【技术前沿】提高转炉煤气管网系统保供能力的研究与实践
本文通过分析首秦公司转炉煤气管网系统结构特点，指出单座气柜与管网串联运行状态下，气柜是影响管网系统稳定运行的薄弱环节。借鉴煤气混合站功能特点，在转炉煤气管网加压机组入口侧增设混气系统，作为气柜的旁路，在气柜退网时投运，避免煤气用户断气停产，有效提高转炉煤气管网系统保供能力。
转炉煤气是钢铁联合企业重要的二次能源，合理回收利用转炉煤气是实现转炉负能炼钢的关键。因转炉冶炼过程的非连续性和转炉烟气选择性回收的特点，转炉煤气回收过程为间隙性过程。
然而，大部分转炉煤气用户为连续生产，需要转炉煤气管网连续性供气。实际生产中通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个储气柜(压力3.5kPa煤气成分混匀后通过加压系统由管网输送至各煤气用户。
煤气柜承担回收、储存、稳压与混合作用，是管网的重要枢纽与节点。特别是转炉煤气管网中仅有单座煤气柜的中小型钢铁企业，气柜故障退网或离线检修时，将直接导致转炉煤气管网系统断路、煤气用户停产。因此，提高转炉煤气管网的连续供气能力，规避气柜对管网保供能力的影响，具有积极意义。
1首秦公司转炉煤气管网系统现状
1.1厂区转炉煤气管网系统情况
首秦公司地处旅游胜地河北省秦皇岛市，考虑环境要求未配套建设焦化工序，副产煤气仅为高炉煤气和转炉煤气，外购天然气作为高热值补充气源。炼钢工序建有3座100t转炉，冶炼过程转炉烟气经OG系统收集处理，合格煤气进入8万m3煤气柜，不合格烟气由放散塔放散，回收煤气经加压系统升压至18±2kPa后由管道输送至用户使用，转炉煤气用户最低热值要求为6500kJ/m3。转炉煤气柜入口设有一座混合站ꎬ以高炉煤气和天然气混合制成混合煤气，提高煤气的热值，作为临时补充气源，保证安全柜容及各用户临时用气。同时，加压机组出口管道设置混合站与厂区高炉煤气管网相连，将转炉集中冶炼情况下的过剩煤气混入高炉煤气管网，最大限度回收转炉煤气。
1.2存在问题
相对于宝钢、首钢等大型钢铁联合企业采用转炉煤气柜双柜并列运行技术，首秦公司为单座转炉煤气柜与煤气管网串联布置，到2016年稳定运行12年，已进入大修周期，气柜侧板腐蚀严重，漏点为1-8cm的带状裂缝，并伴有黑色粘稠液体及水滴流出。同时，气柜皮膜也出现老化，存在裂缝漏气情况，2010年4月至今，已发现并处理气柜内外部漏点100余处，侧壁板2-8m随时可能再次发生崩裂、漏气，威胁人员安全，降低了转炉煤气管网保供能力，壁板或皮膜漏气点无法进行带气处理，气柜需要离线大修，各转炉煤气用户将被迫断气停产，影响范围较大。
2转炉煤气管网系统优化措施
为提高首秦公司转炉煤气管网系统保供能力，将煤气柜对转炉煤气管网系统及煤气用户影响降到最低，在煤气柜离线检修或OG系统故障限收情况下，转炉煤气管网系统仍有补充气源并连续供气，对转炉煤气管网系统进行优化改造。
2.1新增煤气混合站
借鉴煤气混合站功能特点，在加压机组入口总管增设一套煤气混合设备及控制系统，即煤气混合站。保证替代气源行程最短、最稳定地送入加压机组，依托高炉煤气管网系统容量大、高炉连续产气特点，新增混合站来气侧接入厂区高炉煤气管网系统，高炉煤气与天然气等高热值气体掺混，作为各种加热炉的燃料，是目前钢厂中高炉煤气利用的重要途径。新增混合站将高炉煤气与天然气进行混合，在转炉煤气柜退网、OG系统无法继续回收煤气等情况下投入运行，混合煤气替代转炉煤气输送至各用户使用。
新增混合站高炉煤气来气管道直径为DN800，运行压力7设置盲板阀、二偏阀及调节阀，天然气由厂区45号天然气调压箱(型号RTJ－80/0.4FK)供出，管道直径为DN80，设计供气能力1524m3/h，供出压力12kPa，设置盲板阀、球阀及调节阀，通过控制调节阀开度，采用流量配比法调节替代气源热值。
2.2煤气混合比例及空燃比
