申報(bào)單位:大冶特殊鋼有限公司
成果創(chuàng)造人:汪有源、程衛(wèi)國(guó)、高坤、樊瑩、王靖宇、樊平江、鄧小利、陳義、藍(lán)松軍、董清曄、李輝、尹禮忠、吳麗榮、黎仕森、舒神州
公司簡(jiǎn)介:大冶特殊鋼有限公司地處中國(guó)礦冶之都湖北省黃石市,隸屬世界最大特鋼集團(tuán)——中信泰富特鋼集團(tuán);始建于1913年,其前身是湖廣總督張之洞創(chuàng)辦的漢冶萍煤鐵廠礦有限公司,素有中國(guó)“鋼鐵搖籃”“特鋼長(zhǎng)子”之美譽(yù),毛主席曾兩次視察冶鋼。
大冶特鋼具備年產(chǎn)特殊鋼420萬(wàn)噸,材400萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力,是目前全國(guó)規(guī)模最大的“精品特殊鋼棒材”“精品特種無(wú)縫鋼管”“精品特殊鋼鍛材” 生產(chǎn)基地之一。
一、成果提出的背景
(一)國(guó)家發(fā)展的趨勢(shì)所在
1、30/60 國(guó)家戰(zhàn)略:第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)國(guó)家主席習(xí)近平做出中國(guó)在2030年前碳達(dá)峰,2060年碳中和的莊嚴(yán)承諾。
2、全面深化改革要求提出“推動(dòng)能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控”。
3、國(guó)家產(chǎn)業(yè)調(diào)整導(dǎo)向提出“富氧/全氧燃燒” 技術(shù)為鋼鐵行業(yè)鼓勵(lì)類項(xiàng)目。
4、新燃料應(yīng)用識(shí)別提出,要將氫氣作為高端制造業(yè)燃料。
(二)行業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展要求
1.鋼鐵工業(yè)總能耗占全國(guó)工業(yè)總能耗的20%~25%,碳排放占全國(guó)碳排放總量的15%,是制造業(yè)31個(gè)門(mén)類中碳排放最大的行業(yè)。
2.國(guó)務(wù)院制定《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,明確提出要推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展,推動(dòng)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰,并強(qiáng)調(diào)要深化鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
3.現(xiàn)有加熱爐使用常規(guī)化石能源,很難滿足節(jié)能減排以及高端產(chǎn)品持續(xù)開(kāi)發(fā)的要求?!半p碳”背景下,開(kāi)發(fā)和應(yīng)用低碳?xì)湟苯鸺夹g(shù)已成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的共識(shí)。
(三)建設(shè)綠色特鋼集團(tuán)的戰(zhàn)略要求
集團(tuán)663總戰(zhàn)略中“綠色發(fā)展規(guī)劃”總體目標(biāo):中信泰富集團(tuán)努力爭(zhēng)取2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,確保2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源資源使用高質(zhì)脫鉤發(fā)展、低碳經(jīng)濟(jì)與發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,成為全球特鋼企業(yè)集團(tuán)低碳轉(zhuǎn)型的引領(lǐng)者。
具體目標(biāo):
1、碳排放總量在2030年前實(shí)現(xiàn)達(dá)峰,CO2排放峰值控制在3000萬(wàn)噸以內(nèi),爭(zhēng)取峰值年碳排放強(qiáng)度降至1.65t CO2/t鋼。
2、到2035年,碳排放強(qiáng)度較峰值年下降20%。
3、到碳中和年,碳排放強(qiáng)度較峰值年下降80%。
(四)企業(yè)發(fā)展的管理要求
