大论文副产煤气优化1doc.docx
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大论文副产煤气优化1doc
申请同济大学工学硕士学位论文
二○一○年月
AdissertationsubmittedtoTongji
TongjiUniversityinconformitywiththerequirementsfor
thedegreeofMasterofPhilosophy
February，2010
书脊
某钢铁企业副产煤气优化利用的技术运用究
究
刘伟
同济大学
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年月日
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年月日
摘要
我国多数钢铁企业副产煤气不仅回收量低，而且放散严重。
煤气的供不应求和严重浪费现象，既增加了企业的能源消耗，又制约了钢铁工业的发展，所以全面分析钢铁联合企业的煤气状况，科学合理的制定煤气供需之间的平衡策略，对发展钢铁生产，降低能源消耗和改善环境都有重要的意义。
目前高炉煤气回收利用情况却不甚理想，放散率偏高。
不锈钢分公司2007年高炉煤气平均放散率在11.49%，而国际先进的钢铁企业放散率都在1%以内。
其主要原因是随着原有型钢分厂生产线的关停，使得不锈钢分公司的高炉煤气用量富余，而一时又找不到合适的用户。
一方面要外购价格比较高的天然气，另一方面却要白白放散高炉煤气，这是十分不合理的。
基于宝钢不锈钢分公司的煤气资源利用状况，本文研究了企业内部各工序煤气的消耗情况，综合评价了副产煤气的综合利用状况，并且指出了煤气利用过程中存在的问题，同时也针对性的提出了改进措施。
针对不锈钢分公司某些燃气设备上使用单一燃气的现状，以石灰窑为例，对其改用混烧高炉煤气和天然气的可行性进行了研究，并对设备使用不同燃气的效率进行了分析比较，研究得出了天然气不同掺混配比下燃气热值的变化规律，同时分析了混合燃气的变化对石灰单位热耗的影响。
通过混烧实践也证明了设备混烧过程得到优化，达到充分利用高炉煤气的效果。
对转炉煤气的回收机理和回收影响因素进行了研究，同时对转炉煤气回收极限值和回收工艺、回收相关影响因素也进行了分析、研究及综合评价；针对不锈钢分公司转炉煤气的回收现状，提出了提高分公司转炉煤气回收量的几点措施。
针对不锈钢分公司煤气利用现状，对副产煤气系统的优化理论展开研究，在混烧高炉煤气和提高转炉煤气回收量的基础上，制定了合理的副产煤气平衡方案，并确立了动态平衡措施，从而优化了副产煤气系统的用气结构，降低了副产煤气的放散率，提高了企业的经济效益。
关键词：
副产煤气，高炉煤气，利用，混烧，优化
ABSTRACT
Withthedevelopmentofeconomyandsociety,thegasindustryisalsodevelopedquicklyinrecentyearsinourcountry.Simultaneouslythegasdistributionlossesisalsoincreasing,thatbecomestheobstacletogasbusinessenterprises.Thegasdistributionlossesisthekeyfactthatobstaclesgassaleenterprisedeveloping.Wemustreducethegasdistributionlossestomaketheenterprisesandeconomygrow.
Inthispaper,basedonthedatesofJiadingbranchecompany&ShanghaiShibeigasbussinesscompany,IanalyzetheseriesreasonsthatmaybecausethegasdistributionlossesinJiadingarea.AndIusegroup-AHP（AnalyticHierarchyProcess）methodwhichusesintheindefiniteresearchtoanalyzethereasons.Withtheexpertjudge,Group-AHPmethodofgasisestablishedtodescribesthegasdistributionlosses,andrelatedmathematicalmodelisalsoestablished.WithGroup-AHPandmathematicalmodel,theindexsystemandtheindexweighthavebeendetermined.
Gasmeasurementthatrelateswiththegasdistributionlossescloselyisalsodiscussedinthispaper.Accordingtotheanalysis,somespecificmethodshavebeenproposedtodeclinethegasdistributionlosses.
