钢厂煤气回收管理系统

一﹑ 概况

中国钢铁行业产钢能力去年为 7.3 亿吨（2015 年） 是全世界第一位。 在全世界钢铁巨头前排名 30 位中， 宝钢﹑ 首钢 ﹑ 马钢﹑ 鞍钢 ﹑ 武钢 等 10 个钢铁公司在内。 钢铁厂在生产过程中会产生大量的高炉煤气、 转炉煤气、 焦炉煤气，其中大量的还是高炉煤气生产一吨生铁会产出 1500～2000m3/h 高炉煤气， 我们取平均值为 1750m3， 我国 2015 年生产生铁为 7.3 亿吨，一年产生高炉煤气为12775 亿 m3， 由于高炉煤气热值低（770kcnl/m） ， 同时又有毒,相当一部分煤气通过火炬燃烧向大气排放， 就拿生产技术先进的宝钢 首钢 鞍钢 每年还有 4～10％高炉煤气向大气排放， 而那些中小型钢厂排放量还要大， 如果将这些排放的煤气进行回收并将它进行发电， 这不仅会产生很大经济效益， 并且可以改善大气,又可以解决钢厂工人就业， 还可以改善钢厂周围居民与工厂的和谐关系。

钢厂煤气发电两个途径：

①煤气燃气轮机发电加余热锅炉蒸汽发电即:CCPP

②煤气经煤气锅炉制蒸汽送汽轮机组发电， 实践证明煤气经煤气锅炉制高压， 高温蒸汽送汽轮机组发电是成熟， 可靠方便的回收途径。 它投资少， 技术成熟可靠， 运行稳定， 经济效益好,回收投资时间短。

二、 钢铁企业剩余煤气全回收利用的可行性及必要性

钢铁企业是集焦化， 烧结， 炼铁， 炼钢， 热轧于一体的联合企业； 工厂在生产过程中产生大量的焦炉、 高炉和转炉煤气， 除部分利用外， 还有剩余煤气。为此建有煤气发电利用煤气锅炉的高压高温蒸汽送入汽轮机发电， 对剩余煤气进行回收利用。

煤气能量回收装置， 但是长期以来， 由于钢铁企业的煤气有效利用问题一直没有得到很好的解决， 一方面由于煤气的发生和使用之间的不平衡造成的大量放散， 是环境受到污染。 另一方面， 回收的煤气没有得到合理使用， 这不仅加剧了钢铁企业的能源紧张状况， 而且也造成了很坏的社会影响。 因此， 研究如何科学的分配这些宝贵的煤气燃料， 其意义不下于钢产量的提高和生产利润的增加。

现在很大部分的钢铁企业存在火炬放散现象， 主要是因为产生的煤气和消耗的煤气量随着生产状况的改变而经常波动， 造成剩余煤气频繁变化， 而企业自身对生育煤气的管理缺少有效手段。

目前， 虽然一些钢铁企业设置了煤气柜， 煤气柜也只是起到了保护安全生产的作用， 而没有起到缓冲煤气的作用。 另外， 大多数企业的电厂锅炉所缓冲的煤气量也是人们凭着经验来设定的， 目前我国钢铁企业锅炉所缓冲的煤气量的变化范围也比较少，这些都造成了煤气火炬放散严重的原因。

a、 现在国外的大型钢铁企业（Fukuda 等） 建立了煤气优分配模型及控制系统方法， 采用平均模型来对煤气总要求的预测。

b、 利用计算机先进技术， 建立煤气优分配的同时对煤气柜优控制， 使火炬对煤气放散， 气柜中的煤气的波动和负荷变化等避免的情形加以分析， 达到优分配， 取得令人满意的煤气回收效果（川崎钢铁） 。

