轉(zhuǎn)爐煤氣回收氧含量超標(biāo)原因分析及控制措施

張靜偉，俞 波，吳義強(qiáng)

（武鋼有限條材廠一煉鋼分廠，湖北武漢 430083）

引言

轉(zhuǎn)爐在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生大量的高溫氣體，其中包括CO、CO2、N2等，CO含量可達(dá)到80%以上。轉(zhuǎn)爐煤氣是在煉鋼工藝中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，具有高溫、易燃易爆、有毒的物理特征。同時(shí)還具有潛熱、顯熱等大量能量，具有較高的再利用價(jià)值。轉(zhuǎn)爐煤氣回收占整個(gè)轉(zhuǎn)爐工序能源回收部分的80%～90%，是降低工序能耗，實(shí)現(xiàn)負(fù)能煉鋼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

一煉鋼分廠1998年實(shí)施“平改轉(zhuǎn)”工程，建成2座100 t轉(zhuǎn)爐，后擴(kuò)容至120 t。轉(zhuǎn)爐煤氣回收采用2套獨(dú)立的OG系統(tǒng)。多年來(lái)，一煉鋼分廠通過(guò)局部設(shè)備的改造和操作方法的優(yōu)化，噸鋼煤氣回收量不斷提高。但是煤氣柜柜前管道氧含量超標(biāo)（氧含量大于2%）現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，頻繁時(shí)出現(xiàn)一天2次超標(biāo)。氧含量超標(biāo)極可能引發(fā)煤氣爆炸，造成重大安全隱患；同時(shí)柜前煤氣管道放散進(jìn)行氮?dú)獯祾吆?，影響后續(xù)爐次的煤氣回收，會(huì)浪費(fèi)資源。

1 工藝簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)爐冶煉產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)汽化煙道初步降溫冷卻至1000℃左右，先后經(jīng)過(guò)一級(jí)文氏管、重力脫水器、二級(jí)文氏管、彎頭脫水器、濕旋脫水器等設(shè)備進(jìn)行滅火、降溫、粗除塵、精除塵的過(guò)程。經(jīng)OG系統(tǒng)處理后的煙氣溫度低于65℃，同時(shí)會(huì)將煙氣中CO含量大于35%的煤氣經(jīng)三通閥回收至5萬(wàn)m3煤氣柜進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)或轉(zhuǎn)存，而未達(dá)到回收條件的煤氣則由點(diǎn)火放散塔燃燒后排入大氣。

2 柜前管道氧含量超標(biāo)現(xiàn)象

柜前管道氧含量超標(biāo)現(xiàn)象一般有兩種情況：

（1）在轉(zhuǎn)爐吹煉中期因雙渣工藝或氧槍故障提槍后再次下槍吹煉時(shí)，此時(shí)回收的煤氣風(fēng)機(jī)房分析儀顯示一氧化碳含量和氧含量均在回收范圍之內(nèi)，但柜前管道分析儀顯示氧含量超標(biāo)。

（2）在回收末期煤氣時(shí),風(fēng)機(jī)房分析儀顯示正常，但柜前管道分析儀顯示氧含量超標(biāo)。

3 原因分析

3.1 分析儀滯后

風(fēng)機(jī)房采用的分析儀是紅外分析儀系統(tǒng)，是由采樣單元、預(yù)處理單元、分析單元組成。煙氣經(jīng)過(guò)取樣探頭取樣→20 m左右的取樣管路輸送→抽氣泵一冷凝降溫→二級(jí)過(guò)濾等環(huán)節(jié)，變?yōu)楦稍锏倪m合于主機(jī)傳感器分析的樣氣。在分析儀無(wú)任何故障的情況下，從采樣到分析出結(jié)果需25 s。如遇取樣探頭積灰、流量計(jì)流量低、過(guò)濾器積灰等故障時(shí)，分析儀滯后時(shí)間可高達(dá)55 s。