大冶特鋼2022年發(fā)布了綠色低碳行動(dòng)方案,規(guī)劃了五大路徑和十大工程,即“5+10”行動(dòng)計(jì)劃:在“節(jié)能與能效提升”、“優(yōu)化用能及流程結(jié)構(gòu)”、“構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈”、“推動(dòng)綠色布局”、“突破性技術(shù)應(yīng)用”等五個(gè)方面,通過(guò)實(shí)施“系統(tǒng)能效提升降碳工程”“數(shù)字化改造降碳工程”“工藝流程優(yōu)化降碳工程”“可再生能源利用降碳工程”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)同降碳工程” “綠色物流升級(jí)改造降碳工程”“減污協(xié)同降碳工程”“低碳意識(shí)及行為”“提升降碳工程氫能利用”“降碳工程低碳冶金示范降碳工程”推進(jìn)降碳工作落地實(shí)施。
具體目標(biāo):到碳達(dá)峰年,碳排放總量控制在825萬(wàn)噸以內(nèi),碳排放強(qiáng)度1.65tCO2/t以內(nèi)。
(五)項(xiàng)目難點(diǎn)及實(shí)施價(jià)值
行業(yè)內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的應(yīng)用案例可借鑒。國(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)均在開(kāi)展氫冶金研究與試驗(yàn),但目前主流的氫冶金技術(shù)路線為高爐富氫冶煉與氫基直接還原豎爐煉鐵兩種:采用氫氣和一氧化碳還原鐵礦豎爐工藝和焦?fàn)t煤氣循環(huán)利用工藝。
打造全國(guó)首例氫能全氧加熱爐應(yīng)用示范項(xiàng)目。大冶特鋼原創(chuàng)性將“低碳?xì)淠苋跞紵夹g(shù)”應(yīng)用于加熱爐,賦能全流程鋼鐵制造深度降碳,以實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和目標(biāo)。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益,氫氧燃燒技術(shù)均符合企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展的需要。
二、成果的主要內(nèi)容
(一)成果創(chuàng)建的理論依據(jù)
1.氫能的優(yōu)越性①環(huán)保減碳:氫燃燒后生成物只有水,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染;②能量密度非常高:是汽油的 3 倍,酒精的 3.9 倍,焦炭的 4.5 倍;③發(fā)熱值高:除核燃料外,氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的;
2.新型氫能全氧燒嘴
新型氫能全氧燒嘴為無(wú)焰燃燒,其輻射能力更強(qiáng),熱量密度更大,傳熱效率更高。
3.傾角切線旋流燃燒
燒嘴在安裝上雙側(cè)各2只燒嘴以高溫?zé)煔庠谇邢蚬?jié)圓內(nèi)卷吸著煙氣在爐膛內(nèi)循環(huán),火焰通過(guò)氧氣高速射流,使火焰長(zhǎng)度達(dá)到2米以上,在高溫情況下,實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒,同時(shí)產(chǎn)生卷吸作用,充分調(diào)動(dòng)爐內(nèi)氣氛,燃燒效果更佳是更為理想的燃燒方式。
4.智能燃燒系統(tǒng)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考國(guó)內(nèi)外燃?xì)?、氧氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)案例,雙套氣動(dòng)切斷保證安全無(wú)泄漏。啟動(dòng)前自動(dòng)進(jìn)行泄露檢測(cè),融合了加熱爐上常用且久經(jīng)考驗(yàn)過(guò)的控制方式,如雙交叉限幅、PID及模糊控制。這種控制方式可有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度3~5倍,使之適應(yīng)均熱爐熱負(fù)荷周期、快速變化的需要,保證爐溫、爐壓控制的穩(wěn)定高效。
5.全氧燃燒技術(shù)在加熱爐上的專利應(yīng)用
《一種全氧加熱爐組合式燃燒系統(tǒng)》、《一種用于軋鋼加熱爐的全氧燃燒系統(tǒng)》。
(二)成果創(chuàng)建的指導(dǎo)原則
(1)安全環(huán)保為基礎(chǔ)。嚴(yán)格貫徹國(guó)家安全、環(huán)保方針政策,減少對(duì)環(huán)境影響及員工危害。
(2)經(jīng)濟(jì)節(jié)能為導(dǎo)向。節(jié)省投資、節(jié)約能源、保證工程質(zhì)量,提高經(jīng)濟(jì)效益。
(3)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)化為支撐。充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)技術(shù)裝備優(yōu)勢(shì),將國(guó)外技術(shù)國(guó)產(chǎn)化,實(shí)現(xiàn)裝備的自主化制造。
