转炉煤气净化方案（精选7篇）
(太原钢铁(集团)有限公司．山西太原030003)
【摘要】介绍了转炉煤气干法净化回收的工艺、设备等，并与OG湿法净化回收工艺进行比较，得出干法净化回收工艺在环保、节能、回收率等方面均有明显的优势。
【关键词】转炉煤气；干法净化回收；除尘效率【中图分类号】x757
【文献标识码】B
【文章编号】1006―6764
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1
转炉煤气是炼钢副产品, 是钢铁企业重要的能源介质之一, 对公司生产起着非常重要的作用。
某厂炼钢一、二工序产生的转炉煤气分别经转炉煤气柜回收并经煤气加压机加压后外送至转炉煤气各用户, 两个工序的转炉煤气回收和供应系统相互独立。目前, 炼钢二工序回收的转炉煤气富裕, 过剩煤气放散造成能源浪费, 炼钢一工序中转炉煤气用户中, 热电厂是机动用户, 即供热电厂锅炉燃烧系统的燃料, 既可以为转炉煤气, 也可以为燃煤, 目前尚无富裕转炉煤气供锅炉使用。转炉煤气联网的目的就是解决一、二工序煤气供需的不平衡, 使两个工序转炉煤气供应系统能互为补充, 减少浪费。
该项目有以下特点:一是原有两个煤气系统各自独立, 且分别处于厂区南、北区域, 两区域之间分布了其他生产单位, 建筑物较多, 管线分布密集;二是在公司挖潜增效的大环境下, 设计方案力求合理, 节省投资, 达到预期目的。以上特点给设计工作带来了很大挑战, 必须经过对现有煤气系统的深入了解, 现场的认真踏勘和对管网系统的详细计算, 使设计方案达到了预期目的, 既减少对周围建筑物和现有管线的影响, 同时又能最大限度利用原有管道和支架, 最大限度节省投资成为本方案设计的重点。
2 转炉煤气现状
炼钢一工序转炉煤气发生量约21000m3/h, 除自用9000m3/h外, 主要用户为小型轧钢厂、热电厂、玻璃瓶厂, 其中小型轧钢厂用量5000m3/h, 玻璃瓶厂用量7000m3/h左右, 热电厂为机动用户, 设计转炉煤气用量可达16000m3/h。根据煤气平衡结果, 目前没有转炉煤气供热电厂。炼钢二工序转炉煤气回收量约31000m3/h, 除自用4000m3/h外, 主要用户为CSP、烧结球团竖炉。其中CSP用量15000m3/h, 烧结球团竖炉用量5000m3/h, 由此看出, 炼钢二工序产生的转炉煤气尚有7000m3/h的富裕量, 因没有用户而被放散。由于一、二工序转炉煤气系统独立运行, 炼钢二工序回收的过剩转炉煤气无法输送到炼钢一工序转炉煤气系统被有效利用, 造成能源的极大浪费。本次改造的结果是将现有炼钢一、二工序转炉煤气管道联网, 以实现二工序过剩转炉煤气输送至一工序转炉煤气系统, 供热电厂使用, 以节约燃煤, 减少浪费。
3 管道联网点的确定
经过对现场仔细踏勘, 了解到原有炼钢一、二工序转炉煤气管道线路较长, 用户点分散, 考虑管道联网后尽量减少对原有转炉煤气用户的影响, 联网管道起点确定为炼钢二工序转炉煤气加压机出口D1420×8总管道处 (A0点) , 终点确定为炼钢一工序转炉煤气加压机入口D1020×8总管道处 (G点) 。
4 主要设计参数
本设计方案中, 主要设计参数为:炼钢二工序转炉煤气加压机出口总管压力10000Pa;炼钢一工序转炉煤气加压机入口总管压力不低于1500Pa;管道联网后, 要确保球团竖炉煤气混合站前转炉煤气总管压力不低于8000Pa。
从转炉煤气供应系统现状可以看出, 在正常情况下, 炼钢二工序转炉煤气富裕量为7000m3/h, 此流量作为联网管道的设计流量。
5 管道敷设
经过对现场原有建筑物和管线的分析认为, 联网管道起点和终点之间建筑物较多, 管线密集, 寻找敷设管道的新线路障碍重重, 为此, 联网管道必须尽可能沿原有管道或支架敷设, 使管道敷设顺畅的前提下, 使线路尽可能短, 以节省投资和减少阻力损失。在此前提下, 确定了如下敷设路由, 即:联网管道从炼钢二工序转炉煤气加压机出口D1420×8总管道A0点接出后, 敷设至A点并与原去球团竖炉D630×6转炉煤气管道相接, AB段管道作为联网管道的一部分, 即此段管道除满足烧结球团竖炉的煤气供应外, 还需输送并入炼钢一工序7000m3/h的转炉煤气;从去烧结球团竖炉的转炉煤气管道B点接引管道, 管道与原D2420×8高炉煤气管道共架敷设至D点后, 新敷设管道在E点与去热电厂的D529×6转炉煤气管道相接, EF段D529×6的原转炉煤气管道现闲置, 可以作为本联网管道的一部分。从F点开始新敷设管道与炼钢一工序转炉煤气加压机入口管道在G点相接。原利旧的D529×6转炉煤气管道在E点处断开加堵板, 在F点将原有阀门关闭。管道敷设如图1所示。