圖1 工藝流程示意圖

在煤氣回收過(guò)程中，煤氣成分在25～50 s后才可顯示。三通閥開合時(shí)，從回收位倒至放散位需15 s。當(dāng)轉(zhuǎn)爐因雙渣工藝或氧槍故障提槍時(shí)，三通閥到放散位置；再下槍時(shí)，回收截至所持續(xù)的時(shí)間不到1 min，由于分析儀的分析滯后，此時(shí)分析儀顯示的CO和O2含量為氧槍提槍時(shí)的含量：CO＞35%且O2＜1.5%，其在允許回收范圍內(nèi)。但真實(shí)的煤氣成分卻不合格，此時(shí)會(huì)發(fā)生回收的煤氣氧含量超標(biāo)嚴(yán)重。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹煉至末期時(shí)，碳氧反應(yīng)逐漸減弱，此時(shí)分析儀顯示的CO和O2含量為25～50 s之前的成分，再加上三通閥動(dòng)作時(shí)間，那么煤氣回收必須在不合格煤氣成分顯示在40～65 s之前倒至放散位置，否則氧含量超標(biāo)的煤氣就會(huì)進(jìn)入柜前管道。但在實(shí)際操作過(guò)程中，不合格的煤氣何時(shí)出現(xiàn)無(wú)法提前判斷，勢(shì)必造成冶煉末期出現(xiàn)氧含量超標(biāo)現(xiàn)象。

3.2 爐口微差壓誤差大

微差壓系統(tǒng)示意圖如圖2所示。轉(zhuǎn)爐固定煙道上設(shè)置有4個(gè)微差壓取樣孔，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)煙道內(nèi)的煙氣壓力與大氣壓力進(jìn)行對(duì)比，再經(jīng)差壓變送器實(shí)時(shí)傳遞至操作畫面，通過(guò)參數(shù)設(shè)定對(duì)RD閥進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程產(chǎn)生的高溫鋼渣堵塞取樣孔時(shí)，一般情況下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)清理：轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束，微差壓通吹閥開啟，捅針對(duì)取樣口進(jìn)行3 min的清理。但由于冶金渣溫度高，捅針容易被燒毀或卡死，導(dǎo)致取樣孔堵塞，從而使微差壓數(shù)值存在嚴(yán)重失真，最終造成RD閥的開度失控。尤其是在轉(zhuǎn)爐吹煉末期，鋼液含碳量少，碳氧反應(yīng)弱，當(dāng)RD閥未及時(shí)調(diào)小開口度時(shí)，會(huì)抽進(jìn)大量空氣導(dǎo)致氧含量超標(biāo)。

圖2 微差壓系統(tǒng)

4 氧含量超標(biāo)控制措施

4.1 增加煤氣回收的聯(lián)鎖條件

針對(duì)煤氣回收中期出現(xiàn)的氧含量超標(biāo)現(xiàn)象，在考慮分析儀存在固有滯后時(shí)間和其他故障時(shí)間的情況下，我們?cè)黾恿斯潭?lián)鎖條件：轉(zhuǎn)爐氧槍下槍吹煉2 min后才允許進(jìn)行煤氣回收。增加氧槍吹煉2 min與煤氣回收系統(tǒng)的聯(lián)鎖后，煤氣回收中期出現(xiàn)氧含量超標(biāo)的現(xiàn)象得以杜絕。

針對(duì)煤氣回收尾期出現(xiàn)的氧含量超標(biāo)現(xiàn)象，在參考其他鋼廠模型煉鋼的回收時(shí)間的情況下，增加了吹煉末期的聯(lián)鎖條件：轉(zhuǎn)爐吹煉至780 s，三通閥從回收位動(dòng)作至放散位。增加轉(zhuǎn)爐吹煉780 s聯(lián)鎖后，煤氣回收尾期氧含量超標(biāo)現(xiàn)象得到大幅改善：由改造前的氧含量超標(biāo)4～5次/天降至1次/天。

