（热能工程专业论文）混合煤气热值的动态算法研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 对于中小型冶金企业，混合煤气热值波动的问题一般是难以避免的，而这种 波动通常是由于混合比的波动所引起的。准确确定用户处( 如加热炉前) 的煤气 热值，进而确定煤气燃烧的理论空气需要量，是实现最佳燃烧控制的基本条件之 一。所以，实现用户处煤气热值的动态实时跟踪，是十分重要的。 在深入分析钢铁企业煤气管网特点的基础上，提出了混合、输送、分流、混 合储存和出流等五个基本环节的概念，以及与各个环节相应的混合煤气热值的基 本算法。上述的概念与算法可作为“混合煤气热值的动态算法”的基础。而任何 复杂的煤气系统均可由这五类环节的组合来描述。 对混合煤气热值与理论空气需要量之间的关系进行分析，论证了煤气热值动 态算法的可行性。在对动态算法进行了较系统研究的基础上，对单用户和多用户 系统进行了仿真，以考验本算法在煤气热值各种典型波动下的决策能力。 本研究提出的方法以计算为主，在几何条件确定之后，其输入只包括各种相 关的流量信息，而这些信息均属于正常计量所必备的。所以，本方法对硬件投资 没有额外要求。该方法能够在线实时地推算出各用户处的混合煤气热值和燃烧理 论空气需要量，进而调节空燃比，实现最佳燃烧控制。即使在配置了热值仪的系 统，本文的方法也有实用意义。 对算法系统的启动和标定所进行的研究，将有助于提高本算法精度和应对实 际运行问题的能力。 本文最后研究了煤气流量检测中的温度、压力和密度的综合补偿，并着重研 究了由于混合比变化时的密度补偿，这对于提高检测精度是有益的。 关键词：混合煤气热值，理论空气需要量，动态实时算法，燃烧控制 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef l u c t u a t i o no fm i x e d g a sc a l o r i cv a l u e w h i c hi sa r o u s e db yt h em i x i n g r a t i o f l u c t u a t i o n , i sg e n e r a l l yi n e v i t a b l ei nm e d i u l n s i z e do rs m a l li r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s i ti so n eo f t h eb a s i cc o n d i t i o n sf o r 也er e a l i z a t i o no fo p t i m u mc o m b u s t i o nc o n t r o l l i n g t od e t e r m i n ee x a c t l ym i x e d g a sc a l o r i cv a l u eo f c o n s u m e r s ( s u c ha sr e h e a t i n gf a m a c e ) a n dc o n s e q u e n t l yd e t e r m i n e 血e o r e t l c a ia i rr e q u i r e m e n t s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o r e a l i z ed y n a m i c ，r e a l - t i m et r a c kt om i x e d - g a sc a l o r i cv a l u e o nt h eb a s i so fi n d e p t ha n a l y s i so fg a sc o n d u i tn e t si ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s 。 t h ec o n e e p t so ff i v eb a s i ct a c h e s m i 矗n 臣t r a n s p o r t i n g ，d i f f l u e n c e ，m i x i n g d e p o s i t a n dc o m e o u ta sw e l la sb a s i cc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i n gm e t h o da r ep u tf o r w a r d j 乃o c o n c e p t sa n dc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i n gm e t h o d sn a r r a t e da b o v ec a r lb et h ef o u n d a t i o n o f d y n a m i cc a i c u l a t i n gm e t h o do fm i x e d g a sc a l o r i cv a l u e a