6 管径选择
管径选择主要要满足到烧结球团竖炉压力不低于8000Pa, 到炼钢一工序转炉煤气加压机入口压力不低于1500Pa。为此, 经计算, AB段管道管径为D820×6, BE段新敷设管道管径为D630×6, EF段D529×6的原转炉煤气管道利旧, FG段新敷设管道管径为D529×6。各管段压力降ΔP按公式计算[1]。计算结果见表1。
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式中:λ1——压力降系数, λ1=1.1;
λ——摩擦系数, 净煤气管道, λ=0.3;
v0——标准状态下煤气流速 (标米/s) ;
γ0——标准状态下煤气重度 (kg/标米3) , γ0=1.368kg/Nm3;
dc——工作状态下煤气含湿量 (kg/标米3) , 查图得39.5×10-3;
kv——体积校正系数, 计算得1.33;
g——重力加速度, 9.81 (m/s2) ;
d——管道内径 (m) ;
t——工作状态下煤气温度, 取30℃;
Pdq——当地大气压力 (mmH2O) , 取83090Pa;
Q——标准状态下流量 (Nm3/h) ;
P——煤气压力 (mmH2O) , 取平均压力5787Pa。
从表1计算结果可以看出, A0G段管道阻力损失为6372Pa, BH段管道阻力损失为1469Pa, 为此, 炼钢一工序转炉煤气加压机入口总管压力为3628Pa;烧结球团竖炉煤气混合站前转炉煤气总管压力8531Pa, 控制点压力满足生产要求, 且接近要求压力, 即管径选择合理。
7 原有管道改造及方案实施的可行性
1) 原去球团竖炉转炉煤气管道 (AB段) 由原D630×6需更换为D820×6。
2) EF段利旧管道由于输送联网煤气气流方向与原输送煤气方向相反, 而鼓型膨胀器安装方向与气流方向有关, 所以, 此段管道鼓型膨胀器的安装方向需根据气流方向调整。
3) 经土建专业计算校核, D630×6管道更换为D820×6管道后固定支架需加固;D2420×8管道共架敷设D630×6管道后原有支架受力均满足要求。
由于本厂转炉煤气系统每年都安排大修时间, 原去球团竖炉转炉煤气管道 (AB段) 的更换及联网管道与原有管道的接点都可安排在大修期, 不影响本钢厂正常生产, 其余项目均可按正常程序进行。
8 管道主要附属设施设置
1) 因炼钢一工序转炉煤气柜加压机入口总管压力约1500Pa, 为使煤气混入炼钢一工序系统, 在联网管道与炼钢一工序加压站入口总管接点之前设减压阀, 减压阀需将混入点压力由3628Pa减至1500Pa。
2) 为方便煤气管道检修, 在A0A段管道、BH段管道 (靠近B点) 和BC段管道 (靠近B点) 设密闭蝶阀和盲板阀;在炼钢一工序转炉煤气加压机入口总管减压阀后设密闭蝶阀和盲板阀, 并在整个阀组前设流量计量装置。
3) 管道低点设凝水器, 高点设放散[1]。
4) 因补偿器型式不同, 支架布置方式也不同[2], 为充分利用原有支架和平台, AB段管道由D630×6更换为D820×6管道后, 管道补偿器仍采用鼓型膨胀器, 其余新敷设管道采用波形膨胀器。
5) 煤气管道检修或送气时需置换煤气或空气, 置换介质为蒸汽, 联网管道附近均有蒸汽管道相随, 吹扫用蒸汽管道就近接引。
6) 煤气管道上所有放散装置、阀门、人孔、流量计量装置等需操作、检修的部位设平台。
7) 转炉煤气联网新增管道做防雷接地, 在管道始端、终端、分支处、转角处以及直线部分每隔100m处接地, 每处接地电阻不大于30Ω。更换煤气管道接地利旧, 并测量接地电阻是否达到要求。
9 转炉煤气联网工程实施后的效果
转炉煤气联网工程于2009年9月施工完毕, 至今系统运行良好, 该工程的实施, 彻底解决了炼钢二工序多余煤气放散造成的能源浪费和环境污染, 使多余煤气用于热电锅炉燃烧, 节约了燃煤使用, 取得了良好的经济效益和社会效益, 满足环境保护和节能的要求。
摘要：对某钢厂转炉煤气系统运行过程中出现的能源不平衡问题进行了分析, 本着满足生产、节约能源及节省投资的原则, 针对问题, 提出了较切合实际的改造措施。
关键词：转炉煤气系统,节约能源,改造
参考文献
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焦炉煤气二次净化新工艺
在冶金行业的`焦炉煤气二次净化设计中,探索出一条新路径.可以高精度脱除焦炉煤气中的硫化氢、氰化氢、焦油、萘、苯等;同时具有操作简单、自动化程度高,运行成本底,环保等特点.