首秦公司高炉煤气监测热值3360kJ/m3，转炉煤气监测热值7071kJ/m3，外购天然气热值36000kJ/m3，混合煤气热值按照体积百分数计算，见公式1。
式中：QJ为混合煤气热值；QV1、QV2为高炉煤气、天然气流量，m3/h；QV为混合站高炉煤气、天然气流量和；QJ1、QJ2为高炉煤气、天然气热值，kJ/m3。经计算，高炉煤气与天然气流量按7∶1-9∶1进行混合，混合气体热值为6500-7500kJ/m3，与转炉煤气热值相近。
华白数是燃气互换性的重要判定指数，两种燃气互换时华白数变化不大于5％-10％，即可在同一器具上获得相近的热负荷。
式中：W为华白数，kJ/m3；Hh为燃气高位热值，kJ/m3；s为燃气相对密度。经计算，转炉煤气华白数7382kJ/m3。高炉煤气与天然气流量混合比例为8.5：1，混气华白数与转炉煤气相同；高炉煤气与天然气流量混合比例为9∶1，华白数为2.8%。混合比例8.5：1-9：1时，混合煤气与转炉煤气热负荷相近。
综上分析，在天然气供出流量不变、混合煤气既满足用户最低热值要求同时又符合互换性的条件下，高炉煤气与天然气流量混合比例为9∶1时，新增混合站供气能力达到最大。
转炉煤气中体积含量最多的三种气体成分为CO、N2、CO2，高炉煤气为N2、CO、CO2，主要可燃成分均为CO，N2与CO2性质稳定不参与燃烧，两种煤气性质相似。首秦公司转炉煤气成分与高炉煤气成分见表1。
由计算可知，燃烧1m3转炉煤气，需要约1.25m3空气。燃烧器燃料供出条件不变情况下，高炉煤气与天然气混气比例为9∶1时，燃烧1m3混合煤气需要约1.56m3空气。因此，采用混合煤气替代转炉煤气进行烘烤，在现有燃烧器工况不变情况下，增加助燃风量调整空燃比，即可满足生产工艺要求。
3管网脱柜保供运行试验
首秦公司转炉煤气系统中，中间包在线烘烤为一级必保用户，用量不可调；修砌间、鱼雷罐及套筒窑为二级用户，煤气用量可调，自备电站为三级用户，可随时停用转炉煤气，正常生产状态下，各用户煤气使用量合计约3.7万m3/h。结合炼钢系统20h停产检修，将转炉煤气柜与加压机组有效断开，气柜脱网检修，新增煤气混合站替代转炉煤气柜及OG系统，与加压机组串联，接入转炉煤气管网系统，进行连续供气。
3.1保供状态下混气能力
利用热值在线分析仪试验，天然气调压器供出流量设定为1524m3/h，高炉煤气与天然气混合比例低于9∶1时，混气热值在6500kJ/m3以上，满足用户最低热值要求，混合站最大供气量约1万m3/h，见表2。
3.2保新供增状混态合下站煤供气出平量衡
因保新供增状混态合下站煤供气出平量衡少于正常生产状态下的转炉煤气产出量，各用户煤气用量需重新平衡，见表3。在保证炼钢中间包在线烘烤煤气用量不变情况下，将二级用户用量降至最低，即修砌间投运两座烘烤位，鱼雷罐投运一座烘烤位；自备电站燃气锅炉停用混气，套筒窑最低生产负荷状态下转炉煤气用量为0.9万m3/h，可用混气量仅为0.8万m3/h，不足部分可通过伴烧天然气进行补充，由厂区低压天然气管网供气。
通过实际运行试验，转炉煤气柜脱网后，管网系统优化流程结构，改变运行方式，新增混合站可满足转炉煤气管网系统正常运行，按用户分级原则维持各用户生产，转炉煤气柜离线检修创造条件。
4结语
根据首秦公司单座转炉煤气柜与煤气管网串联的结构特点，指出煤气柜“带病”运行是造成管网稳定性下降、保供能力降低的重要因素之一。在加压机组入口新建煤气混合站，在管网系统中与煤气柜形成并联供气方式，为转炉煤气用户提供备用气源。通过理论计算及现场试验，高炉煤气与天然气混合比例为9∶1时，混气热值约65000kJ/m3，满足用户生产工艺要求。
按照煤气用户分级原则，将混合煤气进行平衡分配，确保中间包在线烘烤正常生产，钢包离线烘烤、鱼雷罐烘烤及套筒窑最低负荷正常生产。试验证明，提高首秦公司转炉煤气管网系统的保供能力，解决了气柜离线检修时管网断路与煤气停供问题，为主工序正常生产提供了有效保障，为同类型钢铁企业提供借鉴意义。