n da n yc o m p l i c a t e dg a s s y s t e mc a nb ed e s c r i b e db yt h ec o m b i n a t i o no f t h ef i v et a c h e s t h ea r t i c l ea n a l y s e st h er e l a t i o n s h i po fc a l o r i cv a l u ea n dt h e o r e t i c a l a i r r e q u i r e m e n to fm i x e d - g a s ，d e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fd y n a m i cm e t h o do fg a s e a l o d ev a l d e ，s t u d i e st h ed y n a m i cm e t h o ds y s t e m a t i c a l l y , m a k e ss i m u l a t i o no ns i n # e u s e ra n dm u l t i u s e rr e s p e c t i v e l yt ot e s td e c i s i o n - m a k i n ga b i l i t yo ft h i sm e t h o du n d e r v a r i e t i e so f t y p i c a lf l u c t u a t i o n s n l et a l c u l a t i n gm e t h o dp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ri sb a s e do nc a l c u l a t i o na n d a f t e rg e o m e t r i e a lc o n d i t i o ni sd e t e r m i n e d t h ei n p u to n l yi n e l u d e sal i t t l ei n f o r m a t i o n r e l a t e dt of l o wr a t ew h i c hi si u s tt h ep r e p a r a t i o nf o rn o r m a im e a s u l e s ot h e r ei sn o e x t r ar e q u i r e m e n to nh a r d w a r ei n v e s t m e n t t h em e t h o di sa b l et oc a l c u l a t er e a i t i m e c a l o r i cv a l u ea n dt h e o r e t i c a la i rr e q u i r e m e u to fm i x e dg a so nl i n e ，c o n s e q u e n t l y r e g u l a t e sa i r f u e lr a t i ot or e a l i z eo p t i m a lc o m b u s t i o nc o n t r o l l i n g e v e ni fe q u i p p e d w i t he a l o r i cv a l u ei n s t r u m e n t t h ec a l c u l a t i n gm e t h o dh a si t sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h es t u d yo ft h es t a r t - u pa n dc a l i b m t i o no ft h ec a l c u l a t i n gm e t h o ds y s t e mw i l l h e l pt oi m p r o v ep r e c i s i o no ft h i sc a l c u l a t i n gm e t h o da n da b i l i t yt os o l v ep r a c t i c a l p r o b l e m s i nt h el a s tp a r t ，t h eg e n e r a lc o m p e n s a t i o no fg a st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d d e n s i t yi si n t r o d u c e di nw h i c ht h ef o e l l si st h ec o m p e n s a t i o no fd e n s i t yc h a n g ec a u s e d b ym i x e dr a t i o ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h