作 者：郭永强 GUO Yong-qiang 作者单位：山东省冶金设计院有限责任公司,山东济南,250014 刊 名：广州化工 英文刊名：GUANGZHOU CHEMICAL INDUSTRY 年，卷(期)：2009 37(4) 分类号：X7 关键词：焦炉煤气 二次净化 高精度随着能源的日益紧张, 节能意识的不断增强, 钢铁企业中的转炉煤气逐步得到回收利用。我公司在近年来加大对转炉煤气回收和利用, 摸索出一些回收利用的方法。通过不断改进和优化调整转炉煤气生产、输送、贮存、分配、消耗等环节工艺, 达到了减少污染、降低消耗、提升效益的多赢局面。
一、转炉煤气系统使用现状
在生产实践中, 转炉煤气系统使用包括的因素很多, 我们主要就以下两方面进行阐述。
1、转炉煤气回收流程
1) 回收输配。转炉煤气是否可以回收主要是由氧含量和CO浓度大小来决定。
当O2含量小于2%, 同时CO浓度大于30%时, 转炉煤气进入主管道流向煤气柜开始回收。
2) 净化。在炼钢生产后进行粗除尘, 过滤和水雾工序, 使煤气的温度、压力、湿度达到净化要求。
3) 加压。转炉煤气柜中的煤气压力只有2.7KPa左右, 达不到用户所需要的压力, 必须通过煤气加压机进行加压后以较高的压力进入管道连续输送供用户使用。
4) 储气。符合回收利用的转炉煤气, 通过煤气柜用来储存。
2、转炉煤气综合利用
转炉煤气因含有大量的CO而具有较高的热值, 远远高于高炉煤气的热值, 而仅次于焦炉煤气的热值, 因此转炉煤气可以作为一种优质燃料。在钢厂, 转炉煤气使用范围较广, 但主要多用于再生产能源和发电能源。
二、提高转炉煤气回收的途径
转炉煤气是钢铁企业重要的二次能源, 提高转炉煤气回收与利用的水平, 是实现负能炼钢的重要手段。我国钢铁企业转炉煤气回收利用与国外先进水平相比还有差距。因此, 采取提高转炉煤气回收及利用的措施, 对钢铁企业开展节能降耗工作具有积极意义。
1、提高转炉煤气发生量的措施
实际生产中从系统节能考虑、不提倡采用提高原料中铁水碳含量、炭质发热剂加入量和铁水比的方法来提高煤气发生量, 所以在原料条件及钢种结构不可控的条件下, 应努力提高转炉煤气回收时段的煤气发生量。主要是通过提高供氧强度和把握动态控制吹炼过程来实现。
2、提高转炉煤气回收量的措施
转炉煤气回收过程中只有在炉口与大气接触, 实际生产中空气吸人量主要受活动烟罩与炉口间隙的大小及炉口微差压的影响。延长转炉煤气回收时间、改进煤气回收系统也是提高转炉煤气回收质量和数量的有效措施。通常来讲, 在生产实践中, 是通过降罩操作、控制炉口微正压、采用干法除尘、调整煤气回收限制条件、合理调整煤气存储及使用系统等工艺来实现的。
3、提高转炉煤气利用的措施
近年来将转炉煤气作为化工原料生产高附加值产品技术得到应用和发展, 取得了显著的经济效益和环保效益。目前钢铁企业普遍将回收的转炉煤气作为燃料用于钢包烘烤、轧钢加热炉、焙烧活性石灰、锅炉生产等领域, 用于直接或并入管网发电。为了多获得高质量的转炉煤气, 应从转炉吹炼操作、煤气回收系统控制及煤气利用等各方面协同发展, 以实现先进的炼钢工艺与合理的回收利用控制系统相结合。
三、我公司在提高转炉煤气利用工作中的做法
1、鉴于转炉煤气的高热值, 我公司分别
在厂区北环管线、南环管线设计并投用了两个高炉煤气、转炉煤气掺混点, 在掺混点处设置高炉煤气管道与转炉煤气管道连通管, 并加装具有有效隔断及调节开度功能的阀门组, 当高炉煤气管网压力相对较低时, 而转炉煤气用户用量不大、且转炉煤气回收加压正常时, 开启掺混点阀门组, 将转炉煤气掺混入高炉煤气, 以提高高炉煤气热值, 同时提高了转炉煤气的利用率。
2、我公司目前拥有转炉煤气柜三座, 一
座8万m3转炉煤气柜、一座5万m3转炉煤气柜、一座15万m3转炉煤气柜。三座气柜对应回收公司炼钢不同规模转炉系统的转炉煤气, 鉴于不同转炉煤气系统的生产差异、转炉煤气发生量差异、三座煤气柜的容量差异、转炉煤气加压外供能力的差异, 我公司将三座转炉气柜经加压后的转炉煤气管道相互连通, 以实现各柜区转炉煤气的互补。当一座气柜的煤气回收量不足, 而其他气柜正常回收且柜容充足时, 回收量不足的气柜及加压系统减少或暂停煤气外供, 转由正常回收的气柜及加压系统加大外供量, 此举也最大限度的避免了气柜满柜及拒收煤气现象的发生。
3、我公司新投产的高速棒材项目加热炉
系统需使用1800大卡热值的混合煤气, 根据高炉、焦炉、转炉煤气三种介质的实际热值情况, 设计了高炉、焦炉煤气按比例混合供给、高炉、转炉煤气按比例混合供给、高炉、焦炉、转炉煤气按比例混合供给三种供给模式, 依据三种介质煤气管网压力的变化, 随时切换三种供给模式, 以满足高速棒材加热炉系统的用气需要, 同时最大限度的利用三种介质煤气, 尤其是转炉煤气。
