新一代1920mw钢副产煤平衡与利用方案研究

新一代1920mw钢副产煤平衡与利用方案研究

21世纪，国际钢铁工业进入第二个快速发展趋势。由于资源、能源和环境的限制，国际钢铁工业特别重视资源、能源的使用、环境保护和清洁生产。钢铁企业普遍关注与社会、环境友好,向可持续的循环经济方向发展。钢铁工业是中国国民经济的重要基础产业和实现新型工业化的支撑产业,为提高综合竞争力和实现可持续发展,钢厂未来发展的模式将通过功能的拓展,实施绿色制造,进而实现生态化转型,成为工业生态链的重要一环,在循环经济社会中承担重要积极的角色。1新钢的内涵和模式1.1钢铁产品制造流程所谓新一代钢铁制造流程就是将已有的先进工艺、装备,与新开发的工艺、装备以及“界面技术”(衔接匹配、协同、缓冲技术)创新性集成而重新构筑的制造流程。该流程充分体现了三个功能:钢铁产品制造功能、能源转换功能、废弃物消纳处理功能。其重点是共性平台技术(例如高效、低成本的洁净钢生产平台技术等)、动态-有序运行的界面匹配技术(炼铁-炼钢技术界面、连铸-热轧技术界面等)、流程工程集成技术(流程网络的合理化配置、流程运行“程序”的动态、有序、合理调控等),系统、高效的能源转换技术,新流程的工业化设计与运行管理,资源循环利用技术,产业链接技术等。1.2生产规模及效益新一代钢厂以生产薄板及其深加工产品为主要目标,通过2座高炉、1个炼钢厂、2套热轧带钢轧机为核心的冶金流程,以3台转炉、3台连铸机对应2台热带轧机,以3套冷带轧机作为深加工的主力,60%～70%的薄板得到高附加值深加工,生产不同质量、性能的高附加值产品,合理生产规模为年产粗钢约900万t。新一代钢厂流程见图1。2企业总能耗钢厂各种副产煤气——焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气是二次能源的主要形式,约占企业总能耗的30%～40%。副产煤气的充分、合理利用是降低能源消耗、发挥钢厂能源转换功能的关键所在,不仅有利于降低钢厂单位产品的能源消耗和排放负荷,甚至有可能开发出新的大规模制氢工艺。2.1煤气-燃煤混烧发电机此种模式是目前国内外最常见的,在此模式下,钢厂副产煤气作为气体燃料加以利用。在满足钢铁制造流程燃料需求的前提下,剩余煤气用来发电。为提高煤气发电效率,在保证煤气供应量稳定充足的前提下,采用燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电(CCPP);由于各设备作业时间的差异、工艺参数变化等原因,产生煤气量的波动,为了不造成煤气放散,又确保发电机组满负荷稳定运行,宜采用煤气-燃煤混烧发电机组。表1为年产900万t粗钢的新一代钢厂副产品煤气的平衡估算。对年产粗钢900万t的新一代钢厂而言,钢厂自发电主要由TRT、CDQ、CCPP、煤气-燃煤电站构成。其中:CCPP机组采用焦炉煤气、高炉煤气混合煤气作为燃料,混合比例为:焦炉煤气/高炉煤气=1/9,混合煤气热值为4535kJ/m3。CCPP装机容量按150MW选择,年日历工作时间7000h,年发电量约为10.5亿kW·h,选择2×150MW的CCPP机组,年发电量约21亿kW·h;剩余煤气(约30.9万t标煤,参见表1)采用燃煤混烧机组发电,混烧比例在25%左右,建设2×300MW机组,需购入发电用动力煤约105万t标煤/年,年发电量约可达到42亿kW·h。再加上约22MW×2的TRT发电机组和25MW×2的CDQ发电机组,电站总装机容量约100万kW。2.2焦炉煤气制氢后的煤气平衡估算工业制氢目前是以天然气、石油和煤为原料,在高温下使之与水蒸气反应或用部分氧化法制得,而钢铁企业(或炼焦厂)产生的副产焦炉煤气含有50%～60%的H2,20%～30%的CH4,是非常好的制氢原料气。采用焦炉煤气制氢,只需按现有煤气处理工艺,将其中的有害杂质去除,即可通过变压吸附技术提取出高纯度(99.99%)的氢气,1m3的焦炉煤气约可制取0.44m3的氢气。与天然气制氢相比,省去了蒸汽转换或部分氧化等CH4裂解过程,从而省去了这一工艺过程的能源消耗,有可能成为大规模、高效、低成本生产氢气的有效途径,有利于促进钢厂环境改善和工业生态化转型。