ei n h e r eo f m e a s u r i n gp r e c i s i o n k e yw o r & ：m i x e d g a sc a l o r i cv a l u e ，t h e o r e t i c a la i rr e q u i r e m e n t ，d y n a m i cr e a l t i m e c a l c u l a t i n gm e t h o d ，c o m b u s t i o nc o n t r o l l i n g i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：课本耷 日期：，f2 肜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：索幸伞 日期：1 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景 钢铁企业在日常生产中会产生大量的副产煤气，其中主要有高炉煤气、焦炉 煤气和转炉煤气1 1 2 】，在冶金工业发展的初期，这些副产煤气并未得到充分利用， 只好大量放散，这不仅造成能源的巨大浪费，而且严重污染环境。后来人们逐渐 认识到副产煤气的重要性，并广泛加以利用。现在，冶金企业大多数加热设备都 燃用副产煤气【1 1 。从表1 1 和表1 _ 2 1 2 1 可以看出，燃用单一煤气有很多缺点， 所以除了一些煤气用户( 如高炉热风炉、锅炉和焦炉等用户燃用高炉煤气，烧结 机等用户燃用焦炉煤气) 燃用单一煤气外，大部分用户( 如锻压、热带、中型等 轧钢车问) 都燃用混合煤气。这不但能解决焦炉煤气不足和高炉煤气过剩的问题 【2 】，而且可使厂内较多的燃烧器的燃气热值在设计热值的范围内，从而使煤气利 用更趋合理。作为轧钢加热设备的连续加热炉一般也燃用混合煤气。 表1 1 高炉、焦炉煤气特性对照表 t a b l e l - 1c o m p a r i s o nf o rc h a r a c t e r i s t i c so f b l a s tg a sa n dc o k eg a s 烧结动力焦炉管式炉厂内民用城市煤气 1 4 1 5 0 4 6 3 0 8 4 1 8 0 1 5 0 4 8 1 5 8 8 4 9 1 9 6 1 4 6 3 0 1 5 8 8 4 1 6 7 2 0 连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的任务是按轧机节奏将钢 坯加热到工艺要求的温度水平，并且在保证优质高产的前提下，达到最佳燃烧控 制( 合理的空燃l l ) 以降低煤气消耗，减少氧化烧损【4 】。 所谓空燃比就是进入炉内的空气流量与煤气流量之比【4 】，即 东北大学硕士学位论文第一章引言 “：盆：n l o f g a s ：n z o ( 1 - - 1 ) ? 辨 ? 驴s 式中，2 7 为空气消耗系数：三。为煤气燃烧的理论空气需要量，m 3 - m 3 凡h 为空气流 量，m 3 h ；鬼为煤气流量，m 3 , h 。 从式( 1 1 ) 可以看出，影响空燃比的因素有两个，即煤气的理论空气需要量 岛和空气消耗系数n ，l o 由煤气的化学成分决定，当煤气的化学成分变化时，煤气 的热值和理论空气需要量也会随之发生变化：，z 值是在设计炉子或燃烧装置时根 据需要预先选取的【4 】， 选小了，会造成不完全燃烧，使炉子温度下降，单位能 耗升高：n 选大了，会增加氧化烧损和降低燃烧温度，还会造成设备和动力的浪 费。通常对于要求煤气能够完全燃烧的炉子，门值可按表1 3 选取。对于要求 不完全燃烧的炉子，n 值则根据加热工艺的要求选定。炉内实际的空气消耗系数 般不按式( 1 1 ) 直接计算，因为即使空气管道上装有流量测量装置，但是，有 的炉子在烧嘴处还要卷吸空气，炉门也可能吸入，空气管路系统则可能漏风，因 此，厶是难以测准的。所以通常应该实测废气成分，然后按废气成分来计算和控 制空气消耗系数【5 i 。 表1 - - 3 燃用气体燃料时n 的选择 t a b l e1 3c h o o s i n go f ni nb u r n i n gg a sf u e l 燃烧方法 n 有焰燃烧 无焰燃烧 1 0 3 1 0 5 】，0 5 1 2 0 煤气化学成分的变化使煤气热值和理论空气需要量发生变化，而现有的加热 炉燃烧控制中一般都根据需要预先选用一个三。值【4 l ，当煤气热值增大时，即理 论空气需要量厶增大，造成炉内煤气燃烧的实际空气供给量偏低，致使炉尾冒 黑烟，不完全燃烧化学热损失增大；煤气热值减小时，理论空气需要量厶减小， 致使炉内煤气燃烧的实际空气供给量偏高，氧化烧损增多，废气带走的物理热也 增大。 当热值波动时，如果不能正确选择如，将影响炉内气氛，以武钢股份公司 冷轧厂冷轧镀锌预热炉为例，该炉在固定空、煤气体积流量的燃烧控制方式下， 就无法补偿煤气热值波动所引起的炉内煤气燃烧实际空气供给量的波动，预热炉 内的还原性气氛难以得到保证，造成带钢表面氧化及锌层附着力下降，产生露钢 现象，出现废品。