4、为确保转炉煤气储存、加压的安全, 需
确保转炉煤气柜前后的O2含量小于2%。因此转炉煤气柜前、柜后均装有氧含量分析仪, 以随时测定进出气柜的转炉煤气氧含量, 同时将测定值与转炉系统的放散管道连锁, 当O2含量超标时, 及时拒绝回收并放散煤气。为保证转炉煤气管道内部氧含量分析仪探头的清洁, 氧分析仪设计有氮气清扫系统, 氮气清扫系统持续为氧分析仪探头提供清扫氮气;鉴于氮气气源偶尔出现氧含量超标, 从而导致气柜连锁拒收转炉煤气的现象, 我公司备用接引了纯度高、稳定的氩气气源, 作为氧分析仪探头的清扫用气, 有效避免了转炉煤气的拒收及放散。
结束语
在冶金产品成本中可控部分主要是能源消耗, 钢铁联合企业的能源费用约占生产成本的1/3左右。企业副产品煤气介质的回收利用, 对提高经济效益和社会效益具有重要现实价值和实际意义。
转炉煤气是钢铁企业内部中等热值的气体燃料, 可以单独作为工业窑炉的燃料使用, 也可和焦炉煤气、高炉煤气配合成各种不同热值的混合煤气使用。转炉煤气含有大量一氧化碳, 毒性很大, 在储存、运输、使用过程中必须严防泄漏。
目前我国钢铁企业转炉煤气平均回收量少, 热值低, 用户少, 转炉煤气存在放散情况, 部分转炉操作主要还是依靠经验控制。为达到国内外转炉煤气回收与利用的先进水平, 钢铁企业在转炉操作控制上应尽快实行转炉自动降罩操作, 自动控制炉口微正压, 配备并提高动态控制吹炼终点技术, 在转炉煤气应用上合理调配煤气资源, 利用富余转炉煤气开发高附加值化工产品, 使煤气资源利益最大化。通过转炉煤气的充分利用与合理调配, 科学合理的平衡调配煤气资源, 充分挖掘节能潜力, 使企业收到实效, 实现“负能炼钢”, 完善煤气动态平衡, 在增强企业的自身竞争力的同时, 也缓解了环境压力。
摘要：转炉煤气是炼钢生产过程中产生的附属产品, 是一种重要的能源。本文在分析转炉煤气使用现状的基础上, 对如何充分回收利用和维护好现有的转炉煤气进行详细的阐述, 最后指出, 转炉煤气的充分利用与合理调配, 在增强企业的自身竞争力的同时, 也缓解了环境压力。
关键词：转炉煤气,回收,利用,探讨
参考文献
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转炉炼钢是一项冶金企业普遍采用的工艺, 在转炉吹炼过程中, 转炉中产生约1450℃的高温废气, 主要成分是CO、O2、CO2、N2和SO2, 其中CO含量可高达80%以上[1]。含有大量的粉尘, 含尘浓度可达150～200g/Nm3, 吨钢可产生10～30kg粉尘。所以转炉烟气具有高温、有毒、易燃易爆、含尘量高等特点[3]。掌握转炉煤气的回收与使用工艺过程, 避免各类事故的发生和正确处理发生的事故, 对于保证人身安全, 保护国家财产, 减少损失和缩小事故面有很大的意义。
2 转炉煤气回收的危险性分析
2.1 转炉煤气爆炸
转炉煤气在20℃和一个大气压下, 爆炸浓度在12.5%～75%, 与氧气混合爆炸范围在13%～96%。在整个生产过程中对氧含量控制稍有误差, 就可能使转炉煤气处于爆炸浓度范围之内, 而且由于自身生产特点, 转炉煤气生产过程中还易出现具备火灾爆炸的第三条件, 点火能量 (高达1450℃的温度和电气火花等) , 因此发生转炉煤气爆炸的可能性较大。
2.2 转炉煤气中毒
煤气中的CO浓度高与底, 直接与其毒性大小成正比, 转炉煤气含CO达50%以上, 最高可达80%, 这比焦炉煤气 (CO含量6%～9%) 、高炉煤气 (CO含量25%左右) 的毒性要大的多, 以煤气加压风机为界, 煤气加压风机到各用户的管网为正压系统, 都有煤气泄漏的危险, 一旦煤气泄漏都可能导致中毒死亡事故[2]。
2.3 汽化冷却系统的超压爆炸
转炉汽化冷却就是一台余热锅炉, 是一台高热高压的压力容器, 汽化冷却系统水位和压力的波动要比锅炉大的多, 一旦操作不当有可能造成超压爆炸、满水、断水事故和转炉烟罩烧损等严重事故, 必须加强防范。
3 煤气回收安全控制环节
3.1 煤气回收控制
煤气回收设施是相对独立的公辅设施, 主要控制目标是系统的安全、正常稳定的工况, 并在转炉吹炼过程中, 煤气回收系统和转炉控制要系统协调动作[4]。
转炉吹炼开始前, 如果因煤气回收设施不完善或工况极不正常而不能接收煤气, 转炉只能选择不伴随煤气回收的吹炼方式, 煤气必须在转炉的放散塔放散;转炉吹炼开始后, 如果煤气回收设施不完善或工况极不正常而不能接收煤气, 或者转炉送来的煤气成分指标和其他指标不满足煤气回收设施的工艺要求, 就不能接收煤气, 而应该立即连锁相应转炉的煤气系统进入放散状态, 对于已经进入煤气回收设施范围内的管道和煤气柜的不合格煤气, 也应放散。煤气回收设施不触发转炉的吹炼紧急停止事件。
