煤氣柜在鋼鐵企業(yè)中的功能探索

（河鋼邯鋼集團(tuán)有限公司邯寶能源中心，河北邯鄲 056015）

引言

在鋼鐵工業(yè)中，煤氣柜在鋼廠可用于調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的煤氣供需平衡、緩解熱值波動、保障用能儲備，提供安全保障等，并逐漸成為鋼鐵企業(yè)不可缺少的關(guān)鍵能源設(shè)備之一，為煤氣合理利用發(fā)揮著重要作用。然而，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排壓力越加嚴(yán)重，為更加高效地利用煤氣這一主要能源，煤氣柜功能的進(jìn)一步發(fā)揮仍值得深入探討。

1 煤氣柜的種類和傳統(tǒng)作用

1.1 煤氣柜的種類

煤氣柜有濕式煤氣柜和干式煤氣柜兩大類。濕式煤氣柜因壓力低、柜容小、存在水污染等因素，逐漸停止使用，下文不作介紹。

干式煤氣柜是為適應(yīng)更大容量、更高壓力、快速存儲和吞吐煤氣需求而開發(fā)的，包括稀油密封的曼式柜、POS柜和橡膠膜密封的威金斯柜等。

曼式煤氣柜為筒狀直立多邊型結(jié)構(gòu)，儲氣量由幾萬m3到20萬m3不等，儲存壓力一般為4～8 kPa。

POS 煤氣柜為圓形筒狀直立式結(jié)構(gòu)，是曼式煤氣柜的改進(jìn)設(shè)備，密封壓力更高，升降速度更快，儲氣量由幾萬m3到30 萬m3不等，儲存壓力一般為4～12 kPa。

威金斯煤氣柜為圓形筒狀直立式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝同活塞卷動升降密封橡膠，儲氣量由幾萬m3到15萬m3不等，儲存壓力一般為2～4 kPa。

煤氣柜升降快速化是煤氣柜柜型的選擇，如近年來新建高、焦煤氣柜，均不選擇曼式柜，而選用POS柜。

1.2 煤氣柜的傳統(tǒng)作用

鋼鐵生產(chǎn)過程中面臨著幾個矛盾：煤氣生產(chǎn)連續(xù)，用戶檢修存在放散；用戶要求相對連續(xù)，轉(zhuǎn)爐煤氣回收的時間只有約15～18 min，不能滿足連續(xù)用戶要求；生產(chǎn)過程中熱值不穩(wěn)而用戶要求相對穩(wěn)定，如轉(zhuǎn)爐煤氣熱值在5434～7524 kJ/m3波動，而用戶要求一般波動不超過836 kJ/m3。煤氣柜可以很好地緩解以上矛盾。

(1)儲存煤氣。煤氣柜容積越大，儲存煤氣量越大，緩解富余煤氣功能越強(qiáng)，越利于儲存功能的發(fā)揮。儲存的煤氣在煤氣緊張時送出來，發(fā)揮儲存功能，在煤氣富余時將煤氣儲存起來，起到合理利用煤氣功能。在資金和位置允許的條件下，盡可能選擇大容量煤氣柜。高、焦?fàn)t煤氣柜容量由原來的5萬m3或8 萬m3，增 加 至10 萬m3、20 萬m3甚 至30 萬m3，轉(zhuǎn)爐 煤氣柜由 原 來的3 萬m3、5 萬m3或8萬m3，增加至10萬m3或15萬m3。

(2)穩(wěn)定管網(wǎng)壓力。煤氣柜與煤氣主管網(wǎng)聯(lián)通，可穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，也可直接為用戶穩(wěn)定壓力，如某鋼廠將煤氣柜設(shè)于CCPP 發(fā)電機(jī)組入口以穩(wěn)定壓力。

(3)管網(wǎng)安全保障。煤氣柜的一項(xiàng)重要功能，就是在煤氣生產(chǎn)突然中斷時，作為保安手段保證管網(wǎng)正壓，既避免出現(xiàn)煤氣管網(wǎng)煤氣短缺失壓出現(xiàn)爆炸風(fēng)險，又避免短期煤氣中斷事故恢復(fù)后對生產(chǎn)造成長期影響（注：煤氣安全規(guī)定，煤氣主管網(wǎng)一旦停用煤氣，重新恢復(fù)使用時需吹掃置換，達(dá)到使用條件后才能繼續(xù)使用。）

