高炉炉顶均压放散工艺方案优化分析

高炉炉顶均压放散工艺方案优化分析王小伟，唐恩，范小刚，周强，李菊艳(中冶南方工程技术有限公司，武汉，)摘要：针对当前高炉炼铁均压放散时，煤气直接对空排放的现状，为了减少煤气排放，降低环境污染，提出了气囊法、引射法和气体替代法等新型炉顶煤气均压放散工艺。以上三种新工艺操作简单，自动化程度高，均能实现煤气的回收利用。但气囊法占地面积大，运行维护成本高，当煤气与通入气囊气体单价比值大于4时，才能获得经济效益；引射法可实现煤气与粉尘的完全回收，具有很好的经济和环保效益，由于需要增加除尘设施和引射器，比较适用于新建高炉；气体替换法可回收绝大部分煤气，却无法避免粉尘的排放，但与传统均压放散工艺相比，仍能获得巨大的经济和环保效益，且固定投资少，操作灵活，不仅适用于新建高炉，也适用于现有高炉。关键词：均压放散；气囊法；引射法；气体替换法引言目前，世界范围内的料罐均压放散工艺基本均采用传统的均压放散技术，即采用半净煤气或净煤气一次均压，氮气二次均压，放散时含粉尘的荒煤气直接对空排放。平均吨铁的荒煤气放散量约为79Nm3tFe，粉尘量为280400gtFe。按照我国目前年产铁水6亿吨计算，年煤气排放量高达4254亿m3，粉尘排放量达16824万吨，除了对环境产生巨大的污染外，还造成大量的资源浪费，是一笔巨大的经济损失，不符合我国钢铁行业节能减排，发展低碳经济的要求。因此，若能开发出一种新的均压放散技术，杜绝均压放散煤气直接对空放散，既能减轻环境污染，有利于建立环境友好型钢厂，又能回收大量的煤气资源，获得良好的经济效益，具有广阔的市场前景。2 国内外研究现状在上世纪七八十年代，前苏联、日本等国即有对均压放散工艺优化的尝试，并投入工业生产1。其中，由日本石川岛播磨重工业公司研制成功，在鹿岛厂1号高炉投入使用的均压回收设备，更是获得了日本1980年节能设备优秀项目奖。在国内，上世纪九十年代，当时的重庆钢铁设计院公开了一种利用引射器、文氏管除尘器和脱水器构成的湿法煤气回收系统的专利2，鞍山亨通高炉设备工程技术有限公司2010年也公开了一种利用布袋除尘器净化炉顶煤气并回收进入净煤气管网的专利方法3。以上国内外各方法虽有不同，但核心思想均为通过一定的方式，将炉顶料罐内的煤气引入净煤气管网，实现煤气的回收。然而，由于各方法均存在一定的缺陷，有的直接将炉顶煤气排入净煤气管网对净煤气造成污染，有的仅局限于湿法除尘，有的无法实现煤气短时间内有效回收，最终均没有推广使用。本文针对已知各技术存在的特点，提出了气囊法、引射法和气体替换法，对高炉炉顶称量料罐放散的煤气进行有效回收，实现节能减排的目标。3 方案分析31 气囊法311 方案介绍气囊法是通过将称量料罐内的煤气排入一个钢制密封罐内，达到煤气回收与循环利用之目的，其工艺示意图如图1所示。密封罐内有一个气囊装置，均压时，打开氮气切断阀和均压放散阀，通过氮气罐向密封气囊内输送高压氮气，使密封气囊膨胀，将密封罐内的均压煤气压入炉顶称量料罐，当料罐内压力与高炉内压力一致时，均压完毕。放散时，打开均压放散阀和氮气放散阀，气囊内的氮气通过氮气放散阀排入大气，气囊体积收缩，称量料罐内放散的煤气进入密封罐内，当料罐内的煤气放散至常压时，放散完毕。紧急状况下，可打开事故放散阀，放散煤气。充入密封气囊的气体也可使用不对密封罐造成安全隐患的其它气体。