为了弥补煤气热值波动对镀锌预热炉炉内还原性气氛的影响， 不得不将空气消耗系数从原设计的0 9 7 降为0 9 4 ( 国外一般为0 9 8 ，先进的企 业达到0 9 9 ) 。即使这样，由于煤气热值波动范围过大，炉内的还原性气氛还是 难以得到保证 6 】。此外，煤气热值的波动还直接影响炉温的高低，炉温 4 - 5 1 可由 式( 卜2 ) 估算。 嘻2 叩憧 ( 1 2 ) 东北大学硕士学位论文第一章引言 式中f p 为炉温，；t 。为理论燃烧温度，；f 7 为炉温系数。 各种炉子的炉温系数不同，般波动于0 6 5 0 8 5 之间，要根据经验确定。 这样一来，当确定了理论燃烧温度之后，便可根据该种炉子的炉温系数，估计实 际可能达到的炉温【4 】。由燃料燃烧理论计算可知，煤气热值对f 。的影响较大， 在一定的空气消耗系数下，随着煤气热值的增大，t 。增大，炉温系数目的大小 与许多因素有关，如炉子结构、容积热强度、烧嘴结构等【4 1 。在其他因素不变的 条件下，刁随着煤气量的增大而增大1 8 】。在镀锌预热炉的实际操作中，为了弥补 煤气热值波动对炉温的影响，保证炉温t 舻不低于带钢表面的净化温度，只有通 过煤气量的增大来提高炉温系数_ 7 ，致使烟气带走的不完全燃烧化学热和物理 热增大，炉子热效率下降。因此必须根据煤气热值的变化，及时调整空燃比，才 能保证煤气充分燃烧，炉内气氛符合工艺要求。 混合煤气作为加热炉的主要燃料，其混合比的波动将造成热值的波动，这对 加热炉内的燃烧过程有着很大的影响。高、焦炉混合煤气热值可根据式( 1 3 ) 进行计算 鳊，。= ( j 一口) q + a q 。 ( i - 3 ) 式中，鳊，。为混合煤气热值，l d m - 3 ；q d 。为焦炉煤气热值，k j m 。；蜴。为焦炉 煤气热值，k j - m 。；口为焦炉煤气在混合煤气中占的体积分数。 由式( 1 3 ) 可知，引起混合煤气热值波动的原因是高炉与焦炉煤气的热值及 高炉、焦炉煤气的配比。在炼焦厂炼焦的过程中，煤在炼焦室中所产生的焦炉煤 气成分在不同时期是变化的，但是因为一座炼焦炉有许多处于不同时期的炼焦 室，各室产生的煤气汇集在煤气总管中，煤气总管内焦炉煤气成分是相对稳定的。 高炉炉况的波动对高炉煤气热值也有影响高炉不同时期冶炼铁种的不同，但是在 一个炼铁周期中来看，煤气热值变化不大。目前大部分钢铁企业均采用“先加压 后混合”的煤气系统，即高、焦煤气分别从高炉、焦炉经输送管道进入混合加压 站加压混合，然后再由总管网将混合煤气输送到各煤气用户。在钢铁企业中，随 着生产状态的改变，副产煤气的产量与消耗量经常波动，煤气产量和消耗量不平 衡，从而造成高炉煤气管网与焦炉煤气管网压力波动，导致混合煤气的配比和热 值时刻发生变化。 由此可见，引起混合煤气热值波动的主要原因并不是高、焦炉煤气热值的变 化，而是高炉、焦炉煤气的配比【13 1 。从高、焦炉煤气的混合到混合煤气在加热炉 内燃烧的过程来看，混合煤气一旦从煤气混合站输出，则输出的混合煤气热值就 确定了，中途无法对其进行调节。混合煤气送入加热炉后，只有按照煤气热值的 真实值，随时调节助燃空气流量，即调节空燃比来控制炉内燃烧。因此，减小混 合煤气热值波动对炉内燃烧的影响，可以采用下述方法： ( 1 )控制混合煤气热值的波动 煤气化学成分的变化使煤气热值和理论空气需要量发生变化。如果煤气热值 1 东北大学硕士学位论文 第一章引言 能够稳定于某个值，理论空气需要量厶也就基本不发生变化，此时控制炉内的 燃烧只要固定空燃比即可。混合煤气热值的控制，即应该在煤气混合站进行。由 前面的分析可知，影响高、焦炉混合煤气热值的主要原因是高、焦炉煤气的热值 和配比。因此，可以以煤气热值为控制目标，以高、焦炉煤气配比为控制参数， 采用在线计算机自动控制系统，实现煤气热值的在线闭环控制，以实现煤气热值 的稳定。 向武钢冷轧厂输送高、焦炉混合煤气的煤气混合站，采用混合煤气定期取样 分析h s 的方法进行热值控制，取得了一定的效果。但是由于取样化验时间较长， 一般为两小时，很难补偿高炉、焦炉煤气压力的随机变化及流量阀门调节性能的 影响，难于实现实时控制。目前，大部分钢铁企业一般都采用热值仪参与热值控 制，热值仪是一种在线测量煤气热值的仪器，它测量速度快( 7 4 5 s ) ，测量准 确，可实现在线实时控制。文献 1 3 1 7 使用热值仪在线测量混合煤气热值，利 用p i d 、模糊控制等控制手段使煤气热值稳定在一定的范围，以实现最佳燃烧， 且取得了较好的效果。 ( 2 )按照煤气热值的真实值，随时调节助燃空气量 最佳燃烧控制的关键在于合理调节空气、煤气配比，如果我们能够实时得到 烧嘴前的煤气热值，即可得其理论空气需要量岛，就可以根据煤气热值调节空 燃比，实现最佳燃烧控制。早期，炉子的燃烧控制是现场操作人员观察炉内燃烧 状况根据经验进行手动控制的，在煤气热值交大时，由于炉内煤气燃烧的实际空 气供给量偏低，炉尾冒黑烟，操作人员根据炉尾是否冒黑烟，来调节助燃空气量。 但是冒黑烟只说明了岛偏小，而危及加热炉气氛的厶偏大却较不容易引起注意， 只有在出现废品后，才成为人们寻找原因的主要方向【l ”。可见光靠现场操作人员 的观察来控制炉内燃烧，并不能取得很好的效果。