Keywords:
GasDistributionLosses,Group,AHP（AnalyticHierarchyProcess）,Measure
KeyWords:
by-product,blastfurnacegas,optimum,mixedburning,utilization
目录
摘要I
ABSTRACTII
Keywords:
II
第1章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2课题的提出4
1.3课题意义4
1.4研究内容5
第2章分公司煤气资源利用状况分析6
2.1宝钢不锈钢分公司副产煤气资源状况6
2.1.1宝钢不锈钢分公司概况6
2.1.2不锈钢分公司煤气设施情况6
2.1.3不锈钢分公司煤气构成及用户7
2.2分公司副产煤气利用状况分析8
2.2.1煤气产气分析8
2.2.2各工序煤气消耗情况9
2.2.3副产煤气利用综合分析11
2.3煤气利用存在问题和改进措施11
2.3.1煤气资源存在一定富余11
2.3.2转炉煤气回收量有待提高12
2.3.3煤气资源须优化使用12
2.3.4改进措施13
第3章石灰窑混烧高炉煤气和天然气的优化研究14
3.1石灰窑概况14
3.1.1套筒式石灰窑工艺特点14
3.1.2不锈钢分公司石灰窑煅烧石灰现状15
3.2设备使用不同燃气的效率分析15
3.2.1不同燃气在同一设备上替代使用的提出和基本要求15
3.2.2不同燃气替代使用效率问题的热工理论分析16
3.3石灰窑改用混烧燃气的可行性18
3.3.1不同掺混配下混合煤气燃烧参数18
3.3.2热值控制21
3.3.3石灰窑改用高炉、天然气混合煤气的可行性分析22
3.4石灰窑使用混合燃气的单位热耗和效率分析23
3.4.1计算公式与数据处理23
3.4.2石灰窑单位热耗值的计算25
3.4.3混合煤气热值变化后，石灰窑热效率和单位热耗值的变化27
3.5混烧优化效果分析28
3.5.1实际混烧效果28
3.5.2经济性分析29
3.6小结29
第4章分公司转炉煤气的优化利用30
4.1转炉回收规律30
4.1.1转炉回收机理30
4.1.2转炉煤气回收量提高途径的理论分析31
4.1.3转炉煤气回收量的影响因素31
4.1.4转炉煤气的最大回收33
4.2回收工艺介绍34
4.2.1OG法回收34
4.2.2LT法回收36
4.2.3LT系统与OG系统比较37
4.3分公司转炉煤气回收现状39
4.4提高转炉煤气回收的措施39
4.5对分公司转炉煤气回收提供建议39
第5章副产煤气系统优化模型40
5.1能源动态平衡和优化调度40
5.1.1能源动态平衡40
5.1.2调度问题相关概念41
5.1.3调度问题的数学表示42
5.2煤气优化利用模型43
5.2.1煤气生产及工序用气优化模型43
5.2.2供需计划及优化调配模型47
5.3优化利用模型的运行及应用48
5.3综合利用措施50
5.4提高转炉煤气回收利用50
5.5合理的副产煤气平衡方案50
5.6动态平衡措施50
第6章结论51
6.1利用目标分析51
致谢53
参考文献54
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果56
第1章绪论
1.1课题研究背景
钢铁行业是耗能大户，钢铁生产所用的能源主要有炼焦煤、动力煤、电力、燃料油和天然气等。
钢铁的生产工艺流程决定了在钢铁产品的生产过程中，必然消耗大量的煤和焦炭，同时也会生产出大量的副产煤气，主要包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。
这些副气中含有大量的热能和动能，能否充分地使用各种物理的和化学的方法将其进行利用，直接关系着钢铁企业能源利用水平和能耗水平的高低；而且，由于这些副气不仅有毒，且含有大量的粉尘，因此，能否充分地净化、回收利用，也关系到产品生产过程对环境污染程度的大小。
高炉煤气是高炉生产中焦炭经气化后转变而得。
每炼一吨生铁产生热值3300～4100kJ/m³的高炉煤气约1300～1600m³。
高炉煤气中可燃成分少,其中一氧化碳约占30%,还有少量碳氢化合物，其余均为不可燃成分，其中氮约占55%，故发热值很低。