2 影響煤氣柜功能的因素

煤氣柜是活塞結(jié)構(gòu)，決定了煤氣柜是一種定壓設(shè)備，煤氣壓力高于氣柜的壓力才能充柜，低于氣柜壓力才能排柜。另外，還必須受活塞安全運(yùn)行速度的限制。煤氣柜要發(fā)揮緩沖調(diào)節(jié)作用，受管網(wǎng)壓力高低、氣柜容積、生產(chǎn)指揮和操作、生產(chǎn)節(jié)湊等諸多因素影響。

(1)管網(wǎng)壓力高且煤氣柜滿。在生產(chǎn)過程中，煤氣過剩，煤氣柜充滿后管網(wǎng)壓力仍然高于煤氣柜壓力，這種情況下，煤氣柜不能發(fā)揮作用。

(2)管網(wǎng)壓力低且煤氣柜低。在生產(chǎn)過程中，存在煤氣不足，煤氣柜降至最低位后，管網(wǎng)壓力仍然低于煤氣柜壓力，煤氣柜也不能發(fā)揮作用。

(3)管網(wǎng)煤氣壓力的高低與氣柜吞吐不同步。煤氣柜多數(shù)情況下是在生產(chǎn)指揮下運(yùn)行，而不是按照氣柜的容量與管網(wǎng)適時同步運(yùn)行，即未真正達(dá)到煤氣柜與管網(wǎng)壓力協(xié)同動作：管網(wǎng)壓力高于煤氣柜壓力時充柜，管網(wǎng)壓力低于煤氣柜壓力降柜，而是人為干預(yù)煤氣柜的運(yùn)行。

(4)管網(wǎng)壓力的高低與氣柜吞吐能力不同步。大用戶用量的變化需要煤氣柜及時將其變化量消納，而實(shí)際上一般高爐煤氣柜最大容量30 萬m3，小時消納能力約8～10 萬m3，焦?fàn)t煤氣柜20 萬m3，小時消納能力約6～8萬m3，不能滿足大用戶在較長時間負(fù)荷變化及不同用戶突然同時增減煤氣及時消納的需求。

(5)氣柜儲量與煉鋼生產(chǎn)、用戶使用不同步。煉鋼會出現(xiàn)兩座轉(zhuǎn)爐同時回收和一座轉(zhuǎn)爐回收煤氣情況，有時又有兩座轉(zhuǎn)爐均較長時間不能回收煤氣，若煤氣柜調(diào)配不好，必然出現(xiàn)影響煤氣回收和使用的情況。

3 煤氣柜功能挖掘

煤氣利用要求適應(yīng)生產(chǎn)多樣化、檢修不浪費(fèi)及使用穩(wěn)定均衡等需求，除煤氣生產(chǎn)和用戶進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整外，要求煤氣柜來盡可能解決煤氣產(chǎn)供不協(xié)調(diào)等問題，故而需煤氣柜發(fā)展大型化、快速化、智能化。

煤氣柜的智能化，就是通過自動化技術(shù)，根據(jù)用戶及生產(chǎn)需求，更快、更方便地適時調(diào)節(jié)，減少人為手動不及時等影響，這是值得探索的方向。

3.1 氣柜自動運(yùn)行

為避免氣柜受生產(chǎn)、操作等影響，若能將氣柜的運(yùn)行適時與煤氣管網(wǎng)壓力相結(jié)合，就能最大限度地發(fā)揮作用，為此開發(fā)氣柜功能如下。

(1)壓力同步。在氣柜的正常升降區(qū)域范圍內(nèi)，讓氣柜運(yùn)行與煤氣管網(wǎng)壓力協(xié)調(diào)同步運(yùn)行。即實(shí)現(xiàn)氣柜出入口閥門常開，管網(wǎng)壓力與氣柜壓力相對穩(wěn)定。