为此，武汉冷轧厂在镀锌车间 安装了一台热值仪，为操作人员提供准确的煤气热值的波动信息，采用在线自动 控制系统，根据热值仪所测得的煤气热值，及时地调节空燃比，实现实时控制， 这不仅可保证预热炉内的还原性气氛，而且还提高了煤气的利用率，取得了提高 产品质量与节能的效果【6 1 。石钢连轧厂、包钢初轧厂、太钢连轧厂、宝钢条钢厂 等都采用热值仪在线测量混合煤气热值，参与加热炉的燃烧控制i i ”j ，加热质 量明显改善。 从上述讨论的两种措施来看，热值仪参与燃烧控制可以提高产品加热质量， 降低炉子能耗。实际上，热值仪本身的一些特点使它在钢铁企业的使用受到了一 定的限制j ，因而没有得到广泛的应用。一方面是在线热值仪价格过高，维护繁 琐：另一方面热值仪的运行对煤气的净化要求较高。钢铁企业副产煤气含有很多 杂质( 如焦油、灰尘、硫、萘和水分等【1 6 1 ) ，容易堵塞热值仪，使热值仪不得不 经常停用维修，对燃烧控制造成影响。热值仪所测的仅是采样处的煤气热值，并 不能对管道全程进行热值跟踪，如果要知道各个用户处的热值，必须安装多个热 东北大学硕士学位论文 第一章引言 值仪进行检测，从经济上来说这显然是不合理的。为此，必须开发其他的软件推 理方法，用软件的方法动态估算混合煤气热值来弥补热值仪的不足。 本文研究的混合煤气热值动态算法是在深入分析钢铁企业管网特点的基础 上提出的在采样信息不完整的情况下实现的，它既可以根据混合站出口处的热值 仪所测得热值推算出用户处的煤气热值和厶，也可以在没有热值仪的情况下直 接根据高、焦炉煤气的流量推算出用户处的煤气热值和勘，炉子燃烧控制系统 可根据在线算法得到的如调节空燃比，实现最佳燃烧控制。 1 2 研究内容 本文首先介绍引起混合煤气热值波动的原因和调节手段，并分析热值仪的工 作原理及其应用的局限性。 本文的主要部分对混合煤气热值与理论空气需要量之间的关系进行分析，论 证了煤气热值动态算法的可行性，并对动态算法进行了较系统的研究，主要工作 包括： o 定义了五个基本环节，即混合环节、输送环节、分流环节、混合储存环 节和出流环节。 0 推导了上述五个环节的基本算法，它们的组合构成了混合煤气热值动态 算法，可适用于复杂煤气系统。 o 应用所提出的动态算法，对单用户和多用户系统进行了仿真，考验本算 法在煤气热值各种典型波动下的决策能力。 o 对算法系统的启动、标定进行了详细研究。 o 对煤气流量检测的温度、压力和密度的综合补偿进行研究。着重研究了 由于混合比变化时的密度补偿，而在现有系统中这往往是被忽略的重要 问题。 东北大学硕士学位论文第二章煤气热值波动的原因和调节 第二章煤气热值波动的原因和调节 钢铁生产过程中，消耗煤和焦炭的同时，生产出大量的副产煤气，这些煤气 利用得充分与否，关系着企业能源利用的水平和能耗水平t ”。各钢铁企业的结构 不同1 3 1 ，副产煤气的种类不尽相同，数量也有很大差异。钢铁联合企业在生产中， 大多都有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，转化为副产煤气的能源占企业自耗能 源的3 0 4 0 ，在回收利用的副产煤气中，以高炉煤气的数量最大，约占6 2 6 3 ，焦炉煤气约占3 5 ；而转炉煤气的回收利用量不大，占总副产煤气的2 多一点 3 1 。 2 1 钢铁企副产煤气简介 钢铁企业副产煤气主要包括三种，高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。它们分 别是炼铁、炼焦和炼钢的副产煤气。 ( 1 ) 高炉煤气 高炉煤气是高炉炼铁过程中所得到的一种副产品，其主要成分是c o 。高炉 煤气的化学组成情况及其热工特性与高炉燃料的种类、所炼生铁的品种以及高炉 冶炼工艺特点等因素有关。 高炉煤气因含有大量的n 2 和c 0 2 ( 占6 3 7 0 ) ，所以它的热值不高，只 有3 7 6 2 4 1 8 0k j m 。当冶炼特殊生铁时，高炉煤气的热值比冶炼普通炼钢生 铁时高4 1 8 6 3 0i o m 。高炉煤气的理论发热温度为1 4 0 0 1 5 0 0 。c ，这样低的 热值和发热温度，单独应用比较困难。但冶金企业高炉煤气的产量极大，例如年 产5 0 0 万吨钢的联合企业，高炉煤气的产量达到1 2 0 万m 3 h ，如此大量的煤气 应当充分加以利用。所以在钢铁企业常将高炉煤气与焦炉煤气混合使用。个别情 况下也有单独使用高炉煤气的，这时就需要将煤气和空气都预热到高温，以保证 燃烧温度达到用户要求。 高炉煤气从高炉出来时含有大量的粉尘，为6 0 8 0 9 n l 。或更多，必须经过 除尘处理，将煤气的含尘量降到表2 一l 中的标准，才符合使用要求。 表2 1 含尘量最低标准 t a b l e 2 1b o t t o mm a n d a r do f d u s t - l a d e nq u a n t u m 用户含尘量 热风炉、加热炉 2 0 5 0m gr 1 2 1 。 焦炉 1 0 m g m - 3 高炉是冶金生产中燃料的巨大消费者。高炉的燃料的热量约有6 0 转移到 高炉煤气中，据统计，高炉每消耗1 t 焦炭可产生3 8 0 0 4 0 0 0 n 1 3 高炉煤气。由此 可见，充分有效地利用将高炉煤气，对降低吨钢能耗有重大意义。