蘇相成
(凌源鋼鐵集團設計研究有限公司,遼寧 凌源 122500)
20世紀 80 年代,國外已經(jīng)開發(fā)了濕法均壓煤氣回收技術,后來國內(nèi)也對濕法回收技術進行過研究并得到實際應用,但受回收煤氣粉塵濃度偏大、回收時間較長等不利因素的影響,該工藝未能取得預期的效果。直到近年來得益于高爐自動控制技術的發(fā)展和干法除塵工藝的完善,才又為均壓煤氣回收提供了新的途徑[1]。高爐爐頂均壓煤氣回收技術是近幾年來新發(fā)展起來的節(jié)能環(huán)保技術,目前已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)十家鋼鐵企業(yè),上百座高爐上得以成功運用,具有技術成熟,運行穩(wěn)定的特點。且該項目還統(tǒng)籌考慮了超低排放和節(jié)能降碳的雙重要求,具有社會效益的同時還具有可觀的經(jīng)濟效益。從環(huán)保政策要求到節(jié)能降耗指標要求上來看,該項目都有盡快實施的必要性。
凌鋼現(xiàn)有5#高爐爐容為2 300 m3,具體參數(shù)見表1。高爐爐頂料罐在裝料前需將罐內(nèi)的高壓煤氣經(jīng)放散閥放散泄壓后,方可開啟上部閥門裝料。此部分放散煤氣直接通過爐頂消音器排入大氣,由于煤氣中含有大量有毒、有害、易燃易爆的氣體,并且放散過程中伴隨有大量粉塵,這對大氣環(huán)境尤其是高爐生產(chǎn)區(qū)域造成了嚴重的污染。并且全年均壓放散煤氣量較大,造成煤氣能源浪費[2-4]。因此實施均壓煤氣全回收改造,實現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保的雙重達標。
表1 凌鋼5#高爐工藝設備參數(shù)
高爐爐頂料罐裝料前,料罐內(nèi)煤氣處于高壓狀態(tài),整套煤氣回收系統(tǒng)內(nèi)的煤氣處于常壓的狀態(tài)。當打開煤氣回收閥時,利用自然壓差,料罐內(nèi)高壓的煤氣會自動通過均壓煤氣回收系統(tǒng)新增的管道再經(jīng)過專用干法除塵箱體除塵后流向低壓凈煤氣管網(wǎng)[5-6]。當料罐內(nèi)的壓力達到常壓時,關閉均壓煤氣回收系統(tǒng),再按照高爐裝料程序?qū)⒘瞎迌?nèi)剩余的煤氣進行放散。此工藝不能實現(xiàn)均壓煤氣的全部回收。
在原有均壓煤氣自然回收系統(tǒng)的基礎上,增加引射器、引射閥組及配套設施。當自然回收結束后,對料罐內(nèi)殘余煤氣進行引射強制回收。引射方式分為前引射法和后引射法兩種方式,可根據(jù)不同高爐、不同回收效率及不同回收時間進行選擇前引射法、后引射法、雙引射法。本工程全回收系統(tǒng)采用的是雙引射形式,采用高壓凈煤氣作為引射動力氣源。布袋除塵器采用DN5000 mm,壁厚14 mm,頂進頂出形式,當自然回收模式效率下降時(時間模式和壓力模式控制),打開引射閥組利用高壓氣流,將料罐內(nèi)剩余煤氣經(jīng)引射器及配套管網(wǎng)回收至新建緩沖除塵布袋箱體,除塵降壓后并入凈煤氣管網(wǎng)[7-8]。作為動力氣源的高壓凈煤氣來自干法箱體除塵后的煤氣管網(wǎng),提供完動力后再次回到煤氣管網(wǎng),不涉及管網(wǎng)新增加壓設施及能源消耗。
具體工藝流程(詳見圖1):高爐料罐—旋風除塵器(若有)—爐頂閥門組—前端引射器—箱體進口閥門組—專用干法除塵箱體—箱體出口閥門組—后端引射器—并網(wǎng)閥門組—低壓凈煤氣管網(wǎng)。
圖1 凌鋼5#高爐均壓煤氣全回收系統(tǒng)流程圖
該項目為低耗能項目,年運行成本主要由以下五部分構成。
2.1.1 用電消耗
(1)整套系統(tǒng)共涉及到的電動閥門8臺,其中爐頂閥門組2臺、前后端引射系統(tǒng)2臺、箱體進出口2臺、并網(wǎng)點1臺、頂部放散1臺,閥門總功率為11 kW。
系統(tǒng)正常運行時,電動閥門只有在檢修或休風的時候動作一次,每年有10次休風或檢修機會,每次閥門動作約10 s,則年耗電量為:11 kW×20 s/次÷3 600 s/h×10次=0.61 kWh。
(2)另有卸灰閥2臺、振動電機2臺,總功率為2 kW。卸灰閥每周使用三次,每年50周,卸灰閥單次動作10 s,振動電機每次20 s,則年耗電量為2 kW×20 s/次÷3 600 s/h ×50周×3次/周=1.67 kWh。
(3)有照明燈20個,單個功率50 W,總功率為1 kW。系統(tǒng)照明每天8 h,則年耗電量為8 kWh/d×350 d=2 800 kWh。
綜上,年耗電量總計為2 802 kWh,用電按0.5元/kWh計算[9],則該系統(tǒng)每年用電成本約為1 401元。
2.1.2 氮氣消耗
(1)系統(tǒng)閥門動作時氮氣消耗量:均壓回收過程單臺氣動閥門單次動作用氣量0.006 m3,凌鋼5#高爐料批次數(shù)為9批/h,共計36次開關動作,一天的用氣量為 0.006 m3/次×36次/h×24 h=5.184 m3,正常工作時只需涉及后端引射閥一臺,其余氣動閥門均處于不動作的狀態(tài),單日用氣量為 5.184 m3,則每年耗氣量為5.184 m3×350天=1 814 m3。其余閥門均在檢修或休風的情況下進行動作,且動作頻率低,氮氣消耗量可忽略不計。