(2)速度同步。讓氣柜運(yùn)行速度與管網(wǎng)壓力同步，保持氣柜運(yùn)行速度在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，氣柜入口閥門開度與氣柜升降速度形成聯(lián)鎖動作，即管網(wǎng)與氣柜壓力差小時，氣柜入口閥門開度增大，管網(wǎng)與氣柜壓力差大時，氣柜入口閥門開度減小，實(shí)現(xiàn)氣柜升降速度與閥門開度大小相匹配，從而實(shí)現(xiàn)氣柜在相對較高的運(yùn)行速度運(yùn)行，保證較高的運(yùn)行效率。

(3)經(jīng)驗(yàn)同步。根據(jù)管網(wǎng)壓力高低與氣柜設(shè)計(jì)壓力，按運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分級設(shè)定閥門開度，并將其編入程序，具體見表1。

(4)安全同步。安全同步優(yōu)于壓力同步。該同步主要作用是保氣柜在安全范圍內(nèi)運(yùn)行（即氣柜在管網(wǎng)壓力低時不著床，在管網(wǎng)壓力高時不冒頂）：當(dāng)管網(wǎng)壓力高時保氣柜安全，即實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力高，氣柜高位時，氣柜入口閥門關(guān)，不充柜；盡管管網(wǎng)壓力低但氣柜仍在低位時，氣柜入口閥門關(guān)，不排柜；在氣柜充、排柜達(dá)到氣柜高或低限時，報警，達(dá)到高高或低低限時，自動停止充或排柜。

表1 10 Pa氣柜壓力閥門控制表

(5)完善安全保護(hù)模式。增加升降速度保護(hù)，確保氣柜運(yùn)行安全。一是運(yùn)行速度控制，在自動程序中增加氣柜升降速度與閥門開度對應(yīng)控制模式，以保證氣柜升降在允許范圍內(nèi)。二是油位控制，在氣柜密封油位設(shè)報警和低限保護(hù)，達(dá)到低限油位，氣柜停止運(yùn)行。三是在氣柜油位差增加保護(hù)，油位差達(dá)到一定數(shù)值時，限制運(yùn)行速度，直至關(guān)閉氣柜出入口閥門。四是CO 泄漏檢測，在氣柜活塞的CO 泄漏由原來的四點(diǎn)檢測增加至八點(diǎn)檢測，并設(shè)置一點(diǎn)超標(biāo)，停運(yùn)氣柜的安全模式。

3.2 縮小影響煤氣柜運(yùn)行因素

(1)減少用戶影響。做到避免用戶集中檢修，避免同時大量用氣和同時減少用氣，盡可能將各用戶的大小量用氣均開，達(dá)到減少煤氣壓力波動的目的。

(2)減少檢修影響。做到煤氣大用戶與煤氣產(chǎn)生點(diǎn)同步檢修，避免兩個以上用戶同時檢修，加強(qiáng)設(shè)備管理，減少或避免煤氣用戶的設(shè)備事故等。

(3)減少品種影響。煤氣用戶多數(shù)為軋鋼用戶，其用量受品種影響大，如大規(guī)格、厚規(guī)格、寬規(guī)格用量大，小規(guī)格、薄規(guī)格、窄規(guī)格用量小。因此在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能將各軋鋼用戶大小、厚薄及寬窄規(guī)格間隔錯開生產(chǎn)，以減少煤氣用量波動。

3.3 調(diào)節(jié)用戶的壓力自動跟蹤功能

調(diào)節(jié)用戶的用量和調(diào)節(jié)能力，是煤氣利用效率高低的關(guān)鍵。在實(shí)現(xiàn)煤氣柜自動與管網(wǎng)壓力同步運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)用戶的燃燒專家系統(tǒng)（如發(fā)電機(jī)組鍋爐的自動燃燒系統(tǒng)），使其煤氣量根據(jù)管網(wǎng)煤氣壓力高低情況自動增減。如高爐煤氣壓力為6～8 kPa 時，不增減煤氣量和鍋爐負(fù)荷；高于8 kPa 時自動增加煤氣量，鍋爐加負(fù)荷，風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)煙氣中CO 和氧含量及爐膛負(fù)壓自動調(diào)整，當(dāng)壓力低于8 kPa 時停加負(fù)荷；當(dāng)壓力低于6 kPa 時自動減少煤氣，鍋爐自動減負(fù)荷，當(dāng)壓力高于6 kPa 時停減負(fù)荷。焦?fàn)t煤氣與之相近。轉(zhuǎn)爐煤氣沒有單獨(dú)進(jìn)鍋爐，而是根據(jù)回收和用戶情況，自動摻入高爐煤氣管網(wǎng)中。