高炉煤气由于热值低、燃气温度低等原因，在冶金企业往往将其与其它燃气混合使用。
对于没有焦炉煤气的企业或混合使用后还有富余的高炉煤气，大都加以放散。
焦炉煤气是炼焦产生的副产品，1t煤在炼焦过程中可产生300～350Nm3的煤气。
从焦炉产生的荒煤气经过回收其中的化学产品后可做燃料使用，某些用户对煤气中的含硫量及含萘量有一定的要求，因此，有时还需脱除煤气中的硫化氢及进一步脱萘。
炼钢过程中氧吹转炉在碳钢冶炼过程中产生了大量的转炉煤气，其中含有60～90%的CO，如果采取适当的回收工艺加以回收，每炼制1t钢可得50～100m3转炉煤气。
转炉煤气不仅可以作为冶金炉的燃料，而且因含有高达60%以上的CO，它也是一种非常理想的化工原料。
从炉口出来的炉气夹带有大量固体尘粒，其中含有近60%的铁粉，经回收后可作为精矿粉使用。
所以应大力开展转炉煤气的回收和综合利用，但必须将烟气净化到一定的要求方能使用。
由此可见，高炉煤气，焦炉煤气和转炉煤气是冶金生产中的副产煤气，也是现代钢铁联合企业中最重要的自产二次能源。
一般钢铁企业副产煤气约占企业耗能总量的40%。
目前我国多数钢铁企业对于这些副产煤气不仅回收量低，而且放散严重。
2006年国内传统十大钢铁企业产钢9120.02万t（其中转炉钢8889.42万t）、铁8762.03万t、材8463.16万t，自耗能源总量6992.4万tce（1tce=293亿焦耳）。
十大钢共生产副产煤气2661.5万tce,占自耗能源总量的40%。
其中高炉煤气占61%、焦炉煤气占33%、转炉煤气占6%。
高炉煤气放损率平均为7.4%，其中鞍钢、首钢和本钢都还在10%以上。
若平均达到宝钢水平，每年可多回收利用高炉煤气约90万tce。
十大钢转炉钢产量为8889.42万t，回收的转炉煤气总量为160.28万tce,吨钢回收仅18.1kgce（折合63m³/t）仅占可回收量的三分之二。
若达到吨钢回收100m³/t水平,则年可多回收利用转炉煤气80万tce。
表1.1为2006年十大钢企副产煤气回收利用情况。
表1.1十大钢副产煤气回收利用水平
钢铁企业
高炉煤气
焦炉煤气
转炉煤气回收水平
kgce/t
放散量（万tce）
放损率%
放散量（万tce）
放损率%
十大钢
120.0
7.4
33.1
3.8
18.1
鞍钢
29.9
11.8
11.8
7.6
15.5
武钢
9.5
4.6
0.9
0.8
19.3
首钢
15.2
13.0
1.1
2.5
24.3
马钢
11.8
6.8
6.3
9.4
18.1
攀钢
10.9
8.5
6.9
8.9
/
包钢
11.8
6.9
5.4
6.2
12.9
太钢
2.3
4.7
0.6
2.2
21.2
本钢
21.4
13.5
0.1
0.1
9.5
宝钢
4.2
1.9
28.3
唐钢
3.1
2.0
20.3
目前，我国的转炉煤气回收利用技术和水平有了较大发展，但除了宝钢、武钢等回收水平达到或超过100m³/t钢外，其余大部分企业回收水平仍在50m³/t钢水平左右徘徊。
而代表先进水平的日本吨钢回收达110m³。
从煤气回收利用水平看，宝钢在副产煤气的回收利用方面处于国内绝对领先地位：
高炉煤气放散损率1.9%、焦炉煤气零放散、转炉煤气回收99.11m³/t。
认真借鉴宝钢副产煤气回收利用经验，可有效提升钢铁企业副产煤气利用水平。
综合副产煤气节能潜力约200万tce，可降低吨钢综合能耗22kgce/t，年创节能价值约20亿元。
日本新日铁高炉煤气43%用于各种工业炉窑加热，57%用于发电；焦炉煤气80%用于工业炉窑加热，20%用于发电；转炉煤气64%用于工业炉窑加热，36%用于发电。
放散均为零。
国内外学者一直致力于在钢铁企业副产煤气综合利用方面的研究。
在一些副产煤气回收利用关键技术攻关上，取得了一些成果。
（1）煤气回收与输配技术。
通过对副产煤气的生产、回收、储存、输配环节的分析,研究燃气设备运行的最佳参数和方案,充分发挥煤气设备能力,实现系统的最优运行和稳定运行。
关键技术有转炉煤气回收利用技术、煤气柜相关技术、焦炉煤气按质分流分供技术和煤气混合与加压技术。
（2）转炉煤气回收利用技术。
转炉煤气回收极限值研究、转炉煤气柜双柜运行系统、转炉煤气系统的自动调节技术。
