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摘 要：文章探索首秦公司煤气系统优化潜力，从开源节流两方面研究改进方向，分析煤气回收及消耗差距，提出增加煤气回收量、改进炉窑热效率、精细煤气使用管理等系列改进措施，挖掘煤气资源，开发煤气发电用户，优化煤气平衡，消除放散煤气，提升自发电率，降低能源成本。
关键词：煤气系统优化；煤气回收量；炉窑热效率；精细管理
中图分类号：TF758 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0179-02
首秦公司地处沿海城市秦皇岛，以“节能环保型、循环经济型、清洁高效型”为建厂方针，设计产能为生铁255万t/a，钢坯260万t/a，宽厚钢板180万t/a，生产流程包括烧结、炼铁、炼钢、轧钢和公辅系统。钢铁企业煤气潜热约占余热资源量的53.9%，其中大约32.7%为高炉煤气、17.3%为焦炉煤气、3.9%为转炉煤气。由于地处沿海城市，首秦公司未建设焦化工序，缺少热值相对较高的焦炉煤气，因此副产的高炉煤气、转炉煤气资源的优化配置和高效利用对其尤为重要。
1 首秦公司煤气系统现状及存在的问题
1.1 高炉煤气系统
高炉煤气发生端为两座高炉，容积分别为1 200 m3和
1 780 m3，按照设计产能，高炉煤气设计发生量50万m3/h，热值为720～780 kcal/m3，建有一座15万m3煤气柜，主要供应热风炉、加热炉、烧结点火炉等用户。设计时根据煤气平衡建有75 t中压锅炉，燃料为高炉煤气和转炉煤气混烧，配套15 MW发电机组。利用高炉煤气压差，建有TRT发电机组（16.4 MW）。自发电率15%，与行业平均水平50%相比较低。
原设计各用户用量之和约为49万m3/h，放散率2%。近年受限产及各用户设备效率影响，实际发生量49.5万m3/h，用量仅为43.5万m3/h，静态平衡放散量为6万m3/h，放散率12%，与行业相比存在较大差距。生产过程中，热风炉换炉、加热炉加热不同品种等情况，高炉煤气用量会有一定波动，动态放散量6～8万m3/h，反映调度平衡不精细。首秦公司高炉煤气平衡现状见表1。
1.2 转炉煤气系统
转炉煤气发生端为三座100 t转炉，回收量约3.1万m3/h，热值1 500～1 700 kcal/m3，建有一座8万立煤气柜，主要供应套筒窑生产石灰，其余用户为生产流程中需要保温升温设备，包括炼铁鱼雷罐烘烤、钢包烘烤等。其中修砌间烤包已实现转炉煤气烘烤，车间内钢包、中间包、RH炉真空室等仍采用天然气烘烤，属于高质低用，行业上多数已采取转气烤包，转炉煤气存在提升利用空间。2012年吨钢转炉煤气回收水平为110 m3/t钢左右，与行业先进水平130 m3/t钢相比，存在较大差距。首秦公司转炉煤气平衡现状见表2。
2 首秦公司煤气系统优化分析
2.1 燃气炉窑热效率分析
首秦公司燃气炉窑主要包括锅炉、热风炉、加热炉、套筒窑，在统计2012年消耗数据基础上，经现场测试及热平衡核算，四个炉窑的热效率分别为78.31%、72.32%、54.66%、64.58%，与设计水平对比仍有一定差距，燃料利用率不高。首秦公司炉窑设备已服役十年，设备劣化，燃烧器、换热器、密封系统、窑体耐火材料等均存在不同程度的功能降低等问题，使炉窑热效率下降。因此，通过技术改造提升燃气炉窑热效率是节能节气的一个重要方向。首秦公司主要燃气炉窑热效率现状见表3。
2.2 煤气系统优化方向研究
首秦公司为提升煤气利用率，充分利用煤气资源降低能源成本，从开源节流两方面提出优化方向。开源上以提升转炉煤气回用量为攻关课题探索优化措施，节流上以提升燃气炉窑热效率为核心研究技术改造措施。同时，从管理上加强煤气平衡及使用，进一步节约煤气。通过开源节流两条通道，挖掘足够的煤气资源开发新用户，以提升自发电率为目标，建设高温高压煤气综合利用发电设施，从而提升转炉煤气回收水平，消除高炉煤气放散，减少外购电及天然气消耗，降低能源成本。
