智能控制在钢铁工业的煤气发电过程中的应用创新

摘要：近年来，我国的钢铁行业有了很大进展，钢铁是国民经济的重要基础产业，随着“双碳”环保的理念提出，钢铁企业的煤气发电愈发受到重视。本文就智能控制在钢铁工业的煤气发电过程中的应用创新进行研究，对未来煤气发电技术的发展方向做了展望。

关键词：智能控制；钢铁工业；煤气发电

引言

钢铁企业对于剩余煤气的主要处理方式包括直接排放、二次燃烧后排放、用作化工产品的原材料、出售给附近企业单位和居民用户来使用、利用煤气发电技术进行电力生产等方法。根据中国钢铁工业协会统计，剩余煤气利用率已超过98%，其中高炉煤气已基本实现“零放散”。其中，经处理后的高炉煤气是优质、高效、清洁的燃料，富余的煤气用于发电是合理利用剩余煤气的有效方式之一。

1煤气锅炉发电原理

首先收集钢铁生产过程中产生的副产煤气，这些煤气可能含有不同成分，如氢气、一氧化碳、甲烷等，经过净化后的煤气与空气在锅炉的燃烧室内混合并燃烧，产生高温高压的热能。锅炉内的热交换器（如水管或烟管）将煤气燃烧产生的热量传递给水，使水加热并产生蒸汽。蒸汽的温度和压力取决于锅炉的设计和发电系统的要求。有高温超高压锅炉、亚临界锅炉、超临界锅炉等。产生的蒸汽被送入汽轮机，推动汽轮机的叶片旋转，从而驱动与汽轮机同轴的发电机产生电能。

2煤气发电锅炉的生产现状

某钢厂煤气发电锅炉为江联重工生产的单锅筒、高温超高压、一次再热、自然循环煤气锅炉，额定蒸发量为260t/h，过热蒸汽压力为13.7MPa，设计燃料为高炉煤气、转炉煤气及焦炉煤气，锅炉炉膛内煤气燃烧生成高温烟气与液态脱硝剂混合后，依次经高温过热器、高温再热器、蒸发管屏、低温再热器、旁路省煤器、主省煤器、空气预热器、冷凝水加热器，由引风机将低温烟气送入脱硝固定床进一步脱硝后，再通过烟囱排入大气中。该锅炉脱硝方式为非选择性催化脱硝（SNCR）和固定床脱硝，SNCR为炉膛内直喷液态脱硝剂，固定床脱硝为固态脱硝剂，两者综合脱硝效率处于70.0%～75.0%之间，煤气燃烧后的烟气中氮氧化物质量浓度为80.0～140.0mg/m3，超低排放标准为50mg/m3，勉强符合超低排放标准。但煤气氮氧化物含量稍有波动，煤气发电需降负荷运行，造成工况波动频繁，降低能源利用效率，应急响应期间需长期最低负荷运行甚至停机。为达到氮氧化物的排放标准，液态脱硝剂用量均值为11.3t/d，特殊响应期间用量达到35.0t/d，超过设计用量，过量喷入液态脱硝剂造成锅炉各换热部件的堵塞，主省煤器、空气预热器等产生较大阻力，引风机出力增大，增加电量损耗。固态脱硝剂约3年更换一次新药，每次更换约1200t，发电量的综合环保运行成本约0.028元。脱硝工艺运行成本高限制了发电机组装备效能的发挥，迫切需要进行技术升级和设备改造。

3智能控制在钢铁工业的煤气发电过程中的应用创新

3.1通过数据收集和分析

智能控制系统可以实时监测煤气发电设备的运行状态和性能参数。各种传感器和监测设备持续地收集关于温度、压力、流量、振动等方面的数据。这些数据通过连接到中央控制系统的网络传输，运营人员可以在监控室或远程工作站获取实时信息。例如，如果某个关键参数突然偏离正常范围，系统将立即发出警报，运营人员可以及时采取措施，防止设备进一步受损或导致生产中断。这种实时监测和预警系统大大提高了设备的可靠性和安全性。

3.2管道内壁除锈机器人技术

该技术为了提高工地施工人员施工效率，设计将机器人除锈技术初步应用到项目管道除锈中，该装置由机体以及设置于机体上的除锈机构、除尘机构、喷漆机构和行走机构等部件构成，将机器人与除锈喷涂设备相结合，通过电气控制系统控制，解决了小口径管道内壁除锈困难的窘境，改善了工人作业环境，同时提高工作效率和工作质量，用以解决建筑行业初步清洁过程中的技术难题，减轻工人的劳动强度，提高产品质量和劳动生产率，为企业创造良好的经济效益。