1、 钢厂煤气回收管理系统 GRMS 的提出， 在钢铁企业中， 关于煤气优化利用的研究有很多， 但大多数都是关于煤气在主工序中生产中如何使用方面的（例如高炉煤气的 TRT 及 CCPP 等等） 。 关于剩余煤气如何优化利用及全回收的研究却很少。 煤气的产生量和消耗量之间的不均衡产生波动。 煤气产生量和消耗量之间的波动有时持续时间长， 有时持续时间短， 为了有效地解决煤气的产、 消波动问题， 可以采取煤气柜与缓冲用户相结合的方法。 缓冲用户和煤气柜二者可以吸收煤气量的波动， 煤气柜可以吸收任意的波动， 但吸收量不大， 只能用来解决持续时间短的煤气波动。 缓冲用户可以吸收较大的波动， 可以解决时间持续较长的波动， 但不希望任意的波动， 而煤气柜正好能够配合缓冲用户调换燃料及负荷所需时间， 而用户（例如煤气锅炉） 与煤气柜结合起来， 紧密结合，缺一不可。

本 GRMS 系统的提出， 是通过对煤气产生系统（高炉、 转炉、 热炉） ， 煤气的输送分配， 煤气的储存装置气柜， 煤气的热值控制， 煤气放散装置火炬和煤气锅炉及电厂几个子系统建立管理模型， 达到一体化信息平台与管理。 实现对剩余煤气的优化分配， 减少了煤气从火炬的放散， 提高了煤气的利用率。

（1） 煤气生产和使用过程及优化分配

（2） 煤气的平衡及生产节奏

钢铁企业汇中， 煤气的利用和实际操作， 煤气的动态、 静态平衡要进行综合考虑。 尤其是静态平衡， 计划煤气足够， 而实际生产中的动态平衡又显不足， 是常常发生的。 因此， 需要制定一套完整的， 合理的煤气平衡制度及程序。 要用现代计算机的信息采集， 要依靠日积月累的经验和科学的平衡， 不断的追求煤气的平衡， 以获得更大的经验效益。 要把煤气的平衡看作是效益的体现， 大限度的利用煤气资源， 实现经济效益较大化。

A） 静态平衡

是指钢铁企业相关职能部门对一段时期内的煤气供求量进行计划或规划， 是结合生产计划， 设备检修技术改造计划等因素， 综合测算的预测性平衡；

B） 动态平衡

是指生产过程中煤气的产出量， 煤气的成份、 热值、 流量、 温度及压力等参数随各种生产环节的状况波动而波动， 建立相应产、 用气平衡。

静态平衡是宏观指导， 动态平衡随生产状况而变动， 是煤气的产出和使用达到运行中的动态平衡， 减少或消除煤气的火炬放散是煤气平衡的目的。

C） 生产节奏对煤气平衡的影响

煤气的产出和使用过程是： 气源厂（高炉、 转炉、 焦炉） ——输配供给——用户单位， 生产过程中只要其中一个环节出问题或是某道工序生产节奏或快或慢， 则煤气回收利用就会失去平衡。 煤气使用合理的开、 停， 合理的检修计划、 合理的交接班制度， 可以避免煤气集中使用或集中放散。 这些合理的规范运行， 可以用计算机程序进行管理， 克服人为因素的放散。 如果发生动态波动，通过缓冲气柜及煤气锅炉时适应性控制， 并对其负荷进行优化调节， 保证煤气动态稳定， 使火炬零排放并多产汽

2﹑ 某钢厂高炉， 焦炉， 转炉煤气利用情况表：

表 1： 高炉， 焦炉， 转炉煤气回收技术参数

根据这些煤气量及相对应的热值回收建一个蒸汽量为190吨/h； 压力为9.8Mpa，温度为 540℃高温高压煤气锅炉

表 2： 高温高压煤气锅炉

2： 某钢厂是利用剩余煤气它由三种煤气组成即高炉煤气（BFG） ， 焦炉煤气，转炉煤气（LDG） ， 其流量的变化及组分热值变化均会引起煤气锅炉的波动。 会使运行→蒸汽流量， 压力→汽轮机→发电机→系列不正常的连锁反应

我们说高炉， 转炉， 焦炉， 在运行中产生的煤气随着工艺的变化而在变化的这是客观存在的。 如果不克服这些变化将会对煤气锅炉及发电机运行产生安全隐患， 对剩余煤气回收产生的经济效益也会影响。

钢铁煤气回收管理系统 GRMS 系统将目前已有的高炉煤气， 焦炉煤气， 转炉煤气的气柜与在线仪表及相对应控制阀门， 热值仪， 调和站， 煤气锅炉的信息采集进行优化控制， 以均匀稳定的目标进行适应性控制。