LDG系统平衡的关键，在于把握LDG的回收过程、LDG煤气柜的状态、LDG系统用量之间的关系，来指导LDG回收量和联网装置调节量。
影响转炉煤气回收量的主要因素有:
转炉设备条件；
转炉煤气柜的柜位；
钢种（主要是钢水含碳量、钢水温度）；
原料条件（包括铁水比、铁水成分、炭质发热剂加入量、铁水温度、废钢比）；
供氧强度；
煤气回收操作控制条件。
东北大学的王爱华和蔡九菊等对转炉煤气回收规律及其影响因素进行了研究，给出了理想工况下的吨钢转炉煤气最大回收量，并针对回收的条件提出了提高转炉煤气回收量的一些具体措施。
目前，转炉煤气回收技术主要是以“LT”法干法处理和“OG”法（氧气转炉煤气回收法）法处理两种方法最为先进而被普遍采用。
（3）煤气柜相关技术。
煤气设施的性能随使用时间的增长逐渐老化,设施的安全隐患对煤气系统的稳定运行构成威胁。
在引进消化国外先进技术的基础上,我国一些钢铁企业自主研发了多项技术并付诸应用,使煤气设施在安全性、可靠性等方面有了明显进步。
主要技术有:
煤气柜密封技术、煤气柜密封橡胶防破损技术、煤气柜活塞防冲顶报警技术、防止煤气柜基土沉降技术、干式煤气柜的基础修复技术、煤气柜安全供油技术、煤气管道设施防煤气泄漏技术、燃气波纹管修复技术、煤气柜位预测数学模型。
增建煤气柜,可以加大储气容量,提高管网缓冲能力，稳定用户供应。
（4）副产煤气高效利用技术。
开发煤气用户,研究高效利用富余煤气的方式,减少煤气放散带来的经济损失和空气污染。
主要技术有燃用纯高炉煤气的燃气轮机组发电技术、低压锅炉全烧高炉煤气技术、转炉煤气替代热风炉燃料技术、富氧燃烧技术和燃烧区域联网联供技术及能源中心实时监控和信息管理技术。
烧纯高炉煤气锅炉发电技术、燃气-蒸汽联合循环发电机组和高温蓄热式燃烧技术的研制成功并在钢铁企业中的广泛应用，为高炉煤气的有效利用提供了很好的途径。
如作为世界首台大容量单烧低热值高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环机组在宝钢分公司的建成，使宝钢每年被放散约20余亿m3高炉煤气得到有效利用。
张琦、蔡九菊等通过对高炉煤气在冶金工业方面的应用研究，分析了高炉煤气的特点，比较了宝钢和日本钢铁企业的差异，系统的介绍了烧纯高炉煤气锅炉发电技术、燃气-蒸汽联合循环发电机组和高温蓄热式燃烧技术等一些高炉煤气应用新技术。
（5）燃气结构优化及混烧技术研究。
高炉煤气由于热值低，燃烧温度较低，如果在这些企业中没有高热值煤气，那高炉煤气在相当大的程度上被放散。
近年，国内已有一些企业单独使用高炉煤气作动力锅炉、煅烧石灰石窑、初轧均热炉、薄板加热炉燃料的经验，为充分利用高炉煤气打下了一定的基础。
对于有炼铁、炼焦和炼钢的大型钢铁企业，自产的高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气，都要求应尽可能在企业内充分加以利用。
这些大型钢铁企业在考虑企业煤气平衡时的一个重要方面是将转炉煤气与高炉煤气、焦炉煤气配制成不同热值的混合煤气，供自备电厂、低压锅炉、石灰、初轧、无缝、热轧等使用，以提高副产煤气在企业内的燃料利用率。
1.2课题的提出
目前不锈钢分公司的燃气结构主要由外购天然气、炼钢副产转炉煤气和炼铁副产高炉煤气组成。
各类轧钢加热炉、均热炉上所使用的气体燃料多以炼铁、炼钢和炼焦过程中产生高炉、转炉和焦炉煤气作为燃气供各生产单元使用。
不锈钢分公司在炼铁厂石灰窑、炼钢厂在线和离线钢包烘烤、热轧厂加热炉和保温炉、冷轧厂的所有产线均只使用单一高热值的燃料，而分公司内副产煤气资源相对富余，但由于副产煤气资源在调配和储备方面手段缺乏，故目前自身副产煤气资源的综合利用及多燃料掺混使用方面存在着较大的局限性。
目前高炉煤气回收利用情况却不甚理想，放散率偏高。
不锈钢分公司2007年高炉煤气平均放散率在11.49%，而国际先进的钢铁企业放散率都在1%以内。
其主要原因是随着原有型钢分厂生产线的关停，使得不锈钢分公司的高炉煤气用量富余，而一时又找不到合适的用户。
一方面要外购价格比较高的天然气，另一方面却要白白放散高炉煤气，这是十分不合理的。
