新一代1920mw鋼副產煤平衡與利用方案研究

新一代1920mw鋼副產煤平衡與利用方案研究

21世紀，國際鋼鐵工業(yè)進入第二個快速發(fā)展趨勢。由于資源、能源和環(huán)境的限制，國際鋼鐵工業(yè)特別重視資源、能源的使用、環(huán)境保護和清潔生產。鋼鐵企業(yè)普遍關注與社會、環(huán)境友好,向可持續(xù)的循環(huán)經濟方向發(fā)展。鋼鐵工業(yè)是中國國民經濟的重要基礎產業(yè)和實現新型工業(yè)化的支撐產業(yè),為提高綜合競爭力和實現可持續(xù)發(fā)展,鋼廠未來發(fā)展的模式將通過功能的拓展,實施綠色制造,進而實現生態(tài)化轉型,成為工業(yè)生態(tài)鏈的重要一環(huán),在循環(huán)經濟社會中承擔重要積極的角色。1新鋼的內涵和模式1.1鋼鐵產品制造流程所謂新一代鋼鐵制造流程就是將已有的先進工藝、裝備,與新開發(fā)的工藝、裝備以及“界面技術”(銜接匹配、協同、緩沖技術)創(chuàng)新性集成而重新構筑的制造流程。該流程充分體現了三個功能:鋼鐵產品制造功能、能源轉換功能、廢棄物消納處理功能。其重點是共性平臺技術(例如高效、低成本的潔凈鋼生產平臺技術等)、動態(tài)-有序運行的界面匹配技術(煉鐵-煉鋼技術界面、連鑄-熱軋技術界面等)、流程工程集成技術(流程網絡的合理化配置、流程運行“程序”的動態(tài)、有序、合理調控等),系統、高效的能源轉換技術,新流程的工業(yè)化設計與運行管理,資源循環(huán)利用技術,產業(yè)鏈接技術等。1.2生產規(guī)模及效益新一代鋼廠以生產薄板及其深加工產品為主要目標,通過2座高爐、1個煉鋼廠、2套熱軋帶鋼軋機為核心的冶金流程,以3臺轉爐、3臺連鑄機對應2臺熱帶軋機,以3套冷帶軋機作為深加工的主力,60%～70%的薄板得到高附加值深加工,生產不同質量、性能的高附加值產品,合理生產規(guī)模為年產粗鋼約900萬t。新一代鋼廠流程見圖1。2企業(yè)總能耗鋼廠各種副產煤氣——焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣是二次能源的主要形式,約占企業(yè)總能耗的30%～40%。副產煤氣的充分、合理利用是降低能源消耗、發(fā)揮鋼廠能源轉換功能的關鍵所在,不僅有利于降低鋼廠單位產品的能源消耗和排放負荷,甚至有可能開發(fā)出新的大規(guī)模制氫工藝。2.1煤氣-燃煤混燒發(fā)電機此種模式是目前國內外最常見的,在此模式下,鋼廠副產煤氣作為氣體燃料加以利用。在滿足鋼鐵制造流程燃料需求的前提下,剩余煤氣用來發(fā)電。為提高煤氣發(fā)電效率,在保證煤氣供應量穩(wěn)定充足的前提下,采用燃氣輪機-蒸汽輪機聯合循環(huán)發(fā)電(CCPP);由于各設備作業(yè)時間的差異、工藝參數變化等原因,產生煤氣量的波動,為了不造成煤氣放散,又確保發(fā)電機組滿負荷穩(wěn)定運行,宜采用煤氣-燃煤混燒發(fā)電機組。表1為年產900萬t粗鋼的新一代鋼廠副產品煤氣的平衡估算。對年產粗鋼900萬t的新一代鋼廠而言,鋼廠自發(fā)電主要由TRT、CDQ、CCPP、煤氣-燃煤電站構成。其中:CCPP機組采用焦爐煤氣、高爐煤氣混合煤氣作為燃料,混合比例為:焦爐煤氣/高爐煤氣=1/9,混合煤氣熱值為4535kJ/m3。CCPP裝機容量按150MW選擇,年日歷工作時間7000h,年發(fā)電量約為10.5億kW·h,選擇2×150MW的CCPP機組,年發(fā)電量約21億kW·h;剩余煤氣(約30.9萬t標煤,參見表1)采用燃煤混燒機組發(fā)電,混燒比例在25%左右,建設2×300MW機組,需購入發(fā)電用動力煤約105萬t標煤/年,年發(fā)電量約可達到42億kW·h。再加上約22MW×2的TRT發(fā)電機組和25MW×2的CDQ發(fā)電機組,電站總裝機容量約100萬kW。2.2焦爐煤氣制氫后的煤氣平衡估算工業(yè)制氫目前是以天然氣、石油和煤為原料,在高溫下使之與水蒸氣反應或用部分氧化法制得,而鋼鐵企業(yè)(或煉焦廠)產生的副產焦爐煤氣含有50%～60%的H2,20%～30%的CH4,是非常好的制氫原料氣。采用焦爐煤氣制氫,只需按現有煤氣處理工藝,將其中的有害雜質去除,即可通過變壓吸附技術提取出高純度(99.99%)的氫氣,1m3的焦爐煤氣約可制取0.44m3的氫氣。與天然氣制氫相比,省去了蒸汽轉換或部分氧化等CH4裂解過程,從而省去了這一工藝過程的能源消耗,有可能成為大規(guī)模、高效、低成本生產氫氣的有效途徑,有利于促進鋼廠環(huán)境改善和工業(yè)生態(tài)化轉型。