冶金行业混合煤气的计量与应用探索

韦国鹏

（陕钢集团汉中钢铁有限公司，陕西 汉中 724299）

1 混合煤气概述

在钢铁企业生产过程中，煤气作为相关工序燃料而被广泛使用，根据产生方式的不同，煤气又分为高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气和发生炉煤气等。生产工艺不同，不同种类煤气的成分组成、洁净度、燃烧热值等也都存在较大的差异[1-2]。为了提高生产效率、降低能源消耗，钢铁企业通常把不同种类的煤气混合在一起掺烧，以提高燃料的热值，如：转炉煤气是冶金企业优质的二次能源，通常把一定量的转炉煤气同高炉煤气或焦炉煤气进行混合，混合后的煤气一般被称为混合煤气。混合煤气的应用工况条件比单一种类煤气的条件更为复杂，如掺混比例的变化、温度压力的变化、湿度的变化、用户工艺变化等，都会对混合煤气的密度产生很大的影响，给混合煤气的精准计量和科学用能带来一定的难度。

例如，某钢铁企业在实际生产过程中，因高炉煤气和转炉煤气的混合比例受到工艺及其他因素的影响，轧钢加热炉经常出现大幅度波动，随着高炉、转炉煤气混入比例的不同，混合煤气的密度也不断变化，随之带来的是热值的波动范围（750～1 500 kcal/m3）变化，在燃烧过程中所需空气量也随之变化（空燃比在0.7～1.5之间变动）。如果没有可靠的流量数据做参考，生产过程中操作工人仅凭经验设定空燃比，一方面会导致煤气燃料燃烧不充分，吨钢燃料消耗过大，产品质量下降，另一方面会导致加热炉炉膛内温度过高，影响加热炉使用寿命。

对混合煤气精准计量，并以此为基础控制混合煤气的热值，使之达到最佳的燃烧效果（空燃比），除了对混合前高炉煤气、转炉煤气进行准确计量外，最重要的是对混合后的混合煤气进行精准计量，并科学控制用量。

2 混合煤气计量中的补偿原理

气体流量计量与被测气体的密度密切相关，而气体密度的变化又和在一定条件下气体的温度、压力相关。所以，要准确计量气体的流量，就必须经过科学的补偿来反映被测气体的流量数值。

气体的流量一般可用体积流量和质量流量等方式来表征。气体体积流量是指单位时间内流经管道的气体体积量。众所周知，气体体积是随温度和压力的变化而变化的，因此，实际生产过程中，常用的做法是把设计工况下的体积流量换算成设计状态或标准状态的体积流量，通过温压补偿来修正由于流量计工作条件偏离设计工艺条件带来的测量误差。

钢铁冶金生产过程中，高炉煤气与转炉煤气是最主要的工序二次能源，其中高炉煤气密度一般在1.35 kg/m3左右，转炉煤气密度受回收工艺影响，一般在1.22～1.29 kg/m3之间波动。由于高炉煤气热值只有800 kcal，而转炉煤气热值在1 400 kcal左右，为了合理利用能源，将高炉煤气与转炉煤气按比例混合，可有效提高煤气使用效率。但是混合煤气的密度跟混合比有很大关系，根据流体力学中的质量守恒定律和能量守恒定律，可计算出流体的体积流量和质量流量。

2.1 通用质量流量计算公式

式中：Qm为质量流量，kg/h；ΔP为差压，kPa；ρ为工作状态下介质的密度，kg/m3；K为仪表修正系数。

2.2 流量、温度、压力计算补偿公式

式中：Q为瞬时体积流量，m3/h；ΔP为输入信号对应的差压值，kPa；Ai为（分段）修正系数；T为工作温度，℃；P为工作压力，kPa。

2.3 流量密度补偿

若已知气体的质量流量，可用下式换算成体积流量。

式中：qv为体积流量，m3/s；qm为质量流量，kg/s；ρ为流体密度，kg/m3。

假设设计计量器具介质密度为ρ标；实际工况测量煤气密度为ρ实，则流量密度补偿公式：

3 混合煤气的密度补偿应用

在应用最广泛的差压式温度、压力补偿流量计上，增加一套密度检测装置，如图1所示，该装置主要包括采气泵、密度计和过滤器。

图1 差压式流量计密度补偿流程图

通过取压装置获得稳定的差压信号；温度计测量实时在线温度；压力变送器监测管道实时压力情况；密度计获得介质实时的密度值，并将数据分别带入上文公式中，最终获得密度补偿后的介质流量。

以某企业烧结工序中混合煤气在进行密度补偿前后计量进行对比：

1）工况情况。混合煤气温度30℃；表压10 kPa；刻度流量45 000 m3/h；管内径Φ1 208 mm。煤气计量设备安装在前10D和后5D（D为管道直径）管道处。变送器量程差压为0～0.176 kPa，密度为1.350 kg/m3。

2）在正常生产的某一时间段，对混合煤气进行温度、压力补偿及混合煤气流量计算。测量煤气介质温度为35℃；压力为10.51 kPa；压差为0.043 kPa。

流量计参数情况如表1所示。

将参数带入公式：

经过对混合煤气介质密度进行测量，得ρ=1.255 kg/m3，带入流量密度补偿公式中，经计算，得Q=20 373.28 m3/h。

从以上数据分析可以看出，补偿前和补偿后之间的混合煤气计量数据差异达到了7.03%。以补偿前常用量平均21 915.54 m3/h来计算，补偿后的实际用量为20 373.28 m3/h左右，每天混合煤气计量误差为37 014 m3，造成煤气能源浪费。

4 结语

精准的工艺控制和科学的生产管理都离不开准确的数据支持，尤其在单位能耗高、工艺流程复杂的冶金行业更是如此[3]。如何准确地获得能源加工、转换和消耗数据，是每一个冶金企业能源管理所面临的共性问题。虽然混合煤气的计量只是企业能源介质计量的一个组成部分，但从成本控制和工艺忧患的角度来考虑，采用先进工艺技术及科学的计量方法，做到对工序能耗的精准计量，对企业降低运行成本具有积极的意义。对于高能耗产业的冶金企业来说，对混合煤气的精准计量，能揭示能源消耗过程，优化整体能源的调度平衡。既是提高企业经济效益的重要手段，又是保障工序产品质量的重要措施，最终能达到控制成本、节能降耗、提质增效的目的。