3.2 转炉煤气进出柜的检测
转炉煤气进出柜检测是转炉煤气回收中的重要指标之一, 检测项目是否合格, 决定了转炉煤气的回收或者放散以及气柜出口电除尘器是否允许运行。转炉煤气检测的控制界面如图1所示。
转炉炼钢的煤气回收过程具有间断性及瞬间大流量的特点, 因此, 浮动柜位的威金斯煤气柜可以适应这些特点, 并维持后续的除尘和加压处理所需要的工艺条件。从图1我们可以看到气柜本体的各项检测数据, 以及主要设备。
3.3 转炉煤气的氧含量的控制
在转炉煤气回收中, 煤气氧含量是一个关键参数[5]。转炉吹炼未燃法产生的煤气主要成分为一氧化碳及少量的氢, 不同的操作工艺回收煤气中的一氧化碳含量也不同, 一般为40%～70%。转炉煤气与空气或氧气 (从氧枪中漏出之纯氧) 混合, 在特定条件下会产生爆燃, 使设施中的压力突然增高而造成设备损坏和人身事故。
正是基于这样的原因, 在回收逻辑中从设备到软件功能都将转炉煤气的氧含量的控制放在极其重要的位置上, 即煤气回收控制中的充要条件, 在煤气回收的过程中具备绝对的否决权。
为了保障转炉煤气回收过程的安全, 在一次除尘风机系统和气柜系统均设置气体分析仪, 一次除尘气体分析仪设置在风机与三通阀之间, 气柜系统分析仪设置在气柜柜区入口处, 两套检测装置对转炉烟气同时进行在线检测, 当转炉吹炼开始时, 三通阀置于放散位, 一直检测到转炉烟气的温度, 一氧化碳浓度 (≥35%) , 氧含量 (≤2%) 合格之后, 并保持稳定, 三通阀才置于回收位, 此时转炉煤气经三通阀, 逆止水封阀, V型水封进入柜区, 在入柜前再进行检测, 对烟气成分和其他物理指标确认后入柜, 一旦发现氧含量超标, 即刻通知三通阀转入放散逻辑, 并紧急关闭气柜入口阀, 系统发出报警, 中断回收过程。在某钢厂实际操作中, 回收系统的氧含量连锁指标是 (≤1%) 的。且这两套分析的结果对回收来说是“或”的关系, 即任何一台检测超标立即停止回收。
4 回收电气控制系统
在某钢厂煤气回收系统中, 采用美国GE PLC作为L1自动化控制系统, PLC与HMI之间的通讯采用工业以太网通讯;各PLC与其VERSAMAX远程I/O站之间的通讯采用GENIUS网通讯。整个基础自动化系统通过工业以太网 (光缆) 可与转炉基础自动化系统进行通讯。
系统网络如图2所示。
该系统设置上位机两台 (SIEMENS) , GE90_30 PLC一台, 根据工艺区域划分8个VERSAMAX远程I/O站, 其中1～6号站作为气柜本体以及加压站区控制, 7号为电除尘本体远程I/O站, 8站水处理远程I/O站, 在实际项目实施中增加4个远程站, 用以增补的设备控制。
5 电气安全控制措施
煤气回收系统是一个安全性要求很高的系统, 生产介质的易燃, 易爆性决定该系统区域为爆炸危险场所, 现场所使用的电气设备, 仪器仪表在使用过程中产生的静电火花, 或者由于设备故障的原因产生的电火花等现象, 都有可能成为火灾爆炸的点火源。
对于爆炸危险环境中的电气设备, 仪器仪表的性能要求也和一般作业区域不同, 对各类电气阀门, 电机, 接触器以及现场测量仪表, 变送器都应为防爆型, 对于现场变送器和调节阀的信号采集, 电源支持都必须采用安全手段。
场所控制室设备通过安全栅与危险场所的本安设备相连, 传递信号和能量, 安全栅利用限流和限压电路, 限制了从安全场所传递到危险场所的能量, 处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作, 但是这样的能量并不足以引燃爆炸危险物质, 即使是本安设备自身发生故障, 也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面, 因此, 无论在安全场所的控制室内还是在危险场所的本安设备发生故障, 只要安全栅的限流限压电路能正常工作, 整个系统都会处于安全状态, 不会有爆炸的危险。
在该钢厂的系统中, 对现场仪表的配电, 信号采集, 信号输出都采用了安全栅隔离, 对现场数字量输出也使用了点点隔离, 从而提高了系统的安全性, 为该系统的安全生产提供了可靠保障。
摘要：转炉煤气回收是冶金企业生产中的重要环节, 通过转炉煤气回收可以减少能源浪费, 是企业节能降耗的重要措施之一。但在转炉煤气回收过程中涉及许多安全控制问题, 如果回收的各个环节控制不当, 就会发生煤气爆炸、中毒等重大事故。本文对某钢厂转炉煤气回收系统的安全控制进行分析, 重点论述煤气回收系统中的电气控制问题。
关键词：转炉煤气,煤气回收,控制系统,安全栅
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关键词：煤气回收,环缝洗涤器,伺服控制,系统仿真