3 煤气系统优化实践
3.1 转炉煤气回用量提升
首秦转炉煤气回收标准为烟气中O2含量<1.5%，CO含量>30%。钢包烘烤、套筒窑使用热值设计为1 500±100 kcal/m3。经测试，转炉煤气热值约1 700 kcal/m3，高于工艺要求，但少回收了满足工艺要求的回收初期的煤气量。为获取更多煤气资源，采取降低CO回收标准措施。经过多次试验，通过热值监测，在满足用户最低热值要求、氧气标准（O2<1.5%）与CO下限（CO>23%）前提下，只要转气用户及煤气柜允许条件下即可进行回收操作，从源头挖掘转气资源。经对比，小时回用量达到3.75万m3/h，增加6 500 m3/h，吨钢转气回收水平达到130 m3/t钢以上。多回收的转炉煤气供应炼钢生产过程中的钢包、中间包、RH炉真空室等设备烘烤（约4 500 m3/h），替代天然气，实现经济用能，富余的转炉煤气供应燃气锅炉进行发电。
3.2 燃气炉窑热效率提升改造
3.2.1 锅炉节能喷涂改造
锅炉运行中燃烧室水冷壁上会生锈及结垢，影响炉内热辐射，影响换热效果，降低热效率。采用高温红外节能喷涂技术，对清理后的水冷壁涂刷高温红外线节能涂料，涂层厚度约0.3～0.4 mm，涂料粘结牢固，有利于降低锅炉烟垢结生速度，加快锅炉升温速度，防止炉管腐蚀，延长锅炉使用寿命，强化炉管传热与吸热，降低锅炉煤气消耗，增加锅炉蒸汽产量，提高炉膛热效率。经实测，锅炉喷涂实际节能率10%左右，小时节约高炉煤气7 700 m3/h，热效率由78%提升至87%，接近设计水平。
3.2.2 热风炉烟气废热预热煤气
首秦1 200 m3高炉热风炉燃烧高炉煤气未经预热，高炉煤气温度仅约60 ℃，煤气消耗偏高。热风炉烟气温度在300 ℃左右，直接排放，浪费余热，回收烟气余热对入炉煤气进行预热不仅有利于改善炉内燃烧，更有效提高热效率，降低煤气消耗。在热风炉煤气与烟气管路间设置热管换热器，并增设连接管道及支架等附属设备，通过热管换热器实现烟气余热回收功能。预热后的高炉煤气温度达到160 ℃，有效提高理论燃烧温度。经对比改造前后煤气消耗量，热风炉高炉煤气节约量约12 000 m3/h，单耗水平降低103 m3/t铁，热效率由72%提升至83%。 3.2.3 加热炉节能改造
为提升加热炉热效率，首秦公司对两座加热炉进行了系列节能改造。针对1#加热炉分散换向三通阀漏气严重问题，2013年中修时将高温段分散换向改为集中换向，同时对炉顶脱落破损的黑体进行修补更换（2008年实施黑体改造），实现煤气量降低约1万m3/h；针对两座加热炉均存在的炉门控制不精细，逸气损失接近10%，进行炉门开闭自动控制优化改造，全开时间减少29 s，有效降低炉门散热损失，煤气消耗减少约5 000 m3/h。通过以上改造，加热炉煤气消耗降低1.5万m3/h，单耗水平降低58 m3/t材，热效率由54%提升至62%。
3.2.4 套筒窑燃烧室节能改造
经测试，套筒窑燃烧室部分区域炉壳外表面高温区已达到250 ℃，远高于50 ℃正常温度，炉内部分耐材区域已无隔热、保温功能，反映长期服役未大修，热效率已大幅下降，实测仅为64%。为改善窑体状况，首秦公司进行了为期三个月的大修改造，主要对套筒窑燃烧室耐火材料进行更换、砌筑，对燃烧系统进行维护，更换燃烧器，对助燃空气预热器进行升级改造。经测试，改造后燃烧室外表面温度范围为50～80 ℃，保温、隔热效果较好；经预热器预热后，助燃空气由改造前约370 ℃提升至约420 ℃。经测算，改造后套筒窑转气消耗降低约70 m3/t，小时节约转炉煤气1 500 m3/h，热效率由64%提升至76%。
