歐冶爐煤氣管網(wǎng)及放散系統(tǒng)安全運(yùn)行分析

田果，王彤佶，王忠

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

1 前言

歐冶爐煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種凈化系統(tǒng)，頂煤氣流量達(dá)到80%～95%的煤氣經(jīng)過重力除塵布袋除塵后與20%～5%的水洗煤氣混合后，進(jìn)入TRT余壓發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)過TRT后降壓至管網(wǎng)壓力～15kPa，TRT入口煤氣溫度達(dá)到～180℃，經(jīng)能量轉(zhuǎn)化為電能，TRT出口溫度在～80℃，歐冶爐輸出煤氣管網(wǎng)與歐冶爐工藝安全使用同一套煤氣安全放散燃燒設(shè)施即凈煤氣放散塔。

歐冶爐系統(tǒng)內(nèi)部煤氣管道設(shè)置半凈煤氣放散裝置一套，在歐冶爐生產(chǎn)狀態(tài)處于切出使用狀態(tài)。半凈煤氣放散塔主要放散豎爐經(jīng)過重力除塵器除塵后的頂煤氣，裝置設(shè)計(jì)高度65m。2015年開爐期間，首次進(jìn)行頂煤氣的放散，是半凈煤氣放散塔唯一次放散，該安全放散燃燒時伴隨大量粉塵外溢嚴(yán)重影響環(huán)境，同時由于火頭高，目測達(dá)到30m，火焰受大風(fēng)影響劇烈擺動下壓。目前僅作為應(yīng)急裝置使用。

凈煤氣放散塔肩負(fù)著歐冶爐緊急休風(fēng)的煤氣泄放燃燒功能，同時肩負(fù)煤氣管網(wǎng)壓力平衡調(diào)控煤氣泄放燃燒功能兩個大任務(wù)。歐冶爐煤氣管網(wǎng)安全運(yùn)行與歐冶煤氣品質(zhì)密切相關(guān)，設(shè)備設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行是確保煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的保障，設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行也受到煤氣品質(zhì)的影響。針對歐冶爐煤氣管網(wǎng)及放散系統(tǒng)運(yùn)行過程中的安全保障措施進(jìn)行分析。

2 歐冶爐煤氣工藝流程及安全運(yùn)行措施

2.1 歐冶爐煤氣工藝流程

歐冶爐兩路煤氣混合后的輸出工藝控制，頂煤氣通過干法布袋后的調(diào)節(jié)閥組控制調(diào)節(jié)壓力流量，頂煤氣流量占總輸出煤氣的約95%。過剩煤氣量主要是通過過剩大小錐的環(huán)縫大小調(diào)節(jié)壓力流量，過剩煤氣占總煤氣量5%～10%。實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)頂煤氣系統(tǒng)經(jīng)過重力除塵及煤氣管道后降溫到達(dá)50～70℃。煤氣的工藝流程見圖1。

圖1 歐冶爐區(qū)域煤氣工藝流程圖

歐冶爐頂煤氣生產(chǎn)時的溫度在200～260℃，異常狀況短時間達(dá)到350℃。過剩煤氣由于是水洗煤氣，煤氣的溫度平均在40～60℃。水洗煤氣與干法布袋凈化后煤氣混合，混合煤氣進(jìn)入TRT設(shè)備進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，出口煤氣管道的直徑DN2800，低壓低溫的煤氣進(jìn)入DN3600的煤氣管網(wǎng)。

由工業(yè)分析可知高爐煤氣CO平均含量24.54%；轉(zhuǎn)爐煤氣CO平均含量56.57%；歐冶爐煤氣1 Nm3等同于3 Nm3高爐煤氣，歐冶爐煤氣熱值是高爐煤氣熱值的近3倍，即相當(dāng)于3.6座2500 m3高爐產(chǎn)煤氣量。歐冶爐輸出煤氣熱值平均達(dá)到9500kJ/Nm3，約是高爐煤氣熱值的3倍。歐冶爐煤氣中CO含量50%～70%，歐冶爐煤氣符合冶金煤氣特性，即無色、無味、易燃、易爆、有劇毒。主要可燃成分為CO、少量氫氣等，在空氣中的爆炸范圍7.47%～44.37%。

歐冶爐凈煤氣放散塔裝置設(shè)計(jì)高度75m，三電成套設(shè)備，采用焦?fàn)t煤氣穩(wěn)燃燒長明燈三盞（歐冶爐送氧生產(chǎn)、休風(fēng)安全連鎖），遠(yuǎn)程控制監(jiān)控及高壓電纜點(diǎn)火裝置三套，溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)判定煤氣燃燒情況；設(shè)計(jì)流量200000Nm3/h；設(shè)計(jì)溫度350℃；點(diǎn)火槍3路相應(yīng)進(jìn)入點(diǎn)火槍，焦?fàn)t煤氣15～20 Nm3/h，燃燒口上部設(shè)置防風(fēng)罩設(shè)施，防止長明燈因風(fēng)熄滅，放散頭安裝了一套氮?dú)夥肿臃庋b置，防止空氣倒灌出現(xiàn)回火爆炸事故。筒體設(shè)置氮?dú)?、蒸汽吹掃設(shè)施，同時參照上海羅涇煤氣放散設(shè)計(jì)，保留放散塔筒體底部大水封設(shè)施[1]。

