作者:张晶晶 王思佳 来源: 中国科学报 发布时间:2019-3-25
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单段式橡胶膜煤气柜的创新之路

 

■本报记者 张晶晶 通讯员 王思佳

单段柜在介质和环境适用性、运行稳定性、安全性和经济性等方面远远优于稀油密封型煤气柜、两段式橡胶膜密封型煤气柜,已成为煤气柜中毫无疑问的佼佼者。

煤气是冶金行业重要的二次能源,充分地回收以及高效地利用煤气资源是企业“节能减排、降本增效”的重要手段,对企业的可持续性发展意义重大。由于生产过程中煤气的成分、发热量、流量均处于不稳定的动态变化,因此需要煤气柜这颗“心脏”来调节。

这颗“心脏”的作用主要有两个:一是储存煤气,通过快速吞、吐煤气,调节瞬时煤气波动,“削峰填谷”,实现“零”放散;二是稳定煤气管网压力,提高煤气利用效率。因此,煤气柜对企业能源系统的平衡和调节有至关重要作用。

中冶华天工业环境能源分公司副总经理、总工程师徐华祥告诉《中国科学报》,煤气柜可分为湿式煤气柜和干式煤气柜,其中由于湿式煤气柜的污水排放量大,目前国内外应用最广泛的煤气柜为干式煤气柜。

干式煤气柜包括稀油密封型煤气柜、两段式橡胶膜密封型煤气柜和单段式橡胶膜密封型煤气柜(简称单段柜),单段柜在介质和环境适用性、运行稳定性、安全性和经济性等方面远远优于前两者,已成为煤气柜中的佼佼者。

2016年以前,国内单段柜的最大柜容为10×104m3,最大储气压力为8kPa,最快运行速度为4m/min。随着钢铁行业对绿色冶金理念的倡导以及对节能减排的重视,各企业在煤气资源的高效回收利用方面不断加码,单段柜亟待进一步提高柜容、储气压力、活塞运行速度,实现单段柜的大型化、高压化和高速化。

30年前,中冶华天已经开始了干式煤气柜的设计、研发和建设,领跑了煤气柜几代产品的更迭与突破,为单段柜向大型化、高压化、高速化和经济化发展付出了不懈的努力。

“大型高压高速单段式橡胶膜煤气柜关键技术研发与应用”开始于2015年,中冶华天联合安徽工业大学和罗源钢铁集团组建了产、学、研相结合的研发团队。实现单段柜的大型化绝非易事,徐华祥解释说,为了保证活塞在运行过程中的稳定性,必须进行合理的结构设计,而国外的大型柜容均采用厚壁侧板,钢材耗量很大,显然不经济。

从零开始的创新路自此开始。在理论层面,中冶华天与安徽工业大学紧密合作,依托流场仿真模拟技术,首次创建了单段式橡胶膜煤气柜的流场模型,分别研究了多种因素对煤气柜内部流场的影响。同时,还创新性地采用有限体积法线性离散模型方程和有限元力学软件模拟计算了大型高压高速单段式橡胶膜煤气柜受力情况,分析了大型高压高速单段式橡胶膜煤气柜关键装置的受力情况,建立了煤气柜结构设计校核和优化的方法,为新型煤气柜工程化提供了理论依据。

在设计研发上,研究团队基于理论研究做了一系列的创新工作,包括首创了“门”型活塞围栏、隔离缓冲式活塞垫梁、连接式波形板和防腐平面柜底多项集成的煤气柜结构设计,解决了大型高压煤气柜在高速运行过程的稳定性、安全性问题,为实现大型单段式橡胶膜煤气柜储气压力及活塞速度之最做好支撑。

在工程应用上,基于煤气柜的流场和力学模拟计算和校验,首次采用了薄壁立柱式柜体,显著增强柜体稳定性的同时锐减了大型高压高速橡胶膜煤气柜的建设成本,实现了经济型单段式橡胶膜煤气柜的产业化应用。

罗源闽光钢铁煤气柜项目负责人、中冶华天工业环境能源分公司研发人员龙志峰告诉《中国科学报》,2016年罗源闽光钢铁公司建成投产了12×104m3高炉煤气柜,这是当时国内储气容量最大、储气压力最高、活塞速度最快的单段式煤气柜,该单段柜拓展了煤气柜的适用性,同柜容单段式橡胶膜柜较的两段式橡胶膜密封型煤气柜工程量减少约10%,施工工期可减少约20天。面对国外厂商的竞争,龙志峰充满自信,自主研发的单段柜全部国产化,投资比国外厚壁型橡胶膜煤气柜降低总投资更是降低了30%以上。

据介绍,今年4月,16.5×104m3高炉单段柜将在长江钢铁投产,届时将再次刷新国内外单段式煤气柜储气容积和设计压力的最高纪录。

在生态效益方面,徐华祥介绍说,在2014—2016年建设的6个项目中,单段柜节能减排成绩斐然,每年共计减少的放散煤气可发电6.53×109kW·h,减少排放二氧化硫156吨、氮氧化物116吨、一氧化碳525吨、烟尘12.5吨、一般性粉尘1072吨。其中,福建罗源闽光钢铁高炉煤气柜每年减少的放散煤气可发电1.173×109kW·h,减少排放二氧化硫28吨、氮氧化物17.7吨、一氧化碳87.3吨、烟尘2.0吨、一般性粉尘177.6吨,具有显著的经济、社会和环保效益。

随着国民经济总量的不断攀升,煤气柜市场前景非常广阔,目前已有约20亿~50亿元的市值,且以每年10%的速度激增,大型高压高速单段式橡胶膜煤气柜技术的完备将带动煤气回收设计、生产和销售市场,成为新的经济增长点。

《中国科学报》 (2019-03-25 第7版 能源化工)
 
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