在冶金生产中， 高炉煤气主要用于焦炉，在冶金联合企业中，与焦炉煤气混合后用于加热炉。 东北大学硕士学位论文 第二章煤气热值波动的原因和调节 第二章煤气热值波动的原因和调节 钢铁生产过程中，消耗煤和焦炭的同时，生产出大量的副产煤气，这些煤气 利用得充分与否，关系着企业能源利用的水平和能耗水平 1 】。各钢铁企业的结构 不同”】，副产煤气的种类不尽相同，数量也有很大差异。钢铁联合企业在生产中， 大多都有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，转化为副产煤气的能源占企业自耗能 源的3 0 4 0 ，在回收利用的副产煤气中，以高炉煤气的数量最大，约占6 2 6 3 ，焦炉煤气约占3 5 ；而转炉煤气的回收利用量不大，占总副产煤气的2 多一点【3 】。 2 1 钢铁企副产煤气简介 钢铁企业副广煤气主要包括三种，高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。它们分 别是炼铁、炼焦和炼钢的副，1 = 煤气。 ( i ) 高炉煤气 高炉煤气是高炉炼铁过程中所得到的种副产品，其主要成分是c o 。高炉 煤气的化学组成情况及其热工特性与高炉燃料的种类、所炼生铁的品种以及高炉 冶炼工艺特点等因素有关。 高炉煤气因含有大量的n 2 和c 0 2 ( 占6 3 7 0 ) ，所以它的热值不高，只 有3 7 6 2 4 1 8 0k j m o 。当冶炼特殊生铁时，高炉煤气的热值比冶炼普通炼铡生 铁时高4 1 8 6 3 0k jr n l o 。高炉煤气的理论发热温度为1 4 0 0 1 5 0 0 ，这样低的 热值和发热温度，单独应用比较困难。但冶金企业高炉煤气的产量极大，例如年 产5 0 0 万吨钢的联合企业，高炉煤气的产量达到1 2 0 万m h 一，如此大量盼墙l 气 应当充分加以利用。所以在钢铁企业常将高炉煤气与焦炉煤气混合使用。个别情 况下也有单独使用高炉煤气的，这时就需要将煤气和空气都预热到高温，以保证 燃烧温度达到用户要求。 高炉煤气从高炉出来时含有大量的粉尘，为6 0 8 0 9 t n 。或更多，必须经过 除尘处理，将煤气的含尘量降到表21 中的标准，才符合使用要求。 表2 1 含尘量最低标准 t a b l e 2 1b o t t o ms t a n d a r do f d u s t - l a d e nq u a n t u m 用户古尘量 _ 囊甄丽r 可r i 孑一 热风炉、加热炉 2 0 5 0r a g m 。3 丛生! ! ! 堡：翼! 高炉是冶金生产中燃料的巨大消费者。高炉的燃料的热量约有6 0 转移到 高炉煤气中，据统计，高炉每消耗l t 焦炭可产生3 8 0 0 4 0 0 0 m 3 高炉煤气。由此 可见，充分有效地利用将高炉煤气，对降低吨钢能耗有重大意义。在冶金生产中， 高炉煤气主要用于焦炉，在冶金联合企业中，与焦炉煤气混合后用于加热炉。 高炉煤气主要用于焦炉，在冶金联合企、k 中，与焦炉煤气混合后用于加热炉。 东北大学硕士学位论文第二章煤气热值波动的原因和调节 由于高炉煤气中含有大量c o ，在使用中应特别注意防止煤气中毒事故。根 据有关资料介绍，大气中一氧化碳的浓度超过1 6 p p m 即有中毒危险。 ( 2 ) 焦炉煤气 焦炉煤气是炼焦生产的副产品。l t 煤在炼焦过程中可以得到7 3 0 - - 7 8 0 k g 焦 炭和3 0 0 3 5 0 m 3 的焦炉煤气，以及2 5 4 5 k g 焦油。 由焦炉出来的煤气因含有焦油蒸汽，所以称荒焦炉煤气。l m 3 荒焦炉煤气通 常含有3 0 0 5 0 0 9 水和1 0 0 1 2 5 9 焦油，以及其他可作为化工原料的气态化合物。 为了回收焦油和各种化工原料气，必须将荒焦炉煤气进行加工处理，使其中的焦 油蒸汽和水蒸气冷凝，并将有关的化工原料收回，然后才送入煤气管网作为燃料 使用。煤在炼焦室中在不同时期所产生的煤气成分是变化的，但是因为一座炼焦 炉有许多处于不同时期的炼焦室，各室产生的煤气汇集在煤气总管中，所以煤气 总管内煤气成分是相对稳定的。 焦炉煤气的可燃成分主要是h 2 、c i - h 和c o 。焦炉煤气中的惰性气体含量很 少，n 2 和c 0 2 占约8 1 6 ，因此焦炉煤气的热值很高，为5 8 9 0 1 7 1 4 0k j m 。， 是冶金联合企业重要的燃料来源之一。因其产量有限而热值又较高，一般多与高 炉煤气或发生炉煤气配成热值为8 3 6 0k j m - 3 左右的混合煤气用于加热炉【5 】。 表2 2 焦炉煤气成分( ) t a b l e 2 - 2c o m p o n e n t so f c o k eg a s ( ) ( 3 ) 转炉煤气 纯氧顶吹转炉炼钢法是目前钢铁工业中广泛采用的一种炼钢方法，它具有产 量高、质量好、品种多、投资省及原料适应性强等特点。转炉炼钢过程中产生大 量转炉气，每吨钢约产气7 0 m 3 ，其主要成分是c o ，含量在4 5 6 5 ，热值为 6 2 7 0 7 5 3 0k j m 。3 ，是一种非常理想的化工原料气和气体燃料。因此对转炉气的 综合利用是十分重要的问题，它不仅有极大的经济价值，而且，通过将转炉气回 收和利用，还可以减少环境的污染，防止公害。 