具体见： 钢厂煤气回收管理系统 GRMS 原理图

〈1〉 钢厂煤气回收管理系统 GRMS 是一个将煤气排放流量及趋势与现有煤气储存气柜， 煤气热值的调和及煤气锅炉的负荷几个子系统进行一体化管理

(a)它有煤气进入流量趋势估计， 气柜储存量预值及报警

(b)煤气热值调合与高炉， 焦炉， 转炉煤气储存信息优化调度， 它根据这些信息得出较佳较经济的优化方案， 根据预定工况预案进行自动调合， 这种调合功能与炼油厂汽油在线辛烷值调合一样， 可靠， 方便， 它又与煤气锅炉负荷相适应

(c)煤气压力均匀控制

气柜压力一般在 8kpa， 而煤气锅炉燃烧器背压要求在 5～6kpa， 在调合煤气站出口与煤气锅炉之间串接一台 20 万 NM3的气柜， 其意义很大， 它一方面可以稳压， 保证煤气锅炉燃烧器的背压稳定的同时,它作为一个缓冲器， 保证锅炉运行负荷不会有太大的波动， 同时煤气锅炉负荷适应性控制可以克制极大波动。

GRMS 系统通过这些气柜进行前馈， 均匀优化管理充分回收火炬排放的煤气同时,多产蒸汽， 多发电， 使系统安全稳定， 延长设备运行寿命， 多出经济效益

〈2〉 钢厂煤气含有大量 CO 并且热值低， 一旦人们吸入就会中毒死亡， 其燃烧过程中也容易发生脱火与回火现象.在点火过程中,如果吹扫不到位容易产生煤气爆燃事故。 根据 IEC61508 及国家 GB/T21109 安全系统对 SIS 要求,并且依据国家质量监督局 2008 年发布的 TSGGB00-12008《燃油（气） 燃烧器安全技术规则》 。

建立了钢厂煤气回收管理系统 GRMS 的安全系统， 它由多个 cpu 及 I/O 卡组成，并且有国际专门认证机构 TUV 的证书其安全等级为 SIL3

〈3〉 钢厂煤气排放， 火炬系统（煤气放散）

钢厂在生产过程中会生产大量的煤气， 如果这些煤气用不了， 或者生产过程及设备故障停电停水， 这些煤气均要通过火炬燃烧排放。

GRMS 系统在正常时尽量进行回收进气柜达到较大化， 如果发生特殊情况， GRMS通过火炬 FCS 控制系统安全型的计算机系统会自动报警， 还会自动联锁点长明灯， 自动控制水封罐， 对长明灯工作进行监控， FCS 系统又会与气柜系统 GR 进行相互联锁关闭进气柜煤气阀及自动点长明灯进行安全监控。

〈4〉 气柜煤气回收：

〈5〉

〈6〉 煤气锅炉：

煤气锅炉是由煤气燃烧器， 炉膛， 蒸汽汽包， 鼓风机， 引风机， 省煤器， 预热器， 二相流循环换热系统， 以及相关仪表， 计算机， 电气， 化水软化水等设备组成一个燃烧系统的装置

煤气燃烧是煤气锅炉的重要设备， 它关系到煤气燃烧的形式， 热效率与安全，合理选择煤气种类与燃烧器之间匹配是决定煤气锅炉热效率关键。

根据目前钢厂煤气锅炉燃气进燃烧器燃烧可分：

A 方案： 将高炉煤气， 焦炉煤气， 转炉煤气， 根据工厂煤气产出及气柜储存的实际情况制定出一个合理调合工况使煤气热值在 1200～1500Kcal/m3之间， 送煤气燃烧器充分燃烧， 这种方案使炉子燃烧稳定产出过热蒸汽压力， 流量稳定，安全可靠

B 方案： 将高炉， 焦炉， 转炉煤气分别通过高炉， 焦炉， 转炉煤气燃烧器燃烧。这种方案省略了煤气燃烧热值调合系统， 由于各类型燃烧器燃气热值不同， 相差较大。 使炉膛温度的分布梯度不同， 相差很大。 温度不均匀， 使蒸汽压力与流量波动大从而影响发电机的效率

