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?xì)獍l(fā)展有限公司，呼和浩特 010000）

企業(yè)在建廠初期沒有投入焦?fàn)t設(shè)備，煤氣生產(chǎn)主要包括轉(zhuǎn)爐煤氣和高爐煤氣。轉(zhuǎn)爐煤氣熱值為 7 300 kJ/m3，高爐煤氣設(shè)置為3 150 kJ/m3，都屬于低熱值煤氣。由于生產(chǎn)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(chǎn)工藝。該企業(yè)外購(gòu)天然氣主要采用管道輸送方式，該天然氣屬于優(yōu)質(zhì)氣體燃料，低位發(fā)熱值為33 000 kJ/m3。

1 企業(yè)燃?xì)馇闆r分析

1.1 天然氣消耗

2017年，該企業(yè)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(yè)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(guò)與其他同類企業(yè)交流得知，我國(guó)多數(shù)鋼鐵企業(yè)都采用轉(zhuǎn)爐煤氣或者高爐煤氣烘烤工藝，只有少數(shù)企業(yè)采用天然氣作為燃料。使用天然氣烘烤用能設(shè)備會(huì)顯著增加能源消耗量，極大浪費(fèi)了天然氣能源[2]。

1.2 轉(zhuǎn)爐煤氣回收率低

該企業(yè)2017年噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收率為107 m3，熱值超過(guò)7 000 kJ/m3，遷鋼轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，噸鋼水平大于116 m3，熱值小于7 000 kJ/m3。其他同類企業(yè)在回收轉(zhuǎn)爐煤氣時(shí)只確保氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)即可，回收水平明顯高于該企業(yè)，但熱值明顯低于該企業(yè)。所以，該企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣數(shù)量損失比較大，并且熱量過(guò)剩。

2 轉(zhuǎn)爐煤氣替代天然氣分析

2.1 分析轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣互換性

由于轉(zhuǎn)爐煤氣熱值比較低，代替天然氣烘烤用能設(shè)備可以有效減少天然氣消耗量，所以該企業(yè)可以采用轉(zhuǎn)爐煤氣代替天然氣實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用效果。轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣互換主要包括熱負(fù)荷強(qiáng)度參數(shù)和火焰穩(wěn)定參數(shù)。在不更換燃燒器的條件下，將天然氣和轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)行替換時(shí)只需要確保兩者的熱負(fù)荷強(qiáng)度參數(shù)和火焰穩(wěn)定參數(shù)接近即可實(shí)現(xiàn)替換[3]?？梢酝ㄟ^(guò)燃燒勢(shì)能判斷火焰穩(wěn)定性，燃燒勢(shì)能主要反映燃燒速度對(duì)回火、離焰的影響，用CP表示。華白數(shù)可以作為熱負(fù)荷強(qiáng)度參數(shù)參考值，如式（2）所示。如果轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣密度、熱值不相同，只需要確保華白數(shù)相同即可。

式中，K為燃?xì)庵醒鹾啃拚禂?shù)；s為相對(duì)密度；φ(H2)、φ(CO)、∑φ(CmHn)、φ(CH4)為燃?xì)庵胁煌煞值捏w積分?jǐn)?shù)。

式中，H表示燃?xì)鉄嶂怠?/p>

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐媒體成分、密度和熱值進(jìn)行測(cè)量計(jì)算可知，轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒勢(shì)能為33.5，天然氣燃燒勢(shì)能為36.8，轉(zhuǎn)爐煤氣和天然氣華白數(shù)分別為6.0 MJ/m3、 52 MJ/m3。由計(jì)算結(jié)果能夠看出，在天然氣烘烤器上燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣無(wú)法獲得相同熱負(fù)荷，因此將轉(zhuǎn)爐煤氣替換為天然氣時(shí)需要將燃燒器進(jìn)行更新升級(jí)。

2.2 明確置換量

為了確保燒烤效果一致性，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)確保燒烤工藝和熱負(fù)荷一致。在改變?nèi)剂虾腿剂掀髦?，可以利用式?）計(jì)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?xì)庾兏暗臀话l(fā)熱量；Q''為燃?xì)庾兏蟮臀话l(fā)熱量；η'為變更前燃料利用系數(shù)；η''為變更后燃料利用系數(shù)。

燃料利用系數(shù)和燃料熱值會(huì)直接決定轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備，燃?xì)饪杖急取⑷剂掀饕约坝酂嵊嗄芾们闆r會(huì)對(duì)燃料利用系數(shù)造成影響。

3 轉(zhuǎn)爐煤氣烘烤改造效果分析

3.1 燃燒器選型分析

該企業(yè)所應(yīng)用的烘烤設(shè)備為套筒燒嘴，該烘烤設(shè)備的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煙氣燃燒具有較高的噴射速度，火焰適中。通過(guò)對(duì)該企業(yè)魚雷罐分析可知，該烘烤器屬于T 型套筒燒嘴，運(yùn)行功率在2.75 MW。該設(shè)備只將調(diào)節(jié)閥門設(shè)置在天然氣口，沒有設(shè)置在助燃風(fēng)末端。因此，無(wú)法通過(guò)烘烤器輸出功率對(duì)助風(fēng)末端進(jìn)行調(diào)整，這樣就降低了烘烤效率，導(dǎo)致天然氣能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

在實(shí)施改造之前，天然氣瞬時(shí)消耗量超過(guò)300 m3/h， 在實(shí)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(zhuǎn)爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為 3 MW。

作業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)爐煤氣壓力在5 kPa，熱值為6 250 kJ/m3， 助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3 000 m3/h，壓力為4.3 kPa。按照工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)中所規(guī)定的公式進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)爐煤氣流通面積為254 cm2，煤氣通道為Φ215 mm，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)閥、火焰監(jiān)視器、快切閥以及壓力表等設(shè)施組成，烘烤效果顯著，可以全面提升生產(chǎn)安全性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)烘烤試驗(yàn)