(2)反吹時氮氣用氣量:新建除塵箱體配置22臺脈沖閥,單臺噴吹時間 0.2 s,間隔時間3 s,循環(huán)周期按時間和壓差兩種同時設定,基本為4 h一次,單臺脈沖閥噴吹耗氣量342 L/次,則一次循環(huán)反吹周期耗氣量為342 L/臺×10-3×22臺=7.524 m3,單日耗氣量為7.524 m3×6=45.144 m3,則每年耗氣量為45.144 m3/天×350天=15 800 m3。
(3)為防止閥門長時間關閉造成堵塞,閥門系統(tǒng)配置氮氣吹掃系統(tǒng),按照正常系統(tǒng)休風檢修情況,每年耗氣量為300 m3。
綜上,總計年耗氣量為:17 914 m3,氮氣按0.25元/m3計算,則該系統(tǒng)每年氮氣消耗成本約為4 479元。
2.1.3 蒸汽消耗
目前該系統(tǒng)蒸汽的用途主要是為除塵箱體伴熱,年耗蒸汽用量為75 t,蒸汽價格按22.035元/GJ計算,則每年耗費蒸汽成本約為4 958元。
2.1.4 新建除塵箱體布袋消耗
除塵箱體配備212條布袋,每條布袋價格為342元,骨架價格為180元,布袋更換周期為18個月,則該系統(tǒng)每年更換布袋成本約為(342+180)×212×12÷18=73 776元。
2.1.5 系統(tǒng)內(nèi)設備正常備件、維護與更換
根據(jù)系統(tǒng)備件、維護與更換的相關要求,該系統(tǒng)平均每年耗費成本約為80 000元。
凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)年運行費用見表2,年運行費用總計164 614元,噸鐵運行費用為0.08元/t鐵,運行費用極低。
表2 凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)年運行費用表
2.2.1 社會效益
(1)凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)改造完畢后,均壓煤氣無對空排放,煤氣中所含粉塵經(jīng)過除塵箱體過濾后經(jīng)卸灰系統(tǒng)回收,回收后的煤氣粉塵濃度<5 mg/Nm3。經(jīng)測算,年可減少煤氣灰排放量112 t,減少碳排放量1 097 t??梢源蟠蟾纳聘郀t周邊區(qū)域的空氣環(huán)境。
(2)凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)改造完畢后,爐頂均壓煤氣回收時,噪音可以降低至85分貝以下,可以明顯減少原均壓放散時的噪音對周邊環(huán)境的影響[10]。
2.2.2 經(jīng)濟效益
凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)效率為100%[8],高爐利用系數(shù)為2.3,料批次按9批次計,每一料批次放散2次,料罐容積55 m3,則單日高爐煤氣回收量為:55 m3(料罐容積)×9批/h×2(料批次9,每批料放散2次)×24 h×2.3(高爐系數(shù))×100%(回收率)=54 648 m3
高爐年工作天數(shù)按350 d計,則年高爐煤氣回收量為:54 648 m3×350 d=19 126 800 m3。節(jié)省的高爐煤氣用于發(fā)電,每年可以發(fā)電:19 126 800÷4=4 781 700 kWh,式中:凌鋼發(fā)電鍋爐綜合發(fā)電高爐煤氣氣耗為4.0 m3/kWh。
凌鋼綜合電價為0.5元/kWh,則年經(jīng)濟效益為:0.5元/kWh×4 781 700 kWh=239萬元。
2.2.3 節(jié)能量效益
凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng),年耗電量:2 802 kWh;年耗氮氣量:17 914 m3;年耗蒸汽量:75 t。年可回收高爐煤氣量:19 126 800 m3。扣除掉能源消耗量后,節(jié)能折合標煤量為:1 912.68×1.071-0.280 2×1.229-1.791 4×0.188-75×0.097 8=2 040 tce。
式中:飽和蒸汽熱力折標系數(shù)(當值量)0.097 8 tce/t;電力折標系數(shù)(當值量)1.229 tce/萬kWh[11];氮氣折標系數(shù)(當量值)0.188 tce/萬m3。高爐煤氣折標系數(shù)(當量值)1.071 tce/萬m3。
凌鋼5#高爐均壓煤氣回收系統(tǒng)改造完成后,年節(jié)能量2 040 tce,年節(jié)能效益239萬元,節(jié)能效果非常的明顯;年可減少煤氣灰排放量112 t,減少碳排放量1 097 t,還有效降低了高爐爐頂噪音,滿足了國家節(jié)能降碳、綠色發(fā)展的要求。對凌鋼具有顯著的社會效益、節(jié)能效益和經(jīng)濟效益。