0 引言
转炉煤气回收新OG湿法除尘系统 (oxygen converter gas recovery system) 采用了湿法洗涤器。湿法洗涤器主要由饱和喷淋冷却塔和环缝洗涤器 (ring slit washer, RSW) 组成[1]。环缝洗涤器为上进气、下驱动可调喉口文氏管结构。转炉生产时降下活动烟罩, 通过调节炉口烟气压力与大气压力的差压 (简称微差压) 来控制炉前的环境污染程度和煤气回收的质量, 如果炉口微差压正值过大, 将造成火焰外冒, 恶化炉前环境;如果负值过小, 又会吸入空气, 使一氧化碳燃烧, 降低回收煤气的热值。转炉炉口微差压是由冶炼产生的煤气量、煤气风机的抽风量和环缝洗涤器的开度决定的。煤气量的大小由冶炼工艺决定, 为不可控因素;而煤气风机的抽风量和煤气风机的性能相关, 一旦设计确定, 风机的抽风量变化很小。转炉煤气回收新OG湿法除尘系统通过液压伺服系统来控制环缝液压缸的位置, 实时改变环缝洗涤器开度大小, 从而间接控制炉口微差压的变化来控制煤气成分和提高煤气的回收量。因此, 转炉环缝洗涤器液压伺服系统的性能将直接影响转炉炉口的微差压。
1 环缝洗涤器液压传动系统功能简介
环缝洗涤器液压传动系统设计有两套独立的回路, 一套在正常工作时伺服随动使用, 一套在系统故障和检修时使用。伺服随动回路采用伺服比例阀闭环控制液压缸位置, 可实现液压缸任意位置的锁定和任意位置的实时控制。故障检修回路采用换向球阀、节流阀控制回路, 通过换向球阀可改变液压缸运动方向, 通过节流阀可调节液压缸上升速度。配置事故蓄能器, 用于主泵故障时检修回路使用, 事故蓄能器可将液压缸上升到全行程。为了保证事故蓄能器正常工作, 设置压力继电器监控蓄能器压力。
2 环缝洗涤器液压伺服控制原理
转炉煤气回收系统的炉口微差压一般控制在±20Pa的压差范围内[2]。通过安装在活动烟罩顶部的取压管检测炉口微差压并送入PLC, 根据控制模型, 将该微差压值转换为表征油缸设定位置的电信号, 与油缸位移传感器反馈信号一起构成液压缸位置闭环调节, 以实时控制液压缸位置[3]。
环缝洗涤器液压伺服控制原理如图1所示。图1中PS代表取压管检测的微差压电信号;PT代表油缸位移传感器的电反馈信号。
环缝洗涤器液压伺服系统是典型的位置内环、压力外环的伺服控制系统, 它主要由调节器、伺服放大器、伺服比例阀、位移传感器、压力传感器、液压缸及负载组成[4]。环缝洗涤器液压伺服系统控制模型框图见图2。图2中, pr为炉口压力控制目标值;Δp为炉口微差压控制目标值;Ir为炉口压力控制目标值经过控制模型计算后的油缸位移控制目标值;ΔI为油缸控制目标值与油缸位移传感器反馈值的差值;Xv为伺服阀的阀芯位移反馈值;F为油缸活塞杆出力;Xt为油缸位移反馈值。
3 环缝洗涤器伺服控制负载模型
环缝洗涤器液压伺服系统动力元件为对称四通阀控制不对称缸机构, 其动特性在很大程度上决定着整个系统的性能。考虑环缝锥体与油缸连接结构柔度特性, 将环缝洗涤器按负载分解为液压缸运动部分质量和环缝锥体运动质量以柔性结构相连接的二自由度系统, 其负载力由质量、弹簧、阻尼和负载扰动构成, 其负载模型简图见图3。
在理想情况下, 伺服阀功率级滑阀出液口流量q1和回液口流量q2分别为[5]
式中, cd为流量系数;ω为面积梯度 (开口周边总长) , m;xv为滑阀的位移开度, m;ps为液压油源压力, Pa;p1为无杆腔工作压力, Pa;p2为有杆腔工作压力, Pa;ρ为油液密度, kg/m3。
动力机构的连续性方程为
式中, A1、A2分别为无杆腔、有杆腔工作面积, m2;V1、V2分别为无杆腔、有杆腔容积, m3;cip、cep分别为缸的内泄漏系数和缸的外泄漏系数, m5/ (N·s) ;βe为液体的有效容积弹性模量, Pa。
液压缸的力平衡方程为
式中, mt为活塞、油液等效到活塞上的总质量, kg;Bt为活塞的黏性阻尼系数, N·s/m;Kp为负载的弹簧刚度, N/m;g为重力加速度;xt为液压缸活塞位移, m;xp为负载位移, m。
负载平衡方程为
式中, Fp为作用在负载质量上的外负载力, N;mp为负载质量, kg;Bp为负载质量的黏性阻尼系数, N·s/m。
4 环缝锥开度压降特性
在转炉煤气回收生产过程中, 环缝洗涤器环隙出入口差压受风机抽风量和烟气流量的影响。风机的抽风量必须满足转炉产生的最大烟气量要求, 并且风压要大于风机前风管的阻损和风机后正压值之和, 使得环缝洗涤器环隙出口压力小于入口压力, 形成抽风状态。
环缝锥压降与烟气变化量、液压缸位置之间的关系通过经验公式计算求得, 形成初步查询表格, 现场根据煤气回收效果, 局部修正。
5 仿真与实测结果分析