本文中结合钢铁厂实际以及叙述方便，采用氮气作为充入密封气囊的气体。气囊法的工艺原理是假定煤气在均压放散过程中无温度变化，根据波义耳定律，料罐中的煤气放散时，等温膨胀进入密封罐内；均压时，往气囊中充入氮气，占据之前放散煤气的体积，从而将煤气再等温压缩进入料罐中。如此，即可实现料罐的均压放散和料罐煤气的回收和循环利用，避免直接排入大气造成污染和资源浪费。为了确定均压时氮气的用量，须计算出气囊和密封罐的大小。各参数的定义如下：Pg：料罐压力；P：大气压力；Vg：料罐体积；Vn：气囊体积；Vh：回收体积；Vd：消耗氮气体积；则根据波义耳定律，有：PgVg=P(Vg+Vh) (1)PgVh=PVd (2)由方程(2)知，Vd=PgPVh (3)一般情况下，称量料罐内表压为025MPa，即实际压力为035MPa，则代入方程(3)中，可知Vd=35Vh即每次回收过程中，消耗的氮气体积是煤气放散体积的35倍。实际上，由于密封罐上部和下部以及回收管路上有一定的体积空间，该部分的气体也需在均压时，被气囊压至与料罐内压力一致，实际所需的气囊体积VnVh，故Vg35Vh，实际设计中，每次消耗的氮气体积至少为回收的煤气体积的4倍。312方案评估由于消耗的氮气量较多，因此运行费用也较高，采用该技术的实际运行费用取决于钢铁厂内的介质结算价格，同样的工艺对有的企业是盈利的，对于有的企业也许就是亏损的。总之，当煤气与通入气囊的气体单价比大于4时，采用该工艺即可实现盈利。由于称量料罐放散的煤气均进入了密封罐，因此密封罐的体积较大，对于一个有效容积30m3的料罐，回收煤气所需的密封罐尺寸为直径42m，高8m，导致体积过大，不适宜置于炉顶平台，除需增加额外的占地面积外，还增加了固定投资。此外，气囊作为易耗品，每次更换也比较麻烦，增加工人作业量。32 引射法321 方案介绍引射法回收煤气的核心思想，也是将称量料罐煤气通过一定的方式引入净煤气管网中，实现煤气的回收利用。该法中，为了使净煤气管网中的净煤气不受料罐煤气的污染，料罐煤气在进入净煤气管网之前，采用布袋除尘器(或电除尘器)除尘；而为了在规定的的时间内将煤气回收完毕，经过除尘的煤气通过引射器的作用，使其快速回收入净煤气管网，达到放散至常压的目的。该方法的具体回收流程见图2所示，均压放散连接的布袋除尘器与高炉炉顶煤气布袋除尘器系统是并联的。布袋除尘器后串联引射器，引射器入口段包含两个入口，分别为工作管和引射管。工作管通过管道和工作气体连接，引射管通过管道和引射器切断阀与布袋除尘器相连接以接入布袋除尘后的净煤气。1高炉本体；2下料闸；3称量料罐；4均压放散管道；5均压放散切断阀；6旋风除尘器；7旋风除尘放散阀；8半净煤气充压阀；9氮气充压阀；10布袋切断阀；11净煤气放散阀；12清灰阀；13布袋除尘器；14引射器切断阀；15工作流体切断阀；16引射器；17切断阀；18净煤气管网称量料罐的均压过程与目前传统的均压过程一致，而煤气放散回收过程则分为自然回收和强制回收两步进行。放散时，料罐内的煤气经旋风除尘器粗除尘后，进入布袋除尘器精除尘，由于开始放散时，料罐内的压力相对净煤气管网较高，能自动进入净煤气管网而进行自然回收。当料罐内压力降至50100kPa时，由于料罐和净煤气管网的压力差减小及阻损等原因，煤气进入净煤气管网的速度减慢，为了在规定的时间内将料罐内煤气降至常压，此时，采取强制回收措施，打开引射器的工作流体切断阀，启动引射器，在高压工作流体的引射作用下，剩余的煤气被快速引射入净煤气管网。