经过对重要燃气炉窑节能改造，炉窑热耗降低，热效率得到较大提升，单耗水平显著下降，高炉煤气节约量达到3.47万m3/h，转炉煤气节约量1 500 m3/h。燃气炉窑改造前后热效率对比见表4。
3.3 煤气精细管理及调度平衡优化
根据开源节流效果，挖掘转炉煤气3 500 m3/h，高炉煤气3.47万m3/h，全部折合为高炉煤气量4.17万m3/h，加上放散量6万m3/h，富余高炉煤气为10.17万m3/h。管理上通过价格导向机制，将高炉煤气使用价格由0.53元/m3调整至0.73元/m3，转炉煤气使用价格由0.12元/m3调整至0.17元/m3，并辅以煤气消耗限额控制，促进各煤气使用单元精细管理，降低消耗。另一方面优化煤气调度平衡，进一步细分用户，以煤气消耗限额为标准，结合生产及时控制并稳定用户用量，消除不必要的浪费。通过精细管理，使高炉煤气资源累计达到13万m3/h，提出建设一台130 t/h，9.8 MPa高压锅炉，设计高炉煤气用量13万m3/h，配套35MW发电机组，设计年发电量2.8亿kW·h，使自发电率由15%提升到40%，高炉煤气放散率降至2%以下，每吨钢的能源成本降低约40元。
4 结 语
①钢铁企业煤气平衡设计与实际往往存在较大差异，实际运行中存在放散，利用不充分，用能不经济等问题，系统分析煤气资源配置，挖掘优化潜力，开发新用户，是提高煤气利用的有效途径。
②首秦公司通过煤气系统优化实践，从开源节流两方面采取措施，提升转炉煤气回收量达到130 m3/t钢，对燃气炉窑进行节能改造，提升热效率，采取价格机制引导，辅以消耗限额管理，优化调度平衡，挖掘煤气资源约7万m3/h。
③综合挖掘的煤气资源，充分利用现有放散的6万m3/h，以提升自发电率为目标，开发煤气发电新用户，建设130 t/h燃气锅炉，配套35 MW汽轮发电机组，年发电量2.8亿kW·h，提升自发电率至40%，高炉煤气放散率降至2%以下，每吨钢降低能源成本40元。
参考文献：
[1] 韩晓威，杨晓彩.浅谈钢铁企业煤气发电生产模式[J].河北冶金，2013，（10）.
[2] 张琦，蔡九菊，杜涛.钢铁联合企业煤气系统优化利用[J].冶金能源，2005，（5）.
关键词：煤气系统优化；煤气回收量；炉窑热效率；精细管理
中图分类号：TF758 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0179-02
首秦公司地处沿海城市秦皇岛，以“节能环保型、循环经济型、清洁高效型”为建厂方针，设计产能为生铁255万t/a，钢坯260万t/a，宽厚钢板180万t/a，生产流程包括烧结、炼铁、炼钢、轧钢和公辅系统。钢铁企业煤气潜热约占余热资源量的53.9%，其中大约32.7%为高炉煤气、17.3%为焦炉煤气、3.9%为转炉煤气。由于地处沿海城市，首秦公司未建设焦化工序，缺少热值相对较高的焦炉煤气，因此副产的高炉煤气、转炉煤气资源的优化配置和高效利用对其尤为重要。
1 首秦公司煤气系统现状及存在的问题
1.1 高炉煤气系统
高炉煤气发生端为两座高炉，容积分别为1 200 m3和
1 780 m3，按照设计产能，高炉煤气设计发生量50万m3/h，热值为720～780 kcal/m3，建有一座15万m3煤气柜，主要供应热风炉、加热炉、烧结点火炉等用户。设计时根据煤气平衡建有75 t中压锅炉，燃料为高炉煤气和转炉煤气混烧，配套15 MW发电机组。利用高炉煤气压差，建有TRT发电机组（16.4 MW）。自发电率15%，与行业平均水平50%相比较低。
原设计各用户用量之和约为49万m3/h，放散率2%。近年受限产及各用户设备效率影响，实际发生量49.5万m3/h，用量仅为43.5万m3/h，静态平衡放散量为6万m3/h，放散率12%，与行业相比存在较大差距。生产过程中，热风炉换炉、加热炉加热不同品种等情况，高炉煤气用量会有一定波动，动态放散量6～8万m3/h，反映调度平衡不精细。首秦公司高炉煤气平衡现状见表1。