针对某钢厂120t转炉煤气回收新OG系统, 根据式 (1) ～式 (6) , 建立图4所示的仿真框图。考虑伺服阀死区和系统饱和, 利用MATLAB7.4的M语言编程并与Simulink结合, 调用Simhydraulics物理仿真模块, 采用定步长仿真算法实现数字仿真。
环缝液压伺服系统空载状态下单位阶跃响应仿真和实测曲线如图5、图6所示。
从图5所示的仿真曲线可以分析得出, 此时伺服阀基本接近饱和状态, 环缝液压伺服系统在初始位置135mm处单位阶跃响应调整时间ts=36ms, 上升时间tr=14ms, 最大超调量9.6%。
从图6的实测曲线可以分析得出, 测试条件下环缝在位置135mm处空载阶跃响应调整时间ts=40ms, 上升时间tr=15ms, 最大超调量20%, 与仿真结果基本一致。
仿真结果要小于实测结果的空载最大超调量, 分析原因为仿真模型没有考虑伺服阀的阀芯惯性和液动力的影响, 并且系统的软参量阻尼系数取的是经验值, 这些都有待仿真模型的进一步细化。
现场120t转炉煤气回收系统炉口微差压实际控制波动曲线如图7所示, 图中, 横坐标为生产时间, 每一小格代表10s;纵坐标分别为油缸位置和微差压, 每一小格分别代表25mm和5Pa。曲线采集数据为吹氧开始到吹氧满540s的数据。从实测数据可以得到, 在吹氧初期, 未进行炉口微差压控制, 环缝液压缸基本保持固定位置, 炉口微差压波动范围大;在稳态回收期, 采用微差压控制, 炉口微差压波动范围基本控制在 (60±20) Pa内, 满足了工艺控制要求。
6 结语
通过分析转炉煤气回收新OG系统中环缝洗涤器液压伺服系统的控制原理, 采用机理建模的方法, 建立了环缝洗涤器液压伺服控制系统的数学模型。现场测试数据表明, 仿真结果与实测数据基本一致, 表明仿真模型满足工程实际的要求, 从而为环缝洗涤器液压伺服系统的设计和维护提供了理论支持。
参考文献
[1]周品良.新一代转炉煤气回收技术介绍和应用前景[J].上海宝钢工程技术, 2004 (3) :41-45.
[2]王爱华, 蔡九菊, 王鼎.转炉煤气回收规律及其影响因素研究[J].冶金能源, 2004, 23 (4) :52-55.
[3]马荣芳, 孙弘, 尹凤.转炉煤气净化回收系统中炉口微差压的自动控制[J].电气传动, 2006, 36 (5) :53-55.
[4]Armstrong B, de Wit C C.The Control Handbook[M].Boca Raton, Florida:CRC Press, 1999.
关键词：转炉煤气,回收,优化,能源综合利用
0 引言
当前钢铁行业形势严峻, 在行业大形势不能改变的情况下, 唯有通过工艺优化、技术升级等手段, 降低生产成本, 提高系统运行效率, 才能在行业“严冬期”不被淘汰。提高能源综合利用水平是钢铁企业降本增效的有效途径之一, 炼钢转炉冶炼过程中产生的转炉煤气发热值为6 250~8 200 k J/Nm3 (1 500~1 960 kcal/Nm3) , 是高炉煤气发热值的2倍多, 在钢铁副产煤气中是热值仅次于焦炉煤气的宝贵能源, 为此, 行业内钢铁企业越来越重视转炉煤气回收与利用工作。一般的大中型钢铁企业转炉煤气回收量已达100 m3/t钢, 但距离行业内先进企业130 m3/t钢的水平差距仍较大, 造成了优质煤气能源的浪费, 放散的煤气也造成了环境污染。因此, 提升钢铁企业转炉煤气回收利用水平是当前降低生产成本的有效措施, 也是钢铁企业减少环境污染的必由之路。
1 某钢厂煤气回收系统现状
某钢厂有120 t转炉4座, 转炉煤气回收系统配套一座8万m3布帘煤气柜及4台加压机, 其中AI1000加压机2台、D400加压机2台。目前转炉煤气用户主要分3类, 一类是并入高、焦煤气混合管网供轧材线用户使用;另一类是并入高炉煤气管网供锅炉、球团等用户使用;第三类是转炉煤气专用户, 主要是转底炉、烤包等。一般情况下转炉煤气转供系统开3台加压机基本能满足煤气转供需求, 当转炉冶炼节奏较快或某轧线停产时, 就会造成大量转炉煤气放散。
高、焦混合煤气加压区有6台AI950高炉煤气加压机、6台AI450焦炉煤气加压机, 近年来高炉煤气加压机基本处于闲置状态 (高炉煤气压力高, 不用加压即可满足生产要求) , 焦炉煤气加压机一般情况下运行不超过2台, 设备作业率较低, 存在较大的资源浪费。
当前混合线用户使用高、焦、转混合煤气, 而3种煤气分属于两个不同的岗位供应, 当煤气产量和用户需求发生变化时, 两个岗位需要配合调整, 这种协调操作很难达到无缝对接, 这就造成了混合煤气热值、压力的波动, 不利于煤气用户的稳定生产。