為保證轉(zhuǎn)爐煤氣管網(wǎng)正常壓力在12～14 kPa，可當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣管網(wǎng)壓力高于14 kPa 時，開大轉(zhuǎn)爐煤氣調(diào)節(jié)閥開度，增加混入高爐煤氣管網(wǎng)量，直至轉(zhuǎn)爐煤氣管網(wǎng)壓力低于14 kPa。

3.4 峰谷發(fā)電與煤氣柜同步

河北省2019 年峰段電價0.78 元/kWh，尖峰段0.88 元/kWh，谷段電價0.34 元/kWh，故需增加峰段調(diào)節(jié)用戶用量，以增加峰段發(fā)電量，減少谷段調(diào)節(jié)用戶用量，以減少谷段發(fā)電量。在安全生產(chǎn)保障的前提下，煤氣柜在自動運(yùn)行程序中增加峰谷充排柜限制，即峰段時間內(nèi)管網(wǎng)壓力高時也不充柜，谷段時間內(nèi)管網(wǎng)壓力低時也不排柜，其效益非常可觀。

增加峰谷調(diào)節(jié)手段，即高爐煤氣在谷段運(yùn)行壓力由原來8～12 kPa 提升至9～13 kPa，焦?fàn)t煤氣在谷段運(yùn)行壓力由原來的4～6 kPa 提升至5～7 kPa，這樣減少谷段發(fā)電量，增加谷段氣柜充柜。高爐煤氣在峰段運(yùn)行壓力由原來8～12 kPa 降低至7～11 kPa，焦?fàn)t煤氣在峰段運(yùn)行壓力由原來的4～6 kPa降低至3～5 kPa，這樣增加峰段氣柜外送量，增加峰段發(fā)電。

另外，因峰段有兩個時間段，中間間隔一個平段，在平段也按谷段增加充柜。

氣柜自動運(yùn)行程序編入峰谷平段時間：在峰谷段時間內(nèi)，增加峰段不允許充柜，除非高爐煤氣壓力高于16 kPa和焦?fàn)t煤氣壓力高于8 kPa，且持續(xù)時間在3min以上才允許充柜；同樣增加谷段不允許排柜，除非高爐煤氣壓力低于6 kPa 和焦?fàn)t煤氣壓力低于2 kPa，且持續(xù)時間在3 min 以上才允許排柜。這樣讓電廠鍋爐調(diào)節(jié)用戶來調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，以實(shí)現(xiàn)增加峰谷發(fā)電目的。

4 效益評估

按照500 萬噸鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，配套焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、熱軋及冷軋全系統(tǒng)，高爐煤氣柜30 萬m3、焦?fàn)t煤氣柜20 萬m3、轉(zhuǎn)爐煤氣柜15 萬m3考慮，配套三臺套260 t/h 鍋爐及60 MW 高溫高壓發(fā)電機(jī)組，若實(shí)現(xiàn)以上所有的煤氣柜功能，并考慮峰谷時間，每天兩次充排柜，高爐煤氣柜按每天40 萬m3吞吐能力、焦?fàn)t煤氣柜每天20 萬m3吞吐能力，僅四個月峰谷發(fā)電差所創(chuàng)造的效益可達(dá)1600多萬元。

5 結(jié)語

總之，挖掘煤氣柜功能，實(shí)現(xiàn)煤氣柜自動運(yùn)行，與調(diào)節(jié)用戶相結(jié)合，與管網(wǎng)壓力相匹配，不僅可以平衡管網(wǎng)壓力，又可提高用氣效率，優(yōu)化峰谷發(fā)電，創(chuàng)造可觀的效益。