2 2 煤气管网压力的波动和调节 在钢铁企业中，引起煤气热值波动的原因是多方面的，从气源到混合站，从 混合站到用户，任何一方面的波动都会对最终用户的煤气热值产生影响【1 3 1 。 2 2 1 煤气管网压力的波动 2 2 1 1 煤气产量的波动 ( 1 ) 高炉煤气产量的波动 高炉正常生产时，煤气的产量是稳定的，仅在高炉装料开启料钟时有瞬时的 波动。当检修、维护高炉设备( 如更换风口、渣口、高炉中、小修) 时；在高炉 7 东北大学硕士学位论文 第二章煤气热值波动的原因和调节 冶炼过程中发生故障( 如悬料、铁口渣口堵不上) 时；以及出现一些不正常的现 象( 如待焦、待料、停电、停水) 时，将被迫减风操作或休风处理，引起高炉煤 气产量不同程度的下降以至停止产生煤气。 根据统计资料，某厂一座中型常压高炉，一年内休风4 5 次。其中计划检修 7 次，休风延续时间般约在3 小时以上，最长可达1 6 小时：换风口1 8 次，一 般休风延续时间为2 0 r a i n 左右。一年内减风操作9 3 次，减风延续时间一般在1 0 2 0 m i n 之间f 4 1 。 ( 2 ) 焦炉煤气产量的波动 焦炉在非检修时间内，只要炼焦配煤比及加热制度固定，焦炉煤气产量是比 较稳定的。在焦炉集中检修时，焦炉煤气产量波动幅度较大。焦炉集中检修一般 每日三次，每次持续时间约2 小时。检修初期和中期煤气产量升高，检修末期产 量下降。 ( 3 ) 氧气转炉煤气产量的波动 氧气转炉煤气的生产是间断性的，转炉加料、出钢、吹炼初期和后期均不回 收煤气。只在吹炼初、后期之间的一段时间内回收煤气。在吹炼过程中，煤气产 量是波动的，吹炼初期和后期产量小，最大煤气量一般产生于吹炼期的1 2 2 3 区间内。氧气转炉煤气回收系统皆设置煤气柜，以平衡煤气产量的波动，所以在 煤气供应设计中，转炉煤气的生产，可按连续稳定生产考虑。 2 2 1 2 煤气消耗量的波动 ( 1 ) 高炉热风炉煤气消耗量的波动 热风炉在非换炉时间内，煤气消耗量的波动不大，波动幅度一般为5 。由 于热风炉换炉，而使煤气消耗量产生周期性的有规律的大幅度波动。每日换炉的 次数和每次换炉的时间由热风炉的座数及燃烧制度而定。一座高炉配置三座热风 炉时，大约每小时换炉一次，每次换炉时间为6 1 0 m i n ，在此期间一座燃烧的 热风炉停止使用煤气，于是在短时间内出现大量的煤气盈余。无煤气贮藏塔的企 业，随着热风炉的换炉将有煤气的大量放散。 ( 2 ) 焦炉煤气消耗量的波动 焦炉加热使用的煤气消耗量的波动是比较小的，波动幅度一般仅为2 左右。 由于焦炉加热需定期换向( 换向时停止使用煤气) ，因此煤气消耗量随焦炉加热 换向而周期性地波动。焦炉加热换向次数为每小时2 3 次。每次换向延续时间 约为4 0 s 。没有煤气柜的企业，这部分煤气则将被放散。 ( 3 ) 轧钢加热炉煤气消耗量的波动 各种型材、板材、管材轧机用加热炉，当轧制的品种、坯料一定，轧机正常 生产时，煤气消耗量的波动是不大的。造成煤气消耗量波动的因素主要有两个方 面：轧制品种、坯料断面与轧钢产量的改变：轧机的临时检修、换辊与生产中的 临时待料、待轧等。 东北大学硕士学位论文第二章煤气热值波动的原因和调节 2 2 2 煤气管网压力的调节 钢铁企业副产煤气的产量与消耗量，随着工业生产状态的改变而经常波动， 从而造成企业高炉煤气管网与焦炉煤气管网的压力的波动。波动的幅度与企业的 车间组成、煤气的调配与管理工作的水平有关。例如，一个大型钢铁联合企业虽 然有锅炉房作为煤气缓冲用户，但是，由于锅炉调换燃料的灵活性较差，高、焦 炉煤气管网的压力经常波动。高炉煤气总管的正常压力为6 0 0n n u h 2 0 ，波动在 3 0 0 8 0 0m m h 2 0 之间；焦炉煤气总管的正常压力为4 0 0m m h 2 0 ，波动范围在 1 5 0 6 0 0 m m h 2 0 之间【3 1 。 煤气管网压力大幅度的波动，将给钢铁生产带来一定的影响。当煤气不足时， 必然要限制一部分煤气用户的生产；而当煤气盈余时，又将有大量煤气被放散， 既浪费燃料又污染环境。煤气管网压力的波动将使工艺生产的热工制度得不到保 证，既影响产品质量，又增加产品单位热耗，有时甚至引起爆炸和冒煤气事故， 威胁企业的安全生产。在煤气供应设计中，必须采取有效的稳定管网压力的措施， 保证稳定地供应煤气，确保安全生产。 2 2 2 1 缓冲用户的稳压作用 在煤气平衡中，留出一定数量的高炉、焦炉煤气作为缓冲煤气。缓冲煤气在 正常生产中供缓冲用户使用，当高炉或焦炉煤气产量减少时，抽出缓冲煤气，满 足主要用户使用。缓冲用户所需的煤气，由其他燃料补充。 在一般情况下，钢铁企业都以电厂锅炉车间或供热锅炉作为煤气缓冲用户。 锅炉调换燃料需要一定的时间，时间的长短与操作管理水平和使用燃料的品种有 关。用固体燃料的锅炉一般需1 0 1 5m i n ，管理水平较高的企业需5 1 0m i n 。 因此，锅炉使用缓冲煤气，只可调节一些延续时间较长的波动，对于一些延续时 间较短的波动则难以调节。 高炉煤气缓冲量一般为企业内一座有效容积最大的高炉煤气产量扣除自身 热风炉消耗及柜前损失的煤气量( 即一座最大高炉的商品煤气量) 。