(4)先進(jìn)技術(shù)為抓手。通過(guò)采用先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)操作方便、安全可靠的生產(chǎn)控制,確保生產(chǎn)高效、平穩(wěn)運(yùn)行。
(5)綠色發(fā)展為牽引。以綠色發(fā)展理念為引導(dǎo),采用清潔生產(chǎn)工藝,實(shí)現(xiàn)“三廢”治理的資源化、減量化、無(wú)害化的目的。
(三)成果創(chuàng)建的目標(biāo)方案
氫能全氧燃燒技術(shù)為新型低碳加熱技術(shù),全國(guó)首例低碳加熱爐應(yīng)用實(shí)踐,具備較好推廣價(jià)值,可提升全國(guó)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)水平,促進(jìn)行業(yè)整體節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展。
其目標(biāo)旨在:創(chuàng)新性、經(jīng)濟(jì)性、示范性、推廣性。
其方案為:系統(tǒng)分析:對(duì)目前的現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)診斷,針對(duì)痛點(diǎn)“對(duì)癥下藥”;科學(xué)規(guī)劃:組建氣體供應(yīng)商、爐窯設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與大冶特鋼合作開(kāi)發(fā)的架構(gòu),建立團(tuán)隊(duì);硬件改型:針對(duì)燃燒介質(zhì)變化,對(duì)燒嘴形式,燒嘴布局,煙道設(shè)計(jì)等進(jìn)行全面改型重建,保證設(shè)備先進(jìn)性及可持續(xù)性;軟件升級(jí):程序設(shè)計(jì)“推陳出新”,從火焰控制,燃料配比,安全保護(hù)等方面進(jìn)行完善優(yōu)化,確保操作方便,運(yùn)行可靠;總結(jié)推廣:總結(jié)經(jīng)驗(yàn),形成最佳改善案例,在后續(xù)爐子改造上持續(xù)優(yōu)化。
(四)成果的創(chuàng)新點(diǎn)
1.低碳:氫能全氧燃燒燃燒介質(zhì)由混合煤氣改為焦?fàn)t煤氣,燃料主要成分為H2含量占比60%,煙氣成份以H2O為主,最大限度地減排排CO2。
2.節(jié)能:氫能全氧燃燒技術(shù)促進(jìn)氫能燃料完全燃燒,提高火焰溫度;同時(shí)減少燃燒后的排廢煙氣量,具有優(yōu)越的節(jié)能性。
3.高效:使用REBOX無(wú)焰全氧燃燒燒嘴,火焰長(zhǎng)度達(dá)到2米以上,在高溫情況下,實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒,高密度、高強(qiáng)度燃燒,提升加熱效率。
4.均勻:創(chuàng)新燒嘴角度布局,爐膛雙側(cè)各2只燒嘴,以切線旋流燃燒,高溫?zé)煔庋厍邢蚬?jié)圓在爐膛內(nèi)循環(huán),充分?jǐn)噭?dòng)爐內(nèi)氣氛,提高對(duì)流傳熱效果,爐溫更均勻。
5.精準(zhǔn):氧氣+氫燃料閥組包括各4個(gè)支路控制4個(gè)加熱區(qū)域,閥組包括:過(guò)濾裝置、減壓裝置、阻火、安全切斷裝置、流量計(jì)量及控制裝置等,安全可靠,功能完善,控制精準(zhǔn)。
6.智能:根據(jù)不同溫度段加熱工藝對(duì)升溫速度需求不同,智能切換燒嘴中心氧及環(huán)氧,科學(xué)加熱。
7.安全:設(shè)置智能檢漏功能,點(diǎn)火前檢測(cè)主閥架上快切閥是否泄漏,保證安全可靠。
三、成果的實(shí)施過(guò)程
(一)設(shè)備現(xiàn)狀 系統(tǒng)分析
1.燃料:使用燃料高焦轉(zhuǎn)混合煤氣,燃料熱值低,且主要成分為CO和N2,燃燒生成CO2和NOx,不利于節(jié)能減排。
2.燒嘴布局:燒嘴正對(duì)布置,爐膛內(nèi)燃燒氣氛相向?qū)α?,設(shè)計(jì)落后,爐內(nèi)氣氛流動(dòng)性差,爐溫不均勻。
3.燒嘴類型:采用8套亞高速燒嘴,脈沖火焰燃燒,在有限爐膛空間內(nèi),8個(gè)燒嘴燃燒火焰升溫過(guò)于浪費(fèi),造成了煤氣消耗量的大大增加,升溫不理想。
4.煙道:煙道采用無(wú)縫鋼管內(nèi)襯澆筑料的形式,煙道內(nèi)耐材易脫落,壽命不長(zhǎng),造成煙氣的泄漏等。
5.點(diǎn)火方式:采用時(shí)序脈沖式控制方式,燒嘴不斷啟停,故障率高,不易更換。