歐冶爐煤氣進(jìn)入八鋼煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)后，整個煤氣系統(tǒng)的壓力發(fā)生變化，為了達(dá)到煤氣系統(tǒng)平衡，歐冶爐煤氣必須進(jìn)行安全放散，放散的同時也造成歐冶爐外放高熱值煤氣資源的浪費(fèi)。

2.2 歐冶爐輸出煤氣安全運(yùn)行措施

2.2.1 頂煤氣的凈化

歐冶爐干法除塵系統(tǒng)設(shè)置8個直徑6m的布袋箱體，每個箱體內(nèi)安裝420條布袋，每條布袋直徑167mm，長度7.0m，總過濾面積≥16247m2，單個箱體過濾面積約1477m2。煤氣發(fā)生量：最大28萬Nm3/h，平均22萬Nm3/h。爐頂操作壓力 0.2～0.25MPa（最大），煤氣溫度 200～300℃。在 1～2 個除塵器檢修的情況下，布袋的過濾風(fēng)速仍保持0.5～0.7m/min。對歐冶爐TRT后煤氣含塵檢測點(diǎn)煤氣含塵檢測分析，歐冶爐輸出煤氣含塵＜10mg/m3，平均值6.5 mg/m3，歐冶爐煤氣凈化情況見圖2。

圖2 歐冶爐煤氣含塵檢測值

歐冶爐輸出煤氣含塵量＜10mg/m3，布袋除塵效果運(yùn)行正常。濾袋破損會造成凈化效果變差。2.2.2 歐冶煤氣水含量控制

煤氣中含有水分，不同種類的煤氣含水量不同，這是由煤氣的產(chǎn)生工藝決定的。歐冶爐煤氣含水主要來源有四種途徑：原燃料水分、還原煤氣中H2參加還原反應(yīng)后產(chǎn)生的水、過剩煤氣洗滌后帶出的水、豎爐頂溫超標(biāo)時爐頂打水。

（1）原燃料入爐水量。根據(jù)歐冶爐主要含水燃料入爐統(tǒng)計(jì)，噸鐵原燃料入爐水量約48.3kg/tHM，折算成煤氣體積占比約6.3%，見表1。

表1歐冶爐燃料入爐水量

依照3500t/d的產(chǎn)能水平，每天進(jìn)入煤氣中的水量在145t，按照煤氣質(zhì)量折算燃料含水進(jìn)入煤氣的占比到達(dá)6.3%。

（2）煤氣還原產(chǎn)生水量。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，隨著產(chǎn)能提升，煤氣利用率提升，氫氣還原比例提高，圖3為各種熔煉率下還原煤氣產(chǎn)生的水量。

圖3 歐冶生產(chǎn)還原水量與熔煉率關(guān)系

由于燃料的水主要是進(jìn)入氣化爐反應(yīng)裂解產(chǎn)生氫氣，2%燃料進(jìn)入豎爐以水蒸氣的形式進(jìn)入煤氣系統(tǒng)。98%的燃料進(jìn)入氣化爐，部分水分解產(chǎn)生氫氣，氫氣通過豎爐后參與反應(yīng)以水蒸氣的形式進(jìn)入頂煤氣，另一部分直接以蒸氣的形式進(jìn)入煤氣通過過剩水洗煤氣帶出。

（3）過剩煤氣帶入的水量。2018年9月，歐冶爐過剩煤氣平均值1.26萬～2.5萬Nm3/h，折合噸鐵約130Nm3/t鐵，約850℃的高溫含塵煤氣通過水洗降溫至60℃，按照飽和水蒸汽計(jì)算煤氣含水水量，帶入煤氣的水量1.69t/tHM，折算煤氣中的含水體積比為0.58%。

（4）歐冶爐豎爐頂打水帶入煤氣量。歐冶爐豎爐頂打水量約28kg/t鐵，折算成煤氣體積占比約2.2%。豎爐頂煤氣溫度與打水?dāng)?shù)據(jù)見圖4。

圖4 歐冶生產(chǎn)豎爐頂溫度與打水量

綜合分析：歐冶爐煤氣含水體積占比約為9.08%，歐冶爐輸出煤氣一天要帶出約200t水。歐冶爐煤氣含塵、含水，與高爐煤氣最大的區(qū)別在于煤氣的含水量。對歐冶爐煤氣含塵、含水對歐冶爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的影響沒有預(yù)估到。

歐冶爐輸出布袋凈化的頂煤氣及水洗凈化的過剩煤氣，穩(wěn)定運(yùn)行輸出量平均在21萬～23萬Nm3/h，經(jīng)過 TRT后，降壓至管網(wǎng)壓力 ～15kPa，TRT入口煤氣溫度達(dá)到180℃，經(jīng)能量轉(zhuǎn)化為電能后，TRT出口溫度在～80℃。能量的轉(zhuǎn)化對煤氣的含水品質(zhì)影響明顯。200℃時歐冶爐輸出煤氣的含水量在76g。經(jīng)過降溫后輸出煤氣溫度明顯降低，大量水分析出，歐冶爐區(qū)域煤氣外管網(wǎng)排水器負(fù)荷明顯增大，解決的辦法是將吸排罐車的抽水頻次由最初的72h抽一次提高至24h抽一次水[2]。

3 歐冶爐煤氣系統(tǒng