C 方案： 纯高炉煤气燃烧器锅炉， 由于高炉煤气热值低烟气量大经过几年的实践其技术基本成熟， 在首钢， 宝钢， 鞍钢等企业已开始投用。 本项目暂不考虑c方案

从 A 方案与 B 方案比较可以看出尽管 B 方案省略胃了热值的调合系统节省了投资， 可它将在运行中面临蒸汽压力与流量波动， 影响了其热效率。 影响其投资回收年限。 更会造成安全事故隐患（ 热值相差大各燃烧器的背压变化及炉膛压力之间波动） ， 其炉膛温度波动在 10％左右

尽管 A 方案由于热值调合增加了投资， 但是由于其燃烧稳定提高了热效率。 并且运行稳定， 安全可靠， 多产蒸汽、 多发电， 使其增加的投资当年就可以通过其优良效益收回。 其温度波动在 1％以下。

C 方案是纯高炉煤气燃烧器， 不适合本项目

〈7〉 关于煤气锅炉燃烧器布置：

煤气锅炉由于其热值变化其燃烧器的布置很重要， 其布置型式有， 煤气炉墙置对冲燃烧技术及四角切向圆燃烧技术两种

（a） 煤气锅炉膛墙置对冲燃烧方式的旋流燃烧器是一般布置炉膛的前后墙， 其出口气流是一边旋转一边向前作螺旋式运动， 旋流燃烧器的喷口都是圆形的，中间内圈喷一次风， 一次风外圈是二次风， 两个喷口同一轴心， 每边墙上布置多个多排独立燃烧器， 双调风燃烧器 DRB， 分两段供风以达到既降低 NOX（ 可降低 50～60%） 又保证燃烧效率的双重功能， 一般情况下燃烧器的 NOX 排放量为330～860mg/NM， 从此可看出它是一个低 NOX的燃烧器。

前后墙对冲燃烧和四角切圆燃烧不同， 它并不要求炉膛横截面接近正方形，实际炉膛横截面可以为矩形， 这有利于锅炉受热面的布置。

（b） 四角切向燃烧技术广泛用于现代大容量锅炉， 一般采用燃烧器四角布置，出口气流几何轴线切于炉膛中心的假想切圆， 造成气流在炉内强烈旋转， 并呈螺旋式上升。

四角切向燃烧的主要特点如下：

〈 Ⅰ 〉 四角射流着火后相交， 相互点燃使煤气着火稳定较好， 切向燃烧方式是以整个炉膛为单元来组织燃烧的， 故燃烧器的燃烧工况和整个炉膛的空气动力特性关系十分密切

〈 Ⅱ 〉 由于切向燃烧四股射流在炉膛内相交后强烈旋转湍流的热量， 质量和动量交换十分强烈， 故能加速着火和提高燃料的燃尽程度

〈 Ⅲ 〉 四角切向燃烧炉内充满系统较高， 炉内热负荷分配均匀

〈 Ⅳ 〉 炉内的结构比较简单， 便于大容量锅炉的布置

〈 Ⅴ 〉 采用摆动式直流燃烧器， 运行中改变上， 下摆动角度即可改变炉膛的火焰中心和出口烔温， 从而达到调节蒸汽温度目的

〈 Ⅵ 〉 可以实现分段燃烧抑制 NOX排放

〈8〉 煤气锅炉由于煤气热值低， 炉膛内黑度低， 辐射传热低烟气量大， 其对流段热交换量大而通过烟道气能源回收是提高煤气热效率的重要手段， 如果煤气锅炉负荷变化， 引起烟道气温度变化， 一旦对流段换热设备定型， 换热面积不会变化， 如果负荷度大， 烟道气流及温度大带走热量多热效率降低， 此时很容易产生酸露点（当烟气温度低于酸露点时） 酸露点的腐蚀会严重损坏换热器与过热省煤器， 如果煤气预热器腐蚀会引起闪爆的安全事故， 烟道温度变低， 又会引起脱硝工艺效率， 煤气锅炉烟道气回收利用=相流（相变） 卡诺循环原理，将二相循环器进行控制， 从而达到控制烟道温度。 煤气锅炉燃烧管理系统 BMS的烟道气温度阶梯控制保证了烟道气温度在炉子负荷变化情况下， 保证了各阶梯温度不变， 保证烟气温度在酸性点以上 10℃避免了烟道设备的酸露点腐蚀延长设备的使用寿命。