1.2 转炉煤气系统
转炉煤气发生端为三座100 t转炉，回收量约3.1万m3/h，热值1 500～1 700 kcal/m3，建有一座8万立煤气柜，主要供应套筒窑生产石灰，其余用户为生产流程中需要保温升温设备，包括炼铁鱼雷罐烘烤、钢包烘烤等。其中修砌间烤包已实现转炉煤气烘烤，车间内钢包、中间包、RH炉真空室等仍采用天然气烘烤，属于高质低用，行业上多数已采取转气烤包，转炉煤气存在提升利用空间。2012年吨钢转炉煤气回收水平为110 m3/t钢左右，与行业先进水平130 m3/t钢相比，存在较大差距。首秦公司转炉煤气平衡现状见表2。
2 首秦公司煤气系统优化分析
2.1 燃气炉窑热效率分析
首秦公司燃气炉窑主要包括锅炉、热风炉、加热炉、套筒窑，在统计2012年消耗数据基础上，经现场测试及热平衡核算，四个炉窑的热效率分别为78.31%、72.32%、54.66%、64.58%，与设计水平对比仍有一定差距，燃料利用率不高。首秦公司炉窑设备已服役十年，设备劣化，燃烧器、换热器、密封系统、窑体耐火材料等均存在不同程度的功能降低等问题，使炉窑热效率下降。因此，通过技术改造提升燃气炉窑热效率是节能节气的一个重要方向。首秦公司主要燃气炉窑热效率现状见表3。
2.2 煤气系统优化方向研究
首秦公司为提升煤气利用率，充分利用煤气资源降低能源成本，从开源节流两方面提出优化方向。开源上以提升转炉煤气回用量为攻关课题探索优化措施，节流上以提升燃气炉窑热效率为核心研究技术改造措施。同时，从管理上加强煤气平衡及使用，进一步节约煤气。通过开源节流两条通道，挖掘足够的煤气资源开发新用户，以提升自发电率为目标，建设高温高压煤气综合利用发电设施，从而提升转炉煤气回收水平，消除高炉煤气放散，减少外购电及天然气消耗，降低能源成本。
3 煤气系统优化实践
3.1 转炉煤气回用量提升
首秦转炉煤气回收标准为烟气中O2含量<1.5%，CO含量>30%。钢包烘烤、套筒窑使用热值设计为1 500±100 kcal/m3。经测试，转炉煤气热值约1 700 kcal/m3，高于工艺要求，但少回收了满足工艺要求的回收初期的煤气量。为获取更多煤气资源，采取降低CO回收标准措施。经过多次试验，通过热值监测，在满足用户最低热值要求、氧气标准（O2<1.5%）与CO下限（CO>23%）前提下，只要转气用户及煤气柜允许条件下即可进行回收操作，从源头挖掘转气资源。经对比，小时回用量达到3.75万m3/h，增加6 500 m3/h，吨钢转气回收水平达到130 m3/t钢以上。多回收的转炉煤气供应炼钢生产过程中的钢包、中间包、RH炉真空室等设备烘烤（约4 500 m3/h），替代天然气，实现经济用能，富余的转炉煤气供应燃气锅炉进行发电。
3.2 燃气炉窑热效率提升改造
3.2.1 锅炉节能喷涂改造
锅炉运行中燃烧室水冷壁上会生锈及结垢，影响炉内热辐射，影响换热效果，降低热效率。采用高温红外节能喷涂技术，对清理后的水冷壁涂刷高温红外线节能涂料，涂层厚度约0.3～0.4 mm，涂料粘结牢固，有利于降低锅炉烟垢结生速度，加快锅炉升温速度，防止炉管腐蚀，延长锅炉使用寿命，强化炉管传热与吸热，降低锅炉煤气消耗，增加锅炉蒸汽产量，提高炉膛热效率。经实测，锅炉喷涂实际节能率10%左右，小时节约高炉煤气7 700 m3/h，热效率由78%提升至87%，接近设计水平。
3.2.2 热风炉烟气废热预热煤气
首秦1 200 m3高炉热风炉燃烧高炉煤气未经预热，高炉煤气温度仅约60 ℃，煤气消耗偏高。热风炉烟气温度在300 ℃左右，直接排放，浪费余热，回收烟气余热对入炉煤气进行预热不仅有利于改善炉内燃烧，更有效提高热效率，降低煤气消耗。在热风炉煤气与烟气管路间设置热管换热器，并增设连接管道及支架等附属设备，通过热管换热器实现烟气余热回收功能。预热后的高炉煤气温度达到160 ℃，有效提高理论燃烧温度。经对比改造前后煤气消耗量，热风炉高炉煤气节约量约12 000 m3/h，单耗水平降低103 m3/t铁，热效率由72%提升至83%。 3.2.3 加热炉节能改造
