OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝及其控制系統的製作方法

2023-08-11 09:13:29

本實用新型屬於OG法轉爐煉鋼煤氣回收技術。

背景技術：

轉爐煤氣是鋼鐵企業重要的二次能源，轉爐煤氣回收約佔整個轉爐工序能源回收總量的70％～90％，是「負能煉鋼」和降低工序能耗的關鍵環節。轉爐煤氣的熱值較高，是較為優質的燃料，可以在鋼鐵企業的燃料平衡中起到重要作用，提高轉爐煤氣回收量，不僅能有效降低煉鋼工序生產成本，而且能極大降低煉鋼廠汙染物排放總量，實現清潔生產。

目前轉爐煙氣除塵及煤氣回收系統大體分為三種類型：溼法(OG法Oxygen Converter Gas Recovery System)除塵、半乾法除塵和LT(Lurgi-Thyssen)於法除塵。半乾法除塵是從溼法(OG法)除塵演變出來的，亦屬於OG法除塵，故以下將溼法和半乾法統稱為OG法。OG法喉口調節採用RD(Rice Damper)閥或環縫洗滌器(Ring Slit Washer簡稱RSW)，為敘述方便，以下將RD和RSW統稱為喉口閥。此外，由於LT幹法除塵與OG法除塵存在較大差異，所以LT幹法除塵不屬於本專利的範圍。

關於OG法轉爐煉鋼煤氣回收技術，目前一般採用的回收條件是CO含量≥35％，氧含量≤2％，其中有一個條件不滿足時，則停止回收，煙氣經由放散煙囪點火放散；為提高煤氣回收數量，有的轉爐煉鋼廠放寬了回收條件，例如，回收條件是CO含量≥15％～35％，氧含量≤2％，其中有一個條件不滿足時，則停止回收，煙氣經由放散煙囪點火放散。對於後一種情況，雖然回收條件降低，提高了煤氣回收率，但回收煤氣平均熱值降低，此外排放量還是不少。特別在低CO含量時，如果點火放散處理不到位，產生未點火放散，則產生了CO直接排放，加重了對環境的汙染。在冶煉過程的前燒期，由於很難達到回收條件，故幾乎所有的轉爐煉鋼廠都進行點火放散處理。點火放散產生的環境汙染少一些，但點火失敗放散產生的環境汙染則大了許多。此外，雖然煙塵排放的法律規定越來越嚴格，但由於煙塵排放總量上，總體是在上升趨勢，煉鋼轉爐每年煤氣放散產生的環境汙染也相當可觀，因此，從環境保護的意義上說，僅僅限制排放煙塵中顆粒物含量≤50mg/m3是不夠的，還應對CO排放量、二氧化碳排放量等進行限制，如果僅從排放煙塵中顆粒物含量方面進行限制，比較結果就截然不同，例如，300t轉爐和100t轉爐在同樣的標準限制下，它們對區域環境的影響也是有很大不同的，300t轉爐的3倍左右的總量變化會產生質量的變化，這也是為什麼隨著工業規模的擴大，區域環境迅速變壞的重要因素之一。

如果在煤氣回收技術上有突破性的進展，則將收到既降低減排又節能增效的雙重效果，將會產生巨大的經濟效益和良好的社會效益。特別是如果實現了轉爐煉鋼煤氣的全回收，實現轉爐一次除塵煙氣的零排放，則將對環境保護做出不可低估的貢獻。

轉爐煤氣回收技術自上世紀60年代應用半個多世紀以來，煤氣回收工藝得到了不斷的改進和完善，但距離實現煤氣的全回收還有較大差距。

OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝及其控制系統還未見到公開發表的出版物、文獻或資料。

技術實現要素：

本實用新型的目的是根據轉爐煉鋼煤氣回收的特點，研究開發與之工況相適應的工藝及其控制方法，以實現轉爐煤氣全回收。

本實用新型的要點是研究現有煤氣回收系統存在的問題，突破現有煤氣回收的技術瓶頸，採用OG法轉爐煉鋼煤氣全回收及其控制系統，根據對冶煉過程不同階段轉爐煙氣中C0含量和氧氣含量的分析，研發了解決方案，要點是對前燒期煙氣混合點和後燒期煙氣混合點的氧含量超標煙氣採用補充適量氮氣進行稀釋，使氧含量處於≤2％的範圍，使之達到安全的、可以進行煤氣回收的氧氣含量標準，用這個方法實現轉爐煤氣的全回收，實現轉爐煉鋼一次除塵煙氣的零排放，既可獲得煤氣回收指標的提高，也可獲得除塵風機較大幅度的節能，特別是實現了汙染物的零排放，為環境保護做出了非常有益的貢獻。