3.3煤气发电锅炉改造的技术方案

改造方案取消原锅炉的SNCR脱硝工艺，改造为高效且经济的选择性催化脱硝工艺（SCR），同时保留原有脱硝固定床设施。因SCR脱硝化学反应需在280～420℃的温度范围内进行，对比锅炉各段烟气温度后，烟风挡板与主省煤器间烟气温度满足工艺需求。因锅炉主省煤器与烟风挡板间距离不满足SCR脱硝装置布置需求，因此本方案中对锅炉本体系统、烟道及引风机系统进行改造，将SCR装置布置在炉外，将主省煤气外移至SCR脱硝装置底部，高温烟气通过管道引出，经喷氨装置与氨气混合后进入到SCR脱硝装置内进行脱硝，过主省煤器经管道回流至原省煤器位置，脱硝烟气经过空气预热器后进入冷凝水加热器，再由引风机将低温烟气送入脱硝固定床进一步脱硝后，再通过烟囱排入大气中。喷氨系统由喷氨装置、氨水蒸发器以及稀释风机组成，稀释风机将部分脱硝引出的高温烟气抽出至氨水蒸发器，高温烟气将氨水混合气化后送入喷氨装置，喷氨装置内设有喷氨格栅，可充分与烟气混合。

3.4管道内壁除锈机器人技术

该技术为了提高工地施工人员施工效率，设计将机器人除锈技术初步应用到项目管道除锈中，该装置由机体以及设置于机体上的除锈机构、除尘机构、喷漆机构和行走机构等部件构成，将机器人与除锈喷涂设备相结合，通过电气控制系统控制，解决了小口径管道内壁除锈困难的窘境，改善了工人作业环境，同时提高工作效率和工作质量，用以解决建筑行业初步清洁过程中的技术难题，减轻工人的劳动强度，提高产品质量和劳动生产率，为企业创造良好的经济效益。

3.5亚临界超高温发电技术

这一类煤气发电机组与上一代煤气发电机组有类似的设备配置及操作流程，最大的区别在于为了适应主蒸汽参数的提高，对锅炉及汽轮机的结构做出了较大的调整；另外配套的给水泵、除氧器、高压加热系统、凝结水泵等辅助设备也需要进行高参数的设计改进。亚临界超高温的再热发电机组综合热效率较高，目前已经达到了40%～42%，其主要应用于60～150MW的机组。。该系统包括煤气锅炉，发电机组。亚临界超高温的煤气发电系统可充分利用低热值的富余煤气来进行发电，可降低企业综合能耗和生产成本并实现企业资源优化配置，增加企业的市场竞争能力和经济效益。

3.6负荷智能分配提升能源利用效率

在钢铁企业中，往往有多台煤气发电机组同时运行，且不同机组的性能和效率存在差异。负荷智能分配系统能够根据各机组的实时运行状态、发电效率以及当前的负荷需求，合理分配发电任务。通过建立机组发电效率模型和负荷分配优化模型，利用优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，在满足电网负荷需求的前提下，使总的发电能耗最小。例如，当企业用电负荷增加时，负荷智能分配系统优先将负荷分配给发电效率高的机组，当这些机组达到满负荷运行后，再逐步分配给其他机组，从而实现整个发电系统能源利用效率的最大化，降低能源浪费。

结语

综上所述，煤气发电系统能够实时感知生产过程中的各种参数变化，自动调整控制策略，实现燃烧过程的优化、机组运行的稳定以及能源利用效率的最大化，对钢铁工业的绿色可持续发展具有深远意义。在发电机组配置方面，形成高、中、低参数配置优势，构建高参数机组稳定生产兼具低参数机组灵活调峰的生产模式，从根本上解决高炉投产后因各产线非停、检修以及由此引发的环保和能源等问题。

参考文献

［1］王明月，张永杰，陈国军.钢铁能源效率提升技术方向及潜力分析［J］.钢铁，2024，59（09）：215-225.

［2］许杨杨，尹朝强，刘宇钢，等.超超临界煤气锅炉发电技术研究[J].冶金能源，2023，42（1）：45-48.

［3］陈 伟，周良旭，田 朝，等.钢铁行业煤气发电机组效率提升技术研究与应用［J］.冶金动力，2024（2）：9-13.