煤气锅炉炉膛燃烧计算机模拟

燃气热值低造成炉膛黑度低， 炉膛辐射传热 30%（燃煤 70%） 烟气量大， 大部分传热在对流及烟道进行

煤气锅炉负荷适应性优化调节（一）

煤气优化调节软件是煤气炉膛与对流， 烟道取热的优化控制软件之一， 其控制方便， 减少锅炉的故障率， 提高锅炉适应负荷变化能力。

Figure 1 空燃比、 蒸汽压力、 煤气流量、 空气流量双交叉化控制

由于高炉煤气的热值变化使空气比例也会随着变化， 如果煤气热值变低很容易造成脱火现象， 优化的空燃比控制可以使空气流量适应热值变化， 保证燃烧不脱火的手段之一。

燃烧器在≥50%负荷可正常使用， BMS 调节比可达 1:10。

空燃比、 蒸汽压力、 煤气流量、 空气流量的双交叉优化控制

煤气锅炉负荷适应性优化调节（二）

两相流（相变） 空气预热器工作原理

煤气锅炉负荷， 在 70%以下运行， 由于烟气量减少及温度下降， 容易产生酸露点， 腐蚀省煤器及空预器换热管及烟道设备。

烟道两相流换热系统利用汽化与冷凝相变吸取大量能量特性使烟道温度控制在酸露点以上保证设备不产生酸露点腐蚀。

煤气锅炉负荷适应性优化调节（三）

煤气的热值变化会造成烟道气量变化， 例： 热值少会使烟流量大， 容易发 生爆管现象。

烟道两相流换热系统利用循环量及汽化压力控制取热量特性， 保证设备运行安全。

煤气锅炉负荷热效率计算数模及监控

锅炉热效率锅炉负荷： 煤气热值布白系数； 空气流量压力、 温度； 蒸汽流量压力、 温度； 软水流量压力、 温度； 烟气热焓； 烟气流量压力、 温度； 煤气流量压力、 温度。

<9>煤气锅炉燃烧管理系统 BMS

煤气锅炉燃烧管理系统 BMS 由： 启动炉子、 初始条件判别、 自动吹扫、 自动点火、 点燃烧器炉膛升温、 启动换热器、 紧急停车 ESD 组成。 它的硬件是一个三重化（或者二重化） 的安全系统。 它严格遵守 IEC61508 及 GB/T 21109 安全性与完整性， 它的操作参数严格按照国家质量监督检验检疫总局颁布的 TSGGB001-2008《燃油（气） 燃烧器安全技术规则》 。 它严格按照标准及工艺规程，将炉子启动及紧急停车、 开停炉， 用计算机自动操作， 克服了人为因素造成的安全事故。

煤气锅炉燃烧管理系统 BMS（FSSS） 遵照国际通用规范与标准对煤气锅炉的燃烧系统进行管理。

煤气锅炉燃烧管理系统 BMS 原理框

煤气锅炉燃烧管理系统 BMS 紧急停炉 ESD

钢厂煤气锅炉烟道脱硝脱硫

烟气锅炉在燃烧过程中会产生 NOx与 SO2。 由于高炉煤气及转炉煤气 H2S 与SO2比较小， 燃烧后不会超国家标准。 如果焦化过来的焦化煤气是经过净化处理过的， 燃烧后不会超标。

<1>煤气锅炉烟气脱硝。 （如果 SO2超标采用一体化） 煤气锅炉燃烧器采用低氮型式， 其 NOx排放在 80~100mg/m3。 以工程燃气锅炉 NO2≤50 mg/m3计， 脱 NO2在 50%以上:

a． SCR： 选择性催化脱 NOx在运行过程中， 由于催化剂容易中毒， 更换催化剂费用大， 运行成本高。

b． 臭氧+双氧水， 强氧化作用。 将低价 NO2变为高价 NOx而吸收脱除。由于臭氧发生器价格贵， 在大容量情况下， 在大于 20 万 NM3/h 时， 其 NO2大于 500 mg/m3情况下， 其价格大于 SCR。 但是臭氧+双氧水运行稳定可靠， 不需要更换催化剂， 其运行成本低。特别是烟气量小于 15 万 NM3/h、 NO2≤500 mg/m3时， 其成本略低于 SCR。臭氧+双氧水是目前国际、 国内技术先进的脱硝技术， 运行可靠， 运行成本低。