当料罐内压力降至常压时，停止引射，结束放散过程。322方案评估该法操作简单，能实现炉顶均压放散煤气的完全回收，带来良好的环保效益。在运行费用方面，由于仅在回收后期采用强制回收，消耗的工作气体较少，运行成本较低，具有良好的经济效益。工作气体可以是高压氮气，高压水蒸汽，也可以是经过净化且未经减压的高炉净煤气。若采用高压氮气或水蒸汽作为引射器工作气源，每次放散过程回收的煤气经济价值要远高于工作气体消耗的支出价值，若采用高压的高炉净煤气作为工作气体，可进一步降低运行费用，获得更大的经济效益。但由于高压净煤气的压力小于高压氮气或水蒸汽，引射所需的时间比采用氮气或水蒸汽等气源要长，因而会延长整个放散过程回收时间。氮气与水蒸汽相比，水蒸汽价格较低，但由于煤气中含有氯离子，会对引射器等造成腐蚀。因此，高压净煤气、氮气、水蒸汽三者各有优劣，厂家结合实际可综合考虑后选择合适的引射器工作气源。在固定投资上，由于增加了除尘器系统和引射器，该法与传统均压放散方法相比，会增加部分固定投资，但考虑到回收煤气带来的经济效益，增加的固定投资约半年左右即可收回。由于引射法引入了除尘器系统和引射器，需要占用额外的总图布置，不大适用于现有高炉，但该法具有完全回收炉顶均压放散煤气的优势，杜绝了煤气和粉尘的直接排放，具有优越的经济效益和环保效益，在新建高炉上，具有广阔的应用前景。33气体替换法气体替换法的思路是直接向料罐内通入对大气无污染的清洁气体，放散时，以清洁气体的排放替代煤气的排放，实现节能减排的目的。此处清洁气体的标准为对大气无污染且不与高炉煤气发生反应，不带来安全隐患。本方法中，为了叙述方便，且考虑钢铁厂生产实际，以氮气作为清洁气体。331氮气吹扫法以气体替代法的思路为出发点，首先提出了氮气吹扫法，即在传统的均压及下料结束后，料罐内充满了与高炉内压力相等的煤气，此时，保持下料闸的开启状态，向料罐内通入高压氮气，使料罐内的煤气在氮气的吹扫下，重新被吹入高炉内。当料罐内的氮气浓度达到设定的浓度时(如80以上)，关闭下料闸和下密阀，停止通入氮气，料罐内的气体经旋风除尘器除尘后排入大气中。为了验证该方案效果，通过Ansys软件进行了模拟分析。设称量料罐的有效容积为100m3，压力为022MPa，通入氮气的管道直径为DN500，流速为70ms，通氮气时间为20秒。为了简化计算过程，设定高炉煤气的成分(体积百分数)为N2：55，CO：25，CO2：20，相应的质量百分数分别为：N2：494，CO：224，CO2：282。模拟分析结果见图3所示。表1为根据图3的结果，得到的不同时刻通入N2量及称量料罐内N2的体积浓度。从表1中可以看出，随着氮气的通入，料罐内的氮气含量进一步增多，煤气被逐渐吹入高炉内，在10秒时，称量料罐内绝大部分已经为氮气了。实验中，还模拟了其它因素对吹扫效果的影响，结果发现除了通入氮气量对吹扫效果起决定性影响外，其它诸如氮气吹扫方式、氮气流速等对吹扫效果的影响几乎都可忽略。从表1还可以发现，随着通入氮气的增多，氮气的吹扫效果也急剧下降，因此，考虑经济性原因，当料罐内煤气量降到一定程度后，不宜再进一步通过吹入更多氮气来降低料罐内煤气浓度，否则，即增加了氮气消耗，又延长了整个均压放散过程的时间，还不能获得理想的效果，如表1中，氮气通入时间由15秒增至20秒时，料罐内的氮气浓度仅由935增至964。