为提升加热炉热效率，首秦公司对两座加热炉进行了系列节能改造。针对1#加热炉分散换向三通阀漏气严重问题，2013年中修时将高温段分散换向改为集中换向，同时对炉顶脱落破损的黑体进行修补更换（2008年实施黑体改造），实现煤气量降低约1万m3/h；针对两座加热炉均存在的炉门控制不精细，逸气损失接近10%，进行炉门开闭自动控制优化改造，全开时间减少29 s，有效降低炉门散热损失，煤气消耗减少约5 000 m3/h。通过以上改造，加热炉煤气消耗降低1.5万m3/h，单耗水平降低58 m3/t材，热效率由54%提升至62%。
3.2.4 套筒窑燃烧室节能改造
经测试，套筒窑燃烧室部分区域炉壳外表面高温区已达到250 ℃，远高于50 ℃正常温度，炉内部分耐材区域已无隔热、保温功能，反映长期服役未大修，热效率已大幅下降，实测仅为64%。为改善窑体状况，首秦公司进行了为期三个月的大修改造，主要对套筒窑燃烧室耐火材料进行更换、砌筑，对燃烧系统进行维护，更换燃烧器，对助燃空气预热器进行升级改造。经测试，改造后燃烧室外表面温度范围为50～80 ℃，保温、隔热效果较好；经预热器预热后，助燃空气由改造前约370 ℃提升至约420 ℃。经测算，改造后套筒窑转气消耗降低约70 m3/t，小时节约转炉煤气1 500 m3/h，热效率由64%提升至76%。
经过对重要燃气炉窑节能改造，炉窑热耗降低，热效率得到较大提升，单耗水平显著下降，高炉煤气节约量达到3.47万m3/h，转炉煤气节约量1 500 m3/h。燃气炉窑改造前后热效率对比见表4。
3.3 煤气精细管理及调度平衡优化
根据开源节流效果，挖掘转炉煤气3 500 m3/h，高炉煤气3.47万m3/h，全部折合为高炉煤气量4.17万m3/h，加上放散量6万m3/h，富余高炉煤气为10.17万m3/h。管理上通过价格导向机制，将高炉煤气使用价格由0.53元/m3调整至0.73元/m3，转炉煤气使用价格由0.12元/m3调整至0.17元/m3，并辅以煤气消耗限额控制，促进各煤气使用单元精细管理，降低消耗。另一方面优化煤气调度平衡，进一步细分用户，以煤气消耗限额为标准，结合生产及时控制并稳定用户用量，消除不必要的浪费。通过精细管理，使高炉煤气资源累计达到13万m3/h，提出建设一台130 t/h，9.8 MPa高压锅炉，设计高炉煤气用量13万m3/h，配套35MW发电机组，设计年发电量2.8亿kW·h，使自发电率由15%提升到40%，高炉煤气放散率降至2%以下，每吨钢的能源成本降低约40元。
4 结 语
①钢铁企业煤气平衡设计与实际往往存在较大差异，实际运行中存在放散，利用不充分，用能不经济等问题，系统分析煤气资源配置，挖掘优化潜力，开发新用户，是提高煤气利用的有效途径。
②首秦公司通过煤气系统优化实践，从开源节流两方面采取措施，提升转炉煤气回收量达到130 m3/t钢，对燃气炉窑进行节能改造，提升热效率，采取价格机制引导，辅以消耗限额管理，优化调度平衡，挖掘煤气资源约7万m3/h。
③综合挖掘的煤气资源，充分利用现有放散的6万m3/h，以提升自发电率为目标，开发煤气发电新用户，建设130 t/h燃气锅炉，配套35 MW汽轮发电机组，年发电量2.8亿kW·h，提升自发电率至40%，高炉煤气放散率降至2%以下，每吨钢降低能源成本40元。
参考文献：
[1] 韩晓威，杨晓彩.浅谈钢铁企业煤气发电生产模式[J].河北冶金，2013，（10）.
[2] 张琦，蔡九菊，杜涛.钢铁联合企业煤气系统优化利用[J].冶金能源，2005，（5）.