在烘烤魚雷罐時(shí)采用轉(zhuǎn)爐煤氣燃料，內(nèi)襯升溫均勻平穩(wěn)，滿足烘烤曲線要求。魚雷罐大修烘烤確保在95 h 將內(nèi)襯從常溫條件下烘烤到1 000℃。首先需要在48 h 內(nèi)升溫到300℃，之后保溫6 h。大火升溫至600℃，升溫時(shí)間控制在15 h 以內(nèi)，同時(shí)保溫時(shí)間控制在3 h。最后通過(guò)大火烘烤升溫到1 000℃，保溫4 h[4-5]。為了對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣烘烤效果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)期間應(yīng)當(dāng)確保溫度升高與烘烤曲線相同。由于該企業(yè)適用老式魚雷罐體，因此不能對(duì)包襯溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此時(shí)可以通過(guò)罐體表面溫度監(jiān)測(cè)來(lái)判斷烘烤過(guò)程，如圖1所示。

圖1 烘烤過(guò)程罐體溫度上升曲線

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，將轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)定為600m3/h，助人空氣設(shè)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(nèi)將溫度升高到300℃。在大火烘烤過(guò)程中，將轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)定為1 500 m3/h，助人空氣設(shè)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(wú)法在48 h 內(nèi)升溫到1 000℃，如圖2所示。

圖2 烘烤過(guò)程煤氣與空氣流量

在對(duì)大火烘烤條件下的空燃配比進(jìn)行優(yōu)化之后，不改變轉(zhuǎn)爐煤氣，將助燃空氣設(shè)置在1 800 m3/h，使煙氣產(chǎn)生量降低，避免其分散有效顯熱，使整個(gè)罐體都能夠充分吸收熱量，全面加強(qiáng)罐體烘烤效果。通過(guò)溫升曲線對(duì)罐體進(jìn)行升溫處理，確保其滿足烘烤效果。

通過(guò)此次試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，在烘烤魚雷罐時(shí)將轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料，具有顯著的效果，按照標(biāo)準(zhǔn)工藝要求，可以將罐體內(nèi)襯溫度升高到1 000℃，整個(gè)烘烤過(guò)程滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備具有顯著效果。

3.3 提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收率

該企業(yè)轉(zhuǎn)爐吹煉期間，煙氣中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)大于30%，氧氣體積分?jǐn)?shù)小于1.5%時(shí)即可回收煤氣。當(dāng)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于30%，氧氣體積分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，停止回收煤氣。在整個(gè)吹煉工藝中，為了確保魚雷罐設(shè)備烘烤轉(zhuǎn)爐煤氣充足，確保氧氣體積分?jǐn)?shù)小于1.5%，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐煤氣回收中一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)，以提升轉(zhuǎn)爐煤氣回收率。

企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)備中最重要的就是套筒窯，該設(shè)備熱值最低要求在6 295 kJ/m3，通過(guò)降低一氧化碳回收標(biāo)準(zhǔn)，煤氣熱值應(yīng)當(dāng)大于套筒窯熱值最低要求。通過(guò)熱值在線分析儀降低一氧化碳回收標(biāo)準(zhǔn)，回收試驗(yàn)的每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行跟蹤調(diào)查。結(jié)果顯示，在降低一氧化碳回收標(biāo)準(zhǔn)后，轉(zhuǎn)爐煤氣熱值明顯降低。

通過(guò)此次試驗(yàn)可以看出，當(dāng)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于20%，氧氣體積分?jǐn)?shù)小于1.5%時(shí)，停止回收煤氣，此時(shí)煤氣熱值在在6 295 kJ/m3，屬于最佳回收范圍。延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐煤氣回收時(shí)間，以有效提升煤氣回收率[6-7]。為了提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收率，必須對(duì)煤氣進(jìn)行重新平衡處理，增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收量，以此滿足企業(yè)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(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應(yīng)用到發(fā)電中，全面增強(qiáng)企業(yè)富余煤氣的發(fā)電能力[8]。通過(guò)替換改造后，該企業(yè)天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本也明顯減少。

4 結(jié)語(yǔ)

該企業(yè)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(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣燒嘴和燒烤工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，合理設(shè)置空燃配比，并按照溫升曲線可以將轉(zhuǎn)爐煤氣作為魚雷罐烘烤燃料，使該設(shè)備內(nèi)襯溫度達(dá)到1 000℃，整個(gè)烘烤過(guò)程滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)施改造之前，天然氣瞬時(shí)消耗量超過(guò)300 m3/h，在實(shí)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(zhuǎn)爐煤氣燒烤器，熱功率最大值為3 MW。通過(guò)此次試驗(yàn)可以看出，將天然氣替換為轉(zhuǎn)爐煤氣，可以有效充當(dāng)魚雷罐、中間包、鋼包以及真空室烘烤工藝所需的燃料。對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣回收率進(jìn)行試驗(yàn)分析可得，當(dāng)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于20%，氧氣體積分?jǐn)?shù)小于1.5%時(shí)，停止回收煤氣，此時(shí)煤氣熱值在在6 295 kJ/h，屬于最佳回收范圍。使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣可以將富余煤氣應(yīng)用到發(fā)電中，全面增強(qiáng)企業(yè)富余煤氣發(fā)電能力。通過(guò)替換改造后，該企業(yè)天然氣消耗顯著降低，噸鋼能源成本明顯減少。因此，使用轉(zhuǎn)爐煤氣替換天然氣烘烤用能設(shè)備具有顯著的效果，值得推廣應(yīng)用到燃?xì)馓菁?jí)利用中。