6.換熱器:煙道溫度高,摻冷風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng),且由于煤氣換熱器設(shè)計(jì)換熱面積小,縱使煙氣的溫度極高,煤氣的溫度只能預(yù)熱到150℃左右,造成極熱量損失及能源浪費(fèi)。
7.控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單粗放,無(wú)法精準(zhǔn)控制爐溫,造成加熱不均勻和煤氣消耗量大。
(二)項(xiàng)目實(shí)施 科學(xué)規(guī)劃
由世界知名氣體供應(yīng)商技術(shù)支撐(全氧燃燒技術(shù)、燃燒模擬技術(shù)、閥組智能控制),國(guó)內(nèi)一流爐窯公司設(shè)計(jì)制造(爐窯設(shè)計(jì)、資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化),世界一流特鋼企業(yè)工藝實(shí)踐(施工管理、工藝實(shí)踐、成果驗(yàn)證)三方聚焦共同攻關(guān)。
(三)硬件結(jié)構(gòu) 改型重建
1.優(yōu)化燒嘴設(shè)計(jì) 提高升溫速率
設(shè)計(jì)4個(gè)燒嘴布置在爐墻兩側(cè)上部位置,雙側(cè)各2只燒嘴。斜對(duì)角的一對(duì)燒嘴為45°布置,以燃燒火焰帶動(dòng)高溫?zé)煔庠谇邢蚬?jié)圓內(nèi)卷吸著煙氣在爐膛內(nèi)循環(huán)。
2.優(yōu)化煙道設(shè)計(jì) 提高爐溫均勻性
采用下排煙方式在兩側(cè)中部外排,煙氣從上而下貫穿整個(gè)爐膛,高效加熱且煙氣減排明顯。物料沿爐墻四周靠墻斜放,確保物料安放的穩(wěn)固。在保證不影響爐墻強(qiáng)度的情況下在爐墻下部墻內(nèi)形成匯集煙氣火道,集中在側(cè)墻中心外排。
煙道增加抽煙風(fēng)機(jī),加強(qiáng)煙道抽力,使?fàn)t內(nèi)煙氣更好循環(huán)。
3.優(yōu)化閥組設(shè)計(jì) 控制安全便捷
每個(gè)燒嘴配備流量調(diào)節(jié)閥,實(shí)現(xiàn)火焰精準(zhǔn)控制;每個(gè)燒嘴配備切斷閥,
實(shí)現(xiàn)單燒嘴的切斷控制;優(yōu)化管道管徑,管路清晰,維護(hù)方便。
(四)控制系統(tǒng) 升級(jí)完善
1.氧燃比控制
每個(gè)燒嘴具備單獨(dú)的氧燃比控制功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)燒嘴的氫氧精準(zhǔn)控制。
2.火焰自動(dòng)切換
低溫和超溫時(shí)四個(gè)燒嘴可以自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉;保溫時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉部分燒嘴,節(jié)約能源。
3.數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)
閥門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)、流量、壓力、溫度的數(shù)據(jù)統(tǒng)一呈現(xiàn),快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題根源。
4.智能檢漏
智能檢漏功能,檢測(cè)主閥架上快切閥是否泄漏,保證安全可靠。
5.智能投料
通過(guò)提前在系統(tǒng)中儲(chǔ)存的鋼錠加熱曲線,實(shí)現(xiàn)不同鋼錠的一鍵快速投料。
6.報(bào)警快速查詢
操作臺(tái)設(shè)聲光報(bào)警,可以快速查看報(bào)警詳細(xì)信息,快速處理故障。
四、成果取得的效益
(一)推進(jìn)了生產(chǎn)效益持續(xù)提升
1.溫度更均勻
爐溫均勻性由±40℃提升至±28℃。改常規(guī)燃燒為無(wú)焰燃燒系統(tǒng),采用高速卷吸燃燒方式,促進(jìn)煙氣的循環(huán)量,減少上下面的溫差。同時(shí)由于取消了換熱器以及蓄熱體,爐壓更易管控,綜合因素促使其爐溫均勻性更優(yōu)。
2.生產(chǎn)效能更高
生產(chǎn)效能提升20%以上。富氫燃料全氧燃燒后,火焰的形狀及成分與常規(guī)燃燒不同,輻射能力更強(qiáng),熱量密度更大,傳熱效率更高。其效能主要從兩個(gè)方面體現(xiàn):1.輻射系數(shù)增加約20%;2.高溫火焰區(qū)域增加約30%;3.氧化損失更少。
降低氧化燒損0.15% 。富氫全氧燃燒,實(shí)現(xiàn)氧氣和燃?xì)獾木_管控,對(duì)氧氣的流量自動(dòng)調(diào)控,采用精確燃燒控制方法。同時(shí)富氫燃燒在全氧氣的燃燒工況下,其燃燒速率更快,從而實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)高效快速燃燒,減少殘氧的滯留。