钢厂煤气回收、 制蒸汽发电能量平衡

 发电能量估算： （包括在运行中热损失及波动）

<1>煤气调和出来流量: 6 万/h， 热值： 1200 kcal/NM3送锅炉；

<2>锅炉产过热蒸汽 190t/h。 压力 9.8Mpa， 温度 540℃。 高压、 L 高温过热蒸汽送发电机组发电；

<3>发电机组发电 50MW/h。

三、 钢厂煤气回收发电系统（GRMS） 一体化项目投资估算

说明：

1.煤气的气柜考虑已有条件下。 如果新上， 另加投资。

2.除氧水装置不考虑， 锅炉供水由外送入。

3.本类型不包括汽轮机发电机组。

4.以上投资包括设备、 材料、 施工、 费用。

四、 煤气回收项目经济效益及投资回收估算

 1.不考虑投资发电机组， 以高温、 高压过热蒸汽外卖结算。 由于过热蒸汽价格不确定因素大。 所以我们暂定高温、 高压过热蒸汽每吨毛利为 100 元。

<1>年产过热蒸汽量 190t/h× 8000 小时（一年运行 8000 小时） =152 万吨/年。

<2>一年毛利： 152 万吨/年× 100 元/吨=1.52 亿元。

<3>以投资 8210 万元（不包括发电机组） 计算：

收回成本时间=8210÷ 15200=0.54 年。

不考虑投资发电机组投资收回时间为： 0.54 年。

2.考虑投资发电机组的投资及投资收回时间。

<1>以发电效率 30%计算。 发电： 50MW/h， 以： 4000 元/Kwh。 造价：

a． 50MW/h× 4000=20000 万元（2 亿元）

b． 总投资： 8210+20000=28210 万元（2.821 亿元）

<2>以 0.62 元/Kw 上网费。 成本 0.35 元/Kw 计算： 每 1Kw/h 电的利润 0.27元/Kw· h。

<3>造发电机组投资收回时间：

a． 总经济效益： 50MW/h× 0.27 元/Kw· h=13500 万元/年（1.35 亿元/年）

b． 收回投资时间=28210÷ 13500=2.09 年

投资发电机组投资收回时间为 2.09 年。

说明： 发电机组投资时关于电价计算应包括煤气每 M3的价格， 由于煤气定价因素很多， 最科学的是按热值， 是多余的放空煤气， 是再生利用能源， 其上网电价应该由政府补贴及免税。

五、 环保效益

一个中性或大型钢厂， 每年有 6.5~12%的煤气从火炬排放。 如果以某钢铁厂为例， 将多余排放的煤气回收， 经煤气锅炉制高温高压过热蒸汽进行发电：

50MW/h× 8000 小时（一年运行时间） ， 共发电 4× 1011w· h=4× 108Kw· h。

a． 以 1Kw· h 的可再生能源发电可节约标准煤 0.4kg 计算， 山东日照钢厂

一年可节约 16 万吨标准煤。

b． 以 1Kw· h 的可再生能源发电可减少 CO2、 SO2、 NOx的废气排放 1.1kg 计算， 某钢厂钢厂一年可减少 O2、 SO2、 NOx的废气排放 44 万吨。

六、 钢厂煤气回收管理系统 GRMS 一体化系统总结

安全： 按国家管理要求， 达到安全系统的完整性。

优化管理： 从产气、 回收、 调合、 升压、 锅炉一体化管理可达到少排放， 多产蒸汽， 均匀控制提高经济效益 5～10%。

环保： 少排煤气， 改善大气。

七、 结束语

钢厂煤气回收管理一体化系统 GRMS 能对钢厂企业剩余煤气进行优化管理。 达到全回收、 零排放。 它不仅将剩余发散的烟气进行回收， 改善大气， 克服雾霾， 同时产生经济效益， 一体化的机电仪器、 设备投资在 2~3 年内可以全部回收