功率對助風末端進行調整，這樣就降低了烘烤效率，導致天然氣能源浪費嚴重。

在實施改造之前，天然氣瞬時消耗量超過300 m3/h， 在實施改造后，為了確保烘烤效果相同，還是將T型套筒燒嘴作為轉爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為 3 MW。

作業區轉爐煤氣壓力在5 kPa，熱值為6 250 kJ/m3， 助燃風機風量為3 000 m3/h，壓力為4.3 kPa。按照工業爐設計手冊中所規定的公式進行計算。轉爐煤氣流通面積為254 cm2，煤氣通道為Φ215 mm，轉氣燒嘴最大燃燒能力為1 795 m3/h；空氣流通面積為 314 cm2，空氣通道為Φ366 mm，空氣最大流量為 2 495 m3/h。燃燒器主要由調節閥、火焰監視器、快切閥以及壓力表等設施組成，烘烤效果顯著，可以全面提升生產安全性。

3.2 現場烘烤試驗

在烘烤魚雷罐時采用轉爐煤氣燃料，內襯升溫均勻平穩，滿足烘烤曲線要求。魚雷罐大修烘烤確保在95 h 將內襯從常溫條件下烘烤到1 000℃。首先需要在48 h 內升溫到300℃，之后保溫6 h。大火升溫至600℃，升溫時間控制在15 h 以內，同時保溫時間控制在3 h。最后通過大火烘烤升溫到1 000℃，保溫4 h[4-5]。為了對轉爐煤氣烘烤效果進行驗證，試驗期間應當確保溫度升高與烘烤曲線相同。由于該企業適用老式魚雷罐體，因此不能對包襯溫度進行監測，此時可以通過罐體表面溫度監測來判斷烘烤過程，如圖1所示。

圖1 烘烤過程罐體溫度上升曲線

經過現場試驗后，將轉爐煤氣設定為600m3/h，助人空氣設置在845 m3/h，采用小火烘烤，其間罐體兩端溫度和中部溫度滿足溫升曲線，可以在48 h 內將溫度升高到300℃。在大火烘烤過程中，將轉爐煤氣設定為1 500 m3/h，助人空氣設置在2 000 m3/h，其間罐體兩端溫度滿足溫升曲線，中部溫度升高緩慢，無法在48 h 內升溫到1 000℃，如圖2所示。

圖2 烘烤過程煤氣與空氣流量

在對大火烘烤條件下的空燃配比進行優化之后，不改變轉爐煤氣，將助燃空氣設置在1 800 m3/h，使煙氣產生量降低，避免其分散有效顯熱，使整個罐體都能夠充分吸收熱量，全面加強罐體烘烤效果。通過溫升曲線對罐體進行升溫處理，確保其滿足烘烤效果。

通過此次試驗研究結果可以看出，在烘烤魚雷罐時將轉爐煤氣作為燃料，具有顯著的效果，按照標準工藝要求，可以將罐體內襯溫度升高到1 000℃，整個烘烤過程滿足生產標準。因此，使用轉爐煤氣替換天然氣烘烤用能設備具有顯著效果。

3.3 提升轉爐煤氣回收率

該企業轉爐吹煉期間，煙氣中一氧化碳體積分數大于30%，氧氣體積分數小于1.5%時即可回收煤氣。當一氧化碳體積分數小于30%，氧氣體積分數大于1.5%時，停止回收煤氣。在整個吹煉工藝中，為了確保魚雷罐設備烘烤轉爐煤氣充足，確保氧氣體積分數小于1.5%，適當降低轉爐煤氣回收中一氧化碳標準，以提升轉爐煤氣回收率。

企業轉爐煤氣設備中最重要的就是套筒窯，該設備熱值最低要求在6 295 kJ/m3，通過降低一氧化碳回收標準，煤氣熱值應當大于套筒窯熱值最低要求。通過熱值在線分析儀降低一氧化碳回收標準，回收試驗的每級標準都進行跟蹤調查。結果顯示，在降低一氧化碳回收標準后，轉爐煤氣熱值明顯降低。

通過此次試驗可以看出，當一氧化碳體積分數小于20%，氧氣體積分數小于1.5%時，停止回收煤氣，此時煤氣熱值在在6 295 kJ/m3，屬于最佳回收范圍。延長轉爐煤氣回收時間，以有效提升煤氣回收率[6-7]。為了提高轉爐煤氣回收率，必須對煤氣進行重新平衡處理，增加轉爐煤氣回收量，以此滿足企業魚雷罐烘烤、鋼包離線烘烤、中間包在線烘烤燃料要求，使用轉爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應用到發電中，全面增強企業富余煤氣的發電能力[8]。通過替換改造后，該企業天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本也明顯減少。

4 結語

該企業中間包、鋼包、魚雷罐以及真空室都需要使用天然氣作為燃料，在對轉爐煤氣燒嘴和燒烤工藝進行優化設計后，合理設置空燃配比，并按照溫升曲線可以將轉爐煤氣作為魚雷罐烘烤燃料，使該設備內襯溫度達到1 000℃，整個烘烤過程滿足技術標準。在實施改造之前，天然氣瞬時消耗量超過300 m3/h，在實施改造之后，為了確保烘烤效果相同，還是將T型套筒燒嘴作為轉爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為3 MW。通過此次試驗可以看出，將天然氣替換為轉爐煤氣，可以有效充當魚雷罐、中間包、鋼包以及真空室烘烤工藝所需的燃料。對轉爐煤氣回收率進行試驗分析可得，當一氧化碳體積分數小于20%，氧氣體積分數小于1.5%時，停止回收煤氣，此時煤氣熱值在在6 295 kJ/h，屬于最佳回收范圍。使用轉爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應用到發電中，全面增強企業富余煤氣發電能力。通過替換改造后，該企業天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本明顯減少。因此，使用轉爐煤氣替換天然氣烘烤用能設備具有顯著的效果，值得推廣應用到燃氣梯級利用中。