(二)推動(dòng)了綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展
1.更節(jié)能
節(jié)能率:20%以上。富氫燃料全氧燃燒提高區(qū)域輻射系數(shù),煙氣帶走熱量減少,提高加熱爐熱效率,降低噸鋼燃料消耗。
2.更降碳
綜合降碳>80%。
源頭降碳,氫基燃料取代碳基燃料。
過(guò)程降碳。
末端降碳。
3.更低氮
NOx總量降低>15%。富氫全氧燃燒技術(shù)屬于低氮燃燒技術(shù),火焰由明火升級(jí)為無(wú)焰燃燒,中心火焰減弱,從基礎(chǔ)上降低NOx的生成量。
(三)成果實(shí)施的效果
1、創(chuàng)新性:采用最先進(jìn)的氫能燃燒技術(shù),達(dá)到四個(gè)目標(biāo):降碳、節(jié)能、提產(chǎn)、環(huán)保。
2、經(jīng)濟(jì)性:
增產(chǎn)效益:496.8萬(wàn)元。
節(jié)能效益:63.36萬(wàn)元。
減碳效益:133.34萬(wàn)元。
合計(jì)年創(chuàng)效益:693.5萬(wàn)元。
3、示范性: 實(shí)現(xiàn)碳排放降低80%、能耗節(jié)能20%、降低氧化燒損0.15%、NOx排放濃度降低15%。
4、推廣性:全國(guó)首例低碳加熱爐應(yīng)用實(shí)踐,具備較好推廣價(jià)值,可提升全國(guó)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)水平,促進(jìn)行業(yè)整體節(jié)能減排的發(fā)展。
(四)成果產(chǎn)生的 經(jīng)濟(jì)效益
1.年增產(chǎn)效益
13#爐9月26日至10月25日全月產(chǎn)量1332噸,達(dá)到月產(chǎn)量由1000噸提升20%(200噸)的立項(xiàng)目標(biāo);14#爐9月26日至10月25日全月產(chǎn)量1326.5噸,達(dá)到月產(chǎn)量由1000噸提升20%(200噸)的立項(xiàng)目標(biāo)。以此類推兩臺(tái)爐子可實(shí)現(xiàn)年增量7200噸(按月增量600噸算)。
創(chuàng)效:7200噸*690元/噸=496.8萬(wàn)元
按噸鋼利潤(rùn)690元/噸測(cè)算
2.節(jié)能效益
13#爐焦?fàn)t煤氣單耗96.52m3/t,氧氣單耗86.03m3/t,噸鋼燃料消耗96.52*0.75+86.03*0.5=115.4元;14#爐焦?fàn)t煤氣單耗102m3/t,氧氣單耗91m3/t,噸鋼燃料消耗102*0.75+91*0.5=122元;改造前兩爐噸鋼燃料消耗450*0.32=144元;改造后兩爐噸鋼燃料消耗比改造前降低22元以上。
年創(chuàng)效:22元/噸*1.44萬(wàn)噸*2=63.36萬(wàn)元
3. 社會(huì)、生態(tài)效益——降碳效益
改造前噸鋼碳排放450*52.89*0.0625*0.99*44/12/10000*1000=540kg
改造后噸鋼碳排102*60/10000*173.54*0.0121*99/100*44/12/60*1000=77kg
噸鋼降碳540-77=463kg,效益463/1000*100=46.3元(按照碳稅100元/噸碳),
降碳年創(chuàng)效46.3元/噸*1.44萬(wàn)噸*2=133.34萬(wàn)元
4. 合計(jì)年創(chuàng)效
496.8+63.36+133.34=693.5萬(wàn)元
(五)成果產(chǎn)生的社會(huì)效益
6月25日,中信泰富特鋼低碳項(xiàng)目發(fā)布暨特鋼技術(shù)降碳方案研討會(huì)在大冶特鋼召開(kāi),重點(diǎn)用戶對(duì)與公司的戰(zhàn)略合作充滿信心。大冶特鋼將堅(jiān)定不移走好綠色低碳發(fā)展道路,始終圍繞‘綠色制造 制造綠色’低碳發(fā)展綱領(lǐng),在技術(shù)研究的道路上不斷探索,在降本降碳工作上持續(xù)發(fā)力,在綠色精品特鋼升級(jí)項(xiàng)目上加大投入,以綠色的工藝、綠色的制造,生產(chǎn)出綠色的產(chǎn)品,為用戶創(chuàng)造價(jià)值。
(六)榮譽(yù)展示
(1)2023年榮獲“鋼鐵綠色發(fā)展標(biāo)桿企業(yè)”稱號(hào)。
(2)2023年榮獲“雙碳最佳實(shí)踐能效標(biāo)桿示范廠培育企業(yè)”稱號(hào)。
(3)2023年獲碳信息披露項(xiàng)目(Carbon Disclosure Project,簡(jiǎn)稱CDP)評(píng)級(jí)B級(jí)。
(4)榮獲國(guó)家節(jié)能中心頒發(fā)的“中國(guó)能效之星四星級(jí)企業(yè)”稱號(hào)(特鋼行業(yè)唯一一家獲此殊榮的鋼鐵企業(yè))。