附圖說明

附圖1中1a是煉鋼轉爐，2a是轉爐煙罩，3a是爐內壓力檢測器，4a是冷卻煙道，5a是煙氣粗除塵設施，6a是煙氣精除塵設施，7a是喉口閥，8a是1#一氧化碳含量氧含量檢測裝置，9a是管網壓力檢測器，10a是一次除塵風機，11a是2#一氧化碳含量氧含量檢測裝置，12a是煤氣回收切換裝置，13a是煙氣放散煙囪，14a是煤氣櫃，15a是氮氣供給設施，16a是氮氣風機，17a是氮氣風機出口閥，18a是氮氣補償切換裝置，19a是氮氣補償管網壓力檢測器。附圖1中8a、9a、15a、16a、17a、18a和19a是基於氮氣補償的轉爐煉鋼煤氣全回收工藝配套的新增設備，其它均為現有技術常規配備設備。

附圖2中[1]是煤氣全回收系統數據信息處理及控制裝置，[2]是轉爐工藝主控制系統，[3]是煤氣回收及風機調速動態控制器，[4]是1#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置，[5]是2#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置，[6]是爐內壓力檢測器，[7]是管網壓力檢測器，[8]是氮氣風機調速裝置，[9]是氮氣風機電動機，[10]是氮氣風機，[11]是氮氣風機出口閥，[12]是氮氣風機出口閥開度反饋，[13]是氮氣補償切換裝置，[14]是氮氣補償管網壓力檢測器，[15]是一次除塵風機調速裝置，[16]是一次除塵風機電動機，[17]是一次除塵風機，[18]是喉口閥電動執行機構，[19]是喉口閥，[20]是喉口閥開度反饋，[21]是煤氣回收切換裝置，[22]是工藝參數及設備狀態信息，[23]是煤氣回收及風機工藝過程系統。附圖2中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[22]和[23]是基於氮氣補償的OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝控制方法相關的系統或設備，其它均為現有技術相關系統或設備。

具體實施方式

關於目前煤氣回收情況的分析，目前一般採用的回收條件是CO含量≥35％，氧含量≤2％，轉爐冶煉過程中通常將與煤氣回收相關聯的過程分成三個階段，稱為前燒期、煤氣回收期和後燒期。以120噸轉爐為例，轉爐冶煉周期約為35～40min，其中，吹氧冶煉時間約15min，分為前燒期時間約3min、煤氣回收時間約10min和後燒期時間約2min；非冶煉時間約20～25min。也就是說，目前煤氣回收時間為10min左右，前燒期時間約3min和後燒期時間約2min的時間煤氣不回收，而經由煙囪點火放散。前燒期的煤氣不回收的原因是CO含量低和氧含量短時超標，後燒期的煤氣不回收的原因是CO含量低和氧含量短時超標。理論上說，某一時間段CO含量低並不是煤氣回收的主要障礙，氧含量高才是制約煤氣回收的關鍵所在，因為氧含量超標將會產生安全問題，是絕對不可以逾越的紅線。

如果將煤氣全回收工藝定義為：從降罩到位及吹氧開始，並經一段延時作為煤氣回收起始時間至提罩開始及吹氧結束，並經一段延時為煤氣回收結束的整個時間段稱為煤氣回收時間。為與煤氣全回收工藝的這個特點相一致，以下將現有技術所稱煤氣回收時間改稱為中燒期時間，以避免混淆。

進一步分析，前燒期和後燒期因CO含量低而不進行煤氣回收的原因，一是考慮影響整體煤氣回收的熱值，二是考慮影響煤氣點火放散，但更重要的是氧含量超標才是硬指標。那麼理論上說，只要使氧含量問題得到解決，則可實現煤氣的全回收，而對於影響整體煤氣回收的熱值問題則相對容易解決。