鉴于以上因素, 为解决当前转炉煤气回收系统加压能力不足的问题, 同时结合混合加压区设备资源高效利用及提升转炉煤气吨钢回收水平等多方面因素, 对转炉煤气回收并网系统进行了优化升级, 以合理利用闲置设备资源, 改善转炉煤气并网系统无备用机的现状, 并将混合煤气、转炉煤气转供职能集中在一个加压站, 以实现区域煤气能源的统一调配。
2 项目必要性、可行性分析
2.1 必要性
(1) 转炉煤气加压站设备仅能满足目前转炉煤气回收要求, 无法完全满足下一步继续提高转炉煤气回收极限的需要, 可以充分利用混合站的部分闲置设备, 提高煤气回收效率, 降低运行成本。
(2) 混合煤气加压区6台高炉煤气加压机已闲置多年, 造成了设备资源的极大浪费。
(3) 当前混合煤气转供系统的现状造成了各用户处煤气压力、热值频繁变化, 且同一时间各用户煤气热值存在较大差别, 不利于煤气用户的稳定生产。
(4) 目前生产模式下, 单就转炉煤气的调整和平衡, 两个加压站需同时运行, 其协调操作存在着较多的制约因素, 有条件将其整合在一起对煤气生产绝对有利。
综合以上原因, 为了充分利用现有设备确保热线用户的煤气能源供应稳定可靠, 有必要对现有煤气转供系统进行优化改造。
2.2 可行性
(1) 通过技术改造, 可以利用混合加压区4台闲置的AI950加压机作转炉煤气加压机使用, 解决了转炉加压机无备用机的问题;同时将转炉煤气并混合管网并网点移至高、焦煤气混合区, 通过降低混合煤气中高、焦炉煤气量, 提升了转炉煤气并网能力。
(2) 通过改造, 将目前两个加压站的操作集中至一个主控室, 便于实现煤气的统一调配, 为转炉煤气回收水平的提升创造了条件。
(3) 可使高、焦、转3种煤气在同一个并网点并网, 以确保煤气热值的稳定。
3 优化方案
3.1 主要改造项目
3.1.1 煤气管道部分
(1) 利用轧材线检修机会, 退出混合站高炉加压机运行, 将现混合加压站6台高炉煤气加压机进出口主管道从4#、5#机之间打断, 分作两部分使用, 南段1#、2#、3#、4#机作转炉煤气加压机使用, 北段5#、6#机仍作高炉煤气加压机使用。
(2) 从8万m3气柜出口引DN1 600管道至混合站高炉加压机入口管南段, 作为转炉煤气加压机进口主管使用, 长度约170 m, 在气柜出口处安装DN1 600蝶阀、眼镜阀组。
(3) 待新管道就位后, 停止气柜运行, 完成气柜出口处合茬工作。
(4) 从混合加压站高炉煤气加压机出口总管南段引一根DN1 600管道, 长度约70 m, 至混合加压区机房顶, 与原来高炉煤气DN1 600大管对接, 并使原来高炉煤气大小管之间可靠切断, 原来小管仍作高炉煤气管道使用。
(5) 在加压站出口总管处将去锅炉DN1 000管道与新建加压机出口DN1 600管道连接, 并设置调节阀、眼镜阀。
(6) 在4#机处进出口总管间安装DN1 000联通阀。
煤气管道低点设防泄漏煤气排水器和集水池, 设置检修人孔和放散管, 沿途管道安装不锈钢波纹补偿器。
3.1.2 电气部分
为新安装的4台阀门铺设动力电缆和控制电缆, 根据规范要求对新增煤气管道考虑防直雷击、感应雷及防静电的措施。
所有管道的防雷和防静电共用一套接地装置, 在管道的始端、末端、转角处以及直线段每隔100 m设置一个接地装置, 其接地电阻小于10Ω。所有管道接头 (弯头、阀门、法兰盘等) 不能保持良好的电气通路时应用金属线跨接。当利用滑动支架作为引下线时, 在管道与支架之间必须设跨接线。
3.1.3 仪表部分
(1) 将8万m3气柜入口压力、转炉快切阀状态、O2含量、CO含量、回收时间等信号全部通讯至混合加压站值班室, 并实现自动拒收功能。可以通过增加4台上位机实现, 自动拒收功能需要在8万m3气柜PLC中修改, 则可实现上述要求。因8万m3气柜在转炉环网内, 为保证转炉环网安全, 需在8万m3气柜PLC中增加一块CP模板单独做通讯。
(2) 原混合站高炉加压机改为转炉煤气的加压机, 有部分联锁信号需从8万m3气柜PLC取, 要在2套PLC间做通讯, 就牵扯到西门子与施耐德PLC之间的通讯, 做通讯比较复杂, 因此采用硬线方式连接通讯。
(3) 新增的1套流量计和2套压力检测装置进入混合加压站PLC控制系统, 需要增加电缆、流量计及压力检测装置。
3.2 工艺简介及工艺流程
转炉煤气从气柜出口经混合加压站原1#、2#、3#、4#高炉煤气加压机加压后进入混合加压站混合区, 即将原来转炉煤气并混合管网并网点移至混合加压站房顶混合区, 实现3种煤气在混合区统一调配;原转炉煤气加压系统供转底炉用转炉煤气。
4 投资估算
土建及管道敷设费用合计114万元, 阀门、补偿器、排水器、动力电缆等材料费用合计80万元, 仪表改造费用50万元, 共计投资费用244万元。
5 经济效益分析
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