此模式下,焦爐煤氣全部采用變壓吸附制氫,通過變壓吸附提取氫氣后的高熱值解吸氣返回鋼鐵制造流程,解吸氣與高爐煤氣、轉爐煤氣作為熱風爐、加熱爐等燃料使用,而轉爐煤氣應作為石灰焙燒燃料生產高品質的低硫活性石灰,剩余煤氣發(fā)電。新一代鋼廠可產生氫氣約為6.7億m3/a,扣除鋼廠內部使用氫氣約844萬m3/a,可外供氫氣約為6.6億m3/a(約66000t/a),生產出的氫氣或與石化行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈,或作為汽車清潔燃料使用。假定鋼廠內以解吸氣替代焦爐煤氣后各工序所需的煤氣熱值、熱消耗等工藝參數不變;同時,高熱值解吸氣與高爐煤氣、轉爐煤氣混兌后,混合煤氣的密度、成分等滿足輸送、燃燒性能等工藝要求。在此條件下,焦爐煤氣制氫后鋼廠的煤氣平衡估算見表2。CCPP機組采用解吸氣、高爐煤氣混合煤氣作為燃料,混合煤氣熱值按4535kJ/m3,混合比例為:解吸氣/高爐煤氣=5/95。選擇1×150MW的CCPP機組,年發(fā)電量約為10.5億kW·h。剩余煤氣總計折合約37.36萬t標煤(參見表2),采用燃煤混燒機組發(fā)電,混燒比例在30%左右,建設2×300MW機組,需購入發(fā)電用動力煤98.5萬t標煤/a,年發(fā)電量約可達到42億kW·h。再加上TRT、CDQ發(fā)電,電站總裝機容量約為85萬kW。2.3高熱值高爐煤氣模式一(副產煤氣發(fā)電單一模式)與模式二(焦爐煤氣變壓吸附制氫,剩余煤氣發(fā)電)煤氣平衡和自發(fā)電比較見表3。從表3數據可以看出:①焦爐煤氣全部采用變壓吸附制氫,高熱值解吸氣返回的情況下,對鋼廠煤氣平衡的影響僅9%～10%;②高熱值解吸氣替代焦爐煤氣與高爐煤氣混兌后,由于解吸氣熱值提高,在各主要工序(如焦爐、熱風爐、加熱爐、CCPP)所需混合煤氣熱值保持不變的前提下,可多利用低熱值高爐煤氣約38687萬m3/a(折合約4.2萬t標煤/年);③通過合理配置發(fā)電機組,鋼廠仍可實現電力自給,做到“只買煤、不買電、不用燃料油”。3現代鋼鋼公司的生態(tài)改造方案3.1t高爐渣水泥發(fā)展現狀高爐渣的成分與水泥接近,成為制作水泥的良好原料。利用高爐渣生產水泥由于可減少使用石灰石等天然資源等必需的焙燒過程,而減少能源消耗(圖2)。一般來講,使用1t高爐渣,相當于節(jié)省生產1t普通水泥所需的資源、能源消耗,并相應減少由此引起的CO2排放。目前高爐渣水泥中高爐渣的配比在40%左右,相應可節(jié)省資源、能源消耗約40%,降低CO2排放約45%(表4)。對于年產粗鋼約900萬t的新一代鋼廠,高爐渣產生量約223萬t/a。目前最大的一條水泥生產線年產量約為350萬t,按高爐渣配比41%左右估算,可利用高爐渣約143萬t/a。剩余高爐渣,再加上部分鋼渣可建成年產80萬t的礦渣微粉生產線,從而與建材行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈。3.2廢鋼、廢水、社區(qū)廢水新一代鋼廠不僅可以通過副產品煤氣的合理利用,實現“電力自給”,還有可能生產出氫氣等清潔能源,并通過冶金渣的再資源化等,發(fā)揮鋼廠的能源轉換功能;還可以利用鋼鐵生產流程來消納處理大量社會廢棄物,包括處理不同來源的廢鋼,利用焦爐、高爐處理大量廢塑料、廢輪胎、社會垃圾、社區(qū)廢水和污水等。鋼鐵工業(yè)是發(fā)展循環(huán)經濟的優(yōu)先切入點之一,在循環(huán)經濟社會中,新一代鋼廠通過鋼廠功能的拓展,充分發(fā)揮鋼廠的鋼鐵產品制造功能、能源轉換功能和廢棄物消納處理功能,并憑借自己的物質流和能量流的優(yōu)勢、資金優(yōu)勢、技術優(yōu)勢、人才優(yōu)勢,促進形成鋼鐵與發(fā)電、建材及石化(化工)等行業(yè)的工業(yè)生態(tài)制造鏈(圖3),從而實現清潔生產、綠色制造,直至成為環(huán)境友好的循環(huán)經濟社會的重要一員。4與發(fā)電、工藝技術、行業(yè)以及黨的行業(yè)鏈接(1)新一代鋼廠以生產薄板及其深加工產品為主要目標,與此同時,充分發(fā)揮鋼廠的鋼鐵產品制造功能、能源轉換功能和廢棄物消納處理功能,適應和促進生態(tài)化轉型和循環(huán)經濟的發(fā)展進程。(2)新一代鋼廠副產品煤氣利用有燃料化利用和資源化利用兩種模式可供選擇,通過副產煤氣合理利用并集成到發(fā)電上來,合理配置發(fā)電機組,新一代鋼廠可實現電力自給,做到“只買煤、不買電、不用燃料油”,并有可能開發(fā)出大規(guī)模制氫工藝。(3)新一代鋼廠可與發(fā)電、建材、石化等行業(yè)