4.2 微差壓系統(tǒng)改造

將微差壓取樣孔的位置提高，減少取樣孔堵塞的幾率。同時(shí)對(duì)捅吹系統(tǒng)進(jìn)行改造，取消捅針系統(tǒng)，采用高壓氮?dú)膺M(jìn)行反吹，如圖3所示。轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，氣動(dòng)閥1開啟，氣動(dòng)閥2關(guān)閉，煙氣從取樣口進(jìn)入差壓變送器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)微差壓；當(dāng)轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉氣動(dòng)閥1，打開氣動(dòng)閥2，并對(duì)取樣孔進(jìn)行3 min吹掃；吹掃結(jié)束后，關(guān)閉氣動(dòng)閥2，打開氣動(dòng)閥3，對(duì)管道內(nèi)氮?dú)庑箟?，防止損壞差壓變送器；泄壓5 s后，關(guān)閉氣動(dòng)閥3，打開氣動(dòng)閥1，恢復(fù)微差壓正常檢測(cè)。取樣管道增加一臺(tái)電子壓力表，當(dāng)管道內(nèi)壓力大于報(bào)警值時(shí)，放散閥自動(dòng)開啟泄壓，同時(shí)判斷取樣孔是否堵塞。整個(gè)吹掃過(guò)程控制由PLC程序自動(dòng)調(diào)節(jié)。4個(gè)取樣孔位置增加4個(gè)手動(dòng)球閥，當(dāng)取樣孔堵塞嚴(yán)重時(shí)，亦可在轉(zhuǎn)爐吹煉間歇時(shí)手動(dòng)疏通。經(jīng)過(guò)這一系列的改造，微差壓系統(tǒng)恢復(fù)正常檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)RD閥的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)控制。在轉(zhuǎn)爐吹煉末期碳氧反應(yīng)減弱時(shí)，RD閥根據(jù)微差壓反饋值自動(dòng)關(guān)小，減少了煤氣回收尾期氧含量超標(biāo)的幾率。

圖3 微差壓系統(tǒng)改造示意圖

4.3 轉(zhuǎn)爐工藝優(yōu)化

經(jīng)過(guò)增加煤氣回收的聯(lián)鎖條件和微差壓系統(tǒng)改造，煤氣回收過(guò)程氧含量超標(biāo)的現(xiàn)象大大減少，但仍未完全杜絕。在對(duì)氧含量超標(biāo)的爐次分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵水裝入量少、含碳量低或有回爐鋼時(shí)，即使轉(zhuǎn)爐吹煉未到780 s，碳氧反應(yīng)也已經(jīng)變得微弱。此種情況下，即使將聯(lián)鎖條件改為吹煉750 s即停止煤氣回收，但仍會(huì)出現(xiàn)氧含量超標(biāo)的現(xiàn)象，依然不能規(guī)避鋼廠的安全風(fēng)險(xiǎn)。在OG系統(tǒng)操作無(wú)法避免出現(xiàn)氧含量超標(biāo)的情況下，我們采取優(yōu)化轉(zhuǎn)爐操作，即采取一倒留碳的工藝方法。對(duì)于鐵水裝入量少、含碳量低或有回爐鋼的情況，轉(zhuǎn)爐采取一倒保碳的操作方法：轉(zhuǎn)爐冶煉前期快速化渣穩(wěn)定控制溫度—中期快速升溫減弱氧化性保碳，確保一倒時(shí)鋼液中存在一定的碳含量：[C]≥0.4%。如此，可有效保證煤氣回收尾期鋼液中有充足的碳氧反應(yīng)。當(dāng)煤氣回收截止時(shí)，實(shí)際煤氣成分中有充足的CO，有效控制氧高。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐工藝優(yōu)化后，煤氣回收尾期氧含量超標(biāo)現(xiàn)象未再發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

一煉鋼分廠在增加煤氣回收聯(lián)鎖條件、改造微差壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)爐工藝優(yōu)化后,使轉(zhuǎn)爐煤氣回收發(fā)生氧含量超標(biāo)的現(xiàn)象得到了有效控制,由改造前的2次/天降至0次/月，基本杜絕了氧含量超標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生，守住了鋼廠的安全底線。

不同鋼廠的轉(zhuǎn)爐和煤氣回收工藝不盡相同，有模型煉鋼的，有副槍操作的，有采用激光分析儀的，或風(fēng)機(jī)移至煤氣柜管線的等等，其不存在氧含量超標(biāo)現(xiàn)象。但氧含量超標(biāo)現(xiàn)象在某些鋼廠也有發(fā)生，其主要原因也多樣：有三通閥動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、卡阻，負(fù)壓管道部分漏氣等。一煉鋼分廠氧含量超標(biāo)控制措施對(duì)存在氧含量超標(biāo)的鋼廠在煤氣回收控制氧含量方面提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。