此模式下,焦炉煤气全部采用变压吸附制氢,通过变压吸附提取氢气后的高热值解吸气返回钢铁制造流程,解吸气与高炉煤气、转炉煤气作为热风炉、加热炉等燃料使用,而转炉煤气应作为石灰焙烧燃料生产高品质的低硫活性石灰,剩余煤气发电。新一代钢厂可产生氢气约为6.7亿m3/a,扣除钢厂内部使用氢气约844万m3/a,可外供氢气约为6.6亿m3/a(约66000t/a),生产出的氢气或与石化行业形成工业生态链,或作为汽车清洁燃料使用。假定钢厂内以解吸气替代焦炉煤气后各工序所需的煤气热值、热消耗等工艺参数不变;同时,高热值解吸气与高炉煤气、转炉煤气混兑后,混合煤气的密度、成分等满足输送、燃烧性能等工艺要求。在此条件下,焦炉煤气制氢后钢厂的煤气平衡估算见表2。CCPP机组采用解吸气、高炉煤气混合煤气作为燃料,混合煤气热值按4535kJ/m3,混合比例为:解吸气/高炉煤气=5/95。选择1×150MW的CCPP机组,年发电量约为10.5亿kW·h。剩余煤气总计折合约37.36万t标煤(参见表2),采用燃煤混烧机组发电,混烧比例在30%左右,建设2×300MW机组,需购入发电用动力煤98.5万t标煤/a,年发电量约可达到42亿kW·h。再加上TRT、CDQ发电,电站总装机容量约为85万kW。2.3高热值高炉煤气模式一(副产煤气发电单一模式)与模式二(焦炉煤气变压吸附制氢,剩余煤气发电)煤气平衡和自发电比较见表3。从表3数据可以看出:①焦炉煤气全部采用变压吸附制氢,高热值解吸气返回的情况下,对钢厂煤气平衡的影响仅9%～10%;②高热值解吸气替代焦炉煤气与高炉煤气混兑后,由于解吸气热值提高,在各主要工序(如焦炉、热风炉、加热炉、CCPP)所需混合煤气热值保持不变的前提下,可多利用低热值高炉煤气约38687万m3/a(折合约4.2万t标煤/年);③通过合理配置发电机组,钢厂仍可实现电力自给,做到“只买煤、不买电、不用燃料油”。3现代钢钢公司的生态改造方案3.1t高炉渣水泥发展现状高炉渣的成分与水泥接近,成为制作水泥的良好原料。利用高炉渣生产水泥由于可减少使用石灰石等天然资源等必需的焙烧过程,而减少能源消耗(图2)。一般来讲,使用1t高炉渣,相当于节省生产1t普通水泥所需的资源、能源消耗,并相应减少由此引起的CO2排放。目前高炉渣水泥中高炉渣的配比在40%左右,相应可节省资源、能源消耗约40%,降低CO2排放约45%(表4)。对于年产粗钢约900万t的新一代钢厂,高炉渣产生量约223万t/a。目前最大的一条水泥生产线年产量约为350万t,按高炉渣配比41%左右估算,可利用高炉渣约143万t/a。剩余高炉渣,再加上部分钢渣可建成年产80万t的矿渣微粉生产线,从而与建材行业形成工业生态链。3.2废钢、废水、社区废水新一代钢厂不仅可以通过副产品煤气的合理利用,实现“电力自给”,还有可能生产出氢气等清洁能源,并通过冶金渣的再资源化等,发挥钢厂的能源转换功能;还可以利用钢铁生产流程来消纳处理大量社会废弃物,包括处理不同来源的废钢,利用焦炉、高炉处理大量废塑料、废轮胎、社会垃圾、社区废水和污水等。钢铁工业是发展循环经济的优先切入点之一,在循环经济社会中,新一代钢厂通过钢厂功能的拓展,充分发挥钢厂的钢铁产品制造功能、能源转换功能和废弃物消纳处理功能,并凭借自己的物质流和能量流的优势、资金优势、技术优势、人才优势,促进形成钢铁与发电、建材及石化(化工)等行业的工业生态制造链(图3),从而实现清洁生产、绿色制造,直至成为环境友好的循环经济社会的重要一员。4与发电、工艺技术、行业以及党的行业链接(1)新一代钢厂以生产薄板及其深加工产品为主要目标,与此同时,充分发挥钢厂的钢铁产品制造功能、能源转换功能和废弃物消纳处理功能,适应和促进生态化转型和循环经济的发展进程。(2)新一代钢厂副产品煤气利用有燃料化利用和资源化利用两种模式可供选择,通过副产煤气合理利用并集成到发电上来,合理配置发电机组,新一代钢厂可实现电力自给,做到“只买煤、不买电、不用燃料油”,并有可能开发出大规模制氢工艺。(3)新一代钢厂可与发电、建材、石化等行业