氧含量超標原因的分析，在前燒期，開始吹氧以及降罩到達下限位置意味著冶煉過程開始，如果以這一時刻作為一爐鋼冶煉過程開始的「0」時刻的話，這一時刻的煙氣中CO含量較低，氧含量很高，這是由於吹氧過程的氧化作用剛剛開始，CO含量的上升需要一定過程，而氧含量超標是由於降罩前煙氣中混有許多空氣所致，隨著降罩的完成，煙氣中的氧含量有所降低，但也往往處於超標狀態，隨著吹氧的過程，氧含量將迅速降低到≤2％的範圍，所以前燒期的氧含量是短時超標，將這個「0」時刻定義為煤氣回收延時啟動的起始時間，將這一點稱為前燒期煙氣混合點，跟蹤這個混合點，並對這一點及其臨近區域的煙氣進行適當氮氣補償，則可以實現煤氣的安全回收，其中，該混合點到達煤氣回收切換裝置[12a]的時間即為煤氣回收延時啟動的延時時間。

在後燒期，隨著冶煉的進程，煙氣量逐漸減少，在對爐口進氣量進行有效控制的情況下，CO含量不會過多降低，氧含量也不會超標；當吹氧結束、煙罩開始提升時，由於空氣的進入，氧含量將會升高，將這一時刻定義為煤氣回收延時終止的起始時間，將這一點稱為後燒期煙氣混合點，跟蹤這個混合點，並對這一點及其臨近區域的煙氣進行適當氮氣補償，則可以實現煤氣的安全回收，其中，該混合點到達煤氣回收切換裝置[12a]的時間即為煤氣回收延時終止的延時時間；綜合上述情況，只要把握後燒期氧含量超標的時間和量值，對其進行有效的補償，使氧含量處於≤2％的範圍，則滿足煤氣回收的條件。

至於中燒期，基本不存在氧含量超標的問題，但為了實現煤氣的全回收，這一階段須儘可能地提高回收煤氣的熱值，為前燒期和後燒期回收低熱值煤氣做衝減儲備，即在中燒期達到CO含量平均值≥60％，以保證前燒期、中燒期和後燒期的整個煤氣回收的平均熱值≥45％。

對氧含量進行有效補償的方案是對前燒期短時的氧含量超標進行補償及對後燒期的氧含量短時超標進行有效補償，方法是對前燒期煙氣混合點和後燒期煙氣混合點的氧含量超標煙氣採用補充適量氮氣進行稀釋，使氧含量處於≤2％的範圍，實現前燒期和後燒期的煤氣安全回收。

OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝是通過附圖1的系統實現的，附圖1中[1a]是煉鋼轉爐；[2a]是轉爐煙罩；[3a]是爐內壓力檢測器，[4a]是冷卻煙道；煙氣粗除塵設施[5a]，根據除塵方法的不同，分別是溼法(OG法)除塵和半乾法除塵；煙氣精除塵設施[6a]，根據除塵方法的不同，採用RD(Rice Damper)閥或環縫洗滌器(Ring Slit Washer簡稱RSW)，兩者統稱為喉口閥；喉口閥[7a]根據煙氣量變化其開度；1#一氧化碳含量氧含量檢測裝置[8a]，實時檢測一次除塵風機前部管網內一氧化碳含量和氧含量；管網壓力檢測器[9a]，實時檢測管網該點處的壓力；一次除塵風機[10a]，離心式風機；2#一氧化碳含量氧含量檢測裝置[11a]，實時檢測一次除塵風機後部管網內一氧化碳含量和氧含量；煤氣回收切換裝置[12a]，根據是否進行煤氣回收，分別切換至煤氣櫃煤氣回收管路或煙囪放散管路；煙氣放散煙囪[13a]，在煤氣全回收系統正常時僅用於排放非冶煉階段的煙氣，在煤氣全回收系統故障時點火放散冶煉階段的煙氣；煤氣櫃[14a]用於儲備一座轉爐或多座轉爐煤氣全回收的煤氣儲存緩衝，具有與煉鋼廠及鋼鐵公司煤氣平衡網絡的接口；氮氣供給設施[15a]，在實際的應用中可以根據煉鋼廠的實際情況，取自已有氮氣管網或取自另設氮氣儲存設施；氮氣風機[16a]，該風機的容量，即流量和壓力須滿足前燒期煙氣混合點氧含量超標時和後燒期煙氣混合點氧含量超標時的最大需求量；氮氣風機出口閥[17a]，電動調節閥；氮氣補償切換裝置[18a]，根據是否需要氮氣補償進行切換控制，分別切換至煙氣主管網或氮氣回流管路；氮氣補償管網壓力檢測器[19a]，用於檢測氮氣輸出管網的壓力；採用這種工藝系統實現了轉爐煉鋼的煤氣全回收工藝，用相應的檢測和控制實現了煤氣全回收工藝過程。

OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝的控制系統是通過附圖2的系統實現的，附圖2中煤氣全回收系統數據信息處理及控制裝置[1]是OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝控制系統的核心，是以計算機工作站為基礎組成的數字式裝置，實時從轉爐工藝主控制系統[2]獲取生產運行聯鎖信息、設備狀態信息及有關系統參數，實時從煤氣回收及風機調速動態控制器[3]獲取煤氣回收系統及各風機運行的有關信息，根據這些信息、有關系統參數及相關數據來確定煤氣回收的控制參數、一次除塵風機調速裝置的控制參數、氮氣風機調速裝置的控制參數；煤氣回收及風機調速動態控制器[3]由PLC(可編程序控制器)或其它數字式控制器構成，接受來自煤氣全回收系統數據信息處理及控制裝置[1]的控制參數、1#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[4]、2#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[5]、爐內壓力檢測器[6]、管網壓力檢測器[7]、對氮氣風機調速裝置[8]、氮氣風機出口閥開度反饋[12]、氮氣補償管網壓力檢測器[14]、一次除塵風機調速裝置[15]、喉口閥開度反饋[20]和工藝參數及設備狀態信息[22]的過程控制信息，對氮氣風機調速裝置[8]、氮氣風機出口閥[11]、一次除塵風機調速裝置[15]和喉口閥電動執行機構[16]進行動態輸出控制；1#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[4]實時檢測管網內的一氧化碳含量氧氣含量，用於氮氣補償控制；2#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[5]實時檢測管網內的一氧化碳含量氧氣含量，用於煤氣回收或放散的控制；爐內壓力檢測器[6]由≥4個壓力檢測器組成，用於煤氣回收及風機調速動態控制器[3]進行微差壓計算；[19]是喉口閥，根據精除塵系統的不同，喉口閥為RD或RSW；煤氣全回收系統數據信息處理及控制裝置[1]、轉爐工藝主控制系統[2]、煤氣回收及風機調速動態控制器[3]、2#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[5]、爐內壓力檢測器[6]、一次除塵風機調速裝置[15]、一次除塵風機電動機[16]、一次除塵風機[17]、喉口閥電動執行機構[18]、喉口閥[19]、喉口閥開度反饋[20]、煤氣回收切換裝置[21]、工藝參數及設備狀態信息[22]和煤氣回收及風機工藝過程系統[23]構成了煤氣全回收自動控制系統中的煤氣回收自動控制；煤氣全回收系統數據信息處理及控制裝置[1]、轉爐工藝主控制系統[2]、煤氣回收及風機調速動態控制器[3]、1#一氧化碳含量氧氣含量檢測裝置[4]、管網壓力檢測器[7]、氮氣風機調速裝置[8]、氮氣風機電動機[9]、氮氣風機[10]、氮氣風機出口閥[11]、氮氣風機出口閥開度反饋[12]、氮氣補償切換裝置[13]、氮氣補償管網壓力檢測器[14]、工藝參數及設備狀態信息[22]和煤氣回收及風機工藝過程系統[23]構成了煤氣全回收自動控制系統中的氮氣補償自動控制，其中，對前燒期煙氣混合點和後燒期煙氣混合點的跟蹤計算以及氮氣補償量的計算和控制由煤氣回收及風機調速動態控制器[3]完成；採用這樣的控制系統實現OG法轉爐煉鋼煤氣全回收的過程信息檢測和自動控制。

採用氮氣補償前燒期煙氣混合點和後燒期煙氣混合點氧含量超標的方法是實現轉爐煤氣全回收工藝的安全、科學、合理、有效、簡單、經濟的方法，為轉爐煤氣全回收應用開創了全新的、廣泛的視野和空間，採用這種工藝及其控制系統後，既能獲得煤氣回收率的提高，也解決了轉爐煙氣汙染排放的問題，預計煤氣回收率將在目前不同系統的基礎上提高10％～50％，特別是將實現轉爐一次除塵煙氣的零排放。

此外，在目前霧霾頻發、環境汙染日益嚴重的情況下，進行轉爐煉鋼煤氣全回收的社會意義巨大，減少汙染排放是環境保護努力的方向，實現汙染物零排放是環境保護追求的極致目標。

OG法轉爐煉鋼煤氣全回收工藝及其控制系統可廣泛應用於新建、擴建或改造的各類OG法轉爐煉鋼煤氣回收系統。