因此，在整个吹扫过程中，具体氮气通入量，需综合考虑节能环保、氮气消耗、均压放散时间限制等多方面因素。此外，由于吹扫效果仅与氮气通入量有关，可适当提高氮气流速，以缩短吹扫时间，从而缩短均压放散的时间。332氮气填充法针对氮气吹扫法随着吹扫时间的延长，回收效率急剧降低，且在下料完后开始吹扫，增加了每次炉顶均压放散的操作时间等缺点，又提出了氮气填充法。该法在均压时，采用氮气均压，在料罐均压完毕之后，打开下料闸向料罐内下料的同时，向料罐内再次缓慢通入氮气，及时补充由于炉料下降空出的多余空间，避免高炉内的煤气进入料罐内。下料结束后，料罐内充满氮气，随即关闭下料闸，停止通入氮气。在放散时，以氮气的放散取代传统工艺中煤气的放散，实现高炉煤气的回收，并降低环境污染。氮气填充法关键在于补充的氮气量要始终与下料速度相协调，防止高炉内煤气进入料罐内。由于高炉生产中，需要矿石、焦炭等原理，料罐在每次装料过程中，装入的炉料的种类和数量会有不同，下料的速度也会有不同。为此，可采用如下两种控制方案：方案一：为了简化操作，以下料速度最快的情况作为基准，算出单位时间内由于料流下降空出的体积，从而确定单位时间内需通入料罐内的氮气量。其它情况，则按照之前确定的氮气填充速度来通入氮气。此方案将所有的下料情况均统一成一种情况来处理，具有操作简便的优势，但却会增加氮气的消耗量，不利于降低运行成本。方案二：为了减少氮气消耗，根据料罐装料情况，针对不同的炉料和下料时间，计算出不同情况下的炉料下料速度，然后针对具体情况，确定出不同情况下的单位时间内氮气通入量。该方案针对具体情况具体处理，与方案一相比，操作相对复杂，但由于整个过程中，采用自动控制，不会显著增加操作不便，却可降低氮气消耗量，有利于降低运行成本，获得更大的经济效益。与氮气吹扫法相比，氮气填充法除了避免了随着吹扫时间延长，氮气吹扫效率下降现象及导致均压放散时间延长的缺陷，还可以取消半净煤气一次均压管道，仅需保留炉顶的氮气罐即可，能节省部分固定投资。因此，氮气填充法也更具有优势。333方案评估以氮气吹扫法和氮气填充法为代表的气体替换法，即可用于新建高炉中，亦可用于目前已有的高炉上。用于新建高炉时，采用氮气填充法更可以取消传统均压中的一次均压半净煤气管道，降低施工难度，减少固定投资。用于目前已有高炉上时，只需在炉顶称量料罐增加气体分析仪即可，并且可根据生产需要，在操作实现传统均压放散法、氮气吹扫法、氮气填充法三种控制方法的无缝转换，体现了气体替换法的灵活性。当然，由于气体替换法的固有缺陷，难以实现煤气的百分之百回收，同时，清洁气体放散时，虽然经过了旋风除尘器除尘，仍会不可避免的排出一部分粉尘，但与传统的均压放散方法相比，环保效果仍有极大的改善。但是，该法投资省，操作灵活，运行费用较低，能带来良好的经济效益，便于在高炉上实施，是最容易实现的一种均压放散优化新方法。小结本文提出了气囊法、引射法和气体替换法(分为氮气吹扫法和氮气填充法)等新的均压放散方法，诸方法都能实现煤气的回收利用，但彼此都有独特之处，其优缺点对比分析如表2所示。从表1可以看出，由于气囊法占地面积大，运行维护成本高，因此引射法和气体替换法更有优势，而两者又各有千秋。引射法虽然具有很好的经济效益和环保效益，除尘器和引射器的引入，会增加部分固定投资和占地面积，更适用于新建高炉。气体替换法虽然无法避免粉尘