另外目前不锈钢分公司转炉煤气吨钢平均回收量在81.39m³/t，而先进钢铁企业转炉转炉煤气吨钢平均回收量在100m³/t以上。
因此转炉煤气还有可以提高回收量的潜力，寻求合理提高转炉煤气回收量的途径，是目前要解决的问题。
因此，需要研究如何在满足工艺要求的情况下，对分公司副产煤气的利用情况进行优化，提出具体的优化方案和措施。
1.3课题意义
目前，我国多数钢铁企业对于这些副产煤气不仅回收量低，而且放散严重。
煤气的供不应求和严重浪费现象，既增加了企业的能源消耗，又制约了钢铁工业的发展，所以全面分析钢铁联合企业的煤气状况，科学合理的制定煤气供需之间的平衡策略，对发展钢铁生产，降低能源消耗和改善环境都有重要的意义。
同时，一个企业要摆脱能源涨价和环境治理费用给钢铁生产带来的不利影响，必须从用好煤气开始，即坚持煤气资源开发与节约并重，把节约煤气放在首位，企业在扩大规模和结构调整的同时，要始终保持煤气供应与需求之间的平衡，这是节能工作的基础。
一个企业只有科学的维持煤气供需平衡，才有条件把钢铁产品的能耗和成本大幅度的降下来。
目前国际和国内钢铁企业都在积极采取措施，充分利用副产二次能源，以达到节能降耗的目的。
而且高炉、转炉煤气回收利用率的高低不但是冶金生产工艺技术水平先进性的重要体现，更是企业节能、降低生产成本，有利于工业生态环境的保护，提升企业社会形象、提高企业综合竞争力的重要途径之一。
1.4研究内容
为了合理的使用好不锈钢分公司的燃气，节能减排，降低企业生产中的能源成本，本课题将以转炉煤气和高炉煤气用户为重点，测试、研究、分析不锈钢分公司现有燃气资源和各工位工艺特点，在满足工艺要求的情况下，不断优化公司燃气供应结构，研究应用燃气多级使用的合理供应模式，使副产煤气得到最优化的合理配置，更科学合理的对各种煤气进行最大限度的利用，实现各类炉窑等燃气设备的热效率和经济性的最优化。
探讨针对不锈钢分公司的产气、供气现状与各类不同设备、不同工艺的用气要求，如何实现分公司的冶金煤气零放散和经济有效使用的方法。
第一章，介绍课题的研究背景和国内外的研究动态，提出了本文的主要研究内容和技术路线。
第二章，本章主要对宝钢不锈钢分公司的煤气资源利用状况进行了分析。
研究了企业内部各工序煤气的消耗情况，综合评价了副产煤气的综合利用状况，并且指出了煤气利用过程中存在的问题，同时也针对性的提出了改进措施。
第三章，针对不锈钢分公司某些燃气设备上使用单一燃气的现状，以石灰窑为例，对其改用混烧高炉煤气和天然气的可行性进行了研究，并对设备使用不同燃气的效率进行了分析比较，研究得出了天然气不同掺混配比下燃气热值的变化规律，同时分析了混合燃气的变化对石灰单位热耗的影响。
通过混烧实践也证明了设备混烧过程得到优化，达到充分利用高炉煤气的效果。
第四章，对转炉煤气的回收机理和回收影响因素进行了研究，同时对转炉煤气回收极限值和回收工艺、回收相关影响因素也进行了分析、研究及综合评价；针对不锈钢分公司转炉煤气的回收现状，提出了提高分公司转炉煤气回收量的几点措施。
第五章，针对不锈钢分公司煤气利用现状，对副产煤气系统的优化理论展开研究，在混烧高炉煤气和提高转炉煤气回收量的基础上，制定了合理的副产煤气平衡方案，并确立了动态平衡措施，从而优化了副产煤气系统的用气结构，降低了副产煤气的放散率，提高了企业的经济效益。
第六章，对全文进行总结，指出研究中的不足，并对今后工作进行了展望。
第2章分公司煤气资源利用状况分析
2.1宝钢不锈钢分公司副产煤气资源状况
2.1.1宝钢不锈钢分公司概况
宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司是我国重要的不锈钢精品基地之一，它坐落在上海市宝山区境内，公司的前身是上海第一钢铁有限公司（一钢公司），创建于1938年，经过了70年的风雨洗礼，已发展壮大成为现代化大型钢铁企业。
公司于2001年投资155.2亿元人民币，新建了国内第一条不锈钢、碳钢联合生产线。
新建成的生产线采用了当今世界先进成熟的工艺技术装备，全年可产不锈钢150万吨、碳钢190万吨，不锈钢热轧板卷128万吨、碳钢热轧板卷181万吨。
不锈钢分公司生产工艺流程如图2.1。
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