当企业内设 有其他燃料补充措旌或建有煤气柜时，煤气缓冲量可酌情减少。 焦炉煤气缓冲量一般为企业内生产能力最大的一组焦炉在检修末期煤气产 量的减少值。当企业内引入其他燃料，并对焦炉煤气产量波动有调节作用或企业 内设有焦炉煤气柜时，可酌情减少或不留。 2 2 2 2 采用煤气柜稳压 采用缓冲用户稳压，由于受到锅炉调换燃料过程的限制，对于经常出现的， 延续时间较短的波动，尚不能有效地加以调节【引。高炉煤气总管压力在缓冲用户 的调节下尚有+ 1 0 0 - - 2 0 0n u n u 2 0 的波动。采用煤气柜稳压，即使是延续时间 很短的波动，亦可进行有效的调节。应当指出，煤气柜由于受到容积的限制，也 不能解决幅度大且延续时间长的波动i l ”。 东北大学硕士学位论文 第二章煤气热值波动的原因和调节 2 2 2 ，3 采用剩余煤气放散装置稳压 采用剩余煤气放散装置稳定管网压力是建立在煤气产量超过煤气消耗量基 础上的一种特定的稳压措施。即以放散量的多少来控制管网压力的稳定。这种措 施必然要造成煤气的浪费和环境的污染。因此，不应作为正常生产时调节煤气、 稳定管网压力的一种手段，而仅在一些特殊情况下使用，例如在钢铁企业建设过 程中，产生煤气的车间已投产而使用煤气的车间尚未投产时，出现临时性的剩余 煤气或企业建成投产后几个煤气用户车间同时检修及在一些特殊情况下出现剩 余煤气时使用。 确定煤气放散量也应考虑企业建设过程中出现的煤气最大剩余量，还应考虑 正常生产时临时出现的煤气剩余量。高炉煤气放散量可根据下列情况中最大的一 种确定。 ( 1 ) 企业建设过程中高炉煤气的最大剩余量。例如，企业建设初期，当一座高炉 投入生产时，煤气除供热风炉加热外，剩余煤气尚不能稳定供应锅炉房，此 时放散管的放散量应不小于一座高炉煤气的剩余量加一座热风炉的煤气消耗 量。 ( 2 ) 企业建成后，在生产过程中可能出现的高炉煤气最大剩余量。例如使用高炉 煤气最大的用户( 热风炉除外) 停止生产时，高炉煤气的剩余量。 2 3 煤气混合站简介 高、焦炉煤气混合系统工艺从理论上可以选择直接混合、先混合后加压、先 加压后混合工掣2 7 1 ，它们各自有其优缺点。直接混合工艺可以有效地节约能源， 操作、维护简单，但由于受高、焦炉煤气主管网压力波动影响混合煤气热值合格 率较低，同时，混合后压力一般较低，并且受高、焦炉煤气主管网压力波动的 影响，也容易波动，在用户使用压力要求高的情况下不能满足要求。对混合煤气 压力要求较高的用户来说，采用先混合后加压工艺和先加压后混合工艺在理论上 混合系统选择什么工艺都是可行的，但是在实际运行中需要针对混合煤气的要求 进行选择，并且先加压后混合工艺优于先混合后加压工艺【2 7 8 1 。 2 3 1 煤气混合加压站的配置方式 煤气混合站和加压站之间相互配置的方式，应视企业煤气压源、用户对煤气 压力的要求和总图布置情况而定。 ( 一)先混合后加压 东北大学硕士学位论文 第二章煤气热值波动的原因和调节 图2 1 先混合后加压的配置方式 f i g u r e 2 - 1c o n f i g u r a t i o ns t y l eo f m i x i n g - - c o m p r e s s i n g 此种方式的特点是加压系统简单，投资省；便于生产维护和气量调节。它适 用于以下几种情况： ( 1 ) 用户需要的混合煤气压力较高； ( 2 ) 压源的煤气压力较低； ( 3 ) 混合站至用户的距离较远。 ( 二)先加压后混合 先加压后混合的配置方式，有三种不同的系统，如图2 2 所示 ( a ) ( b ) 东北大学硕士学位论文 第二章煤气热值波动的原因和调节 ( c ) 图2 2 先加压后混合的配置方式 ( a ) 一第一种系统；( b ) 一第二种系统； ( c ) 第三种系统 f i g u r e 2 - 2c o n f i g u r a t i o n 啊l eo f c o m p r e s s i n g - m i x i n g ( a ) t h ef i r s ts y s t e m ；( a ) t h es e c o n ds y s t e m ；( a ) t h et h i r ds y s t e m ； ( 1 ) 第一种系统适用于两种煤气压源的压力均较低或混合站至压源的距离较远 的情况。 此种系统的缺点： o 加压设备多、管路复杂，不便于操作及维护； o 当混合站与加压站不是集中布置时，两根高压煤气管道的长度增加，投 资增大。 ( 2 ) 第二种系统与第种系统的区别仅在于其中一种煤气压源的压力较高，不 需加压即可参与混合，输送至用户。 此种系统的特点是只需加压一种煤气，减少了动力消耗。当企业有条件时， 应尽量采用这种配置系统，而不宜采用第一种系统。 ( 3 ) 第三种系统适用于企业( 用户) 需要三种以上不同热值的混合煤气，而又 必须增压的情况。 此种系统的特点是加压设备的类型少，系统简单，投资省。 ( 三)单独混合或单独加压的方式 ( 1 ) 单独混合的方式 东北大学硕士学位论文第二章煤气热值波动的原因和调节 图2 - 3 单独混合的方式 f i g u r e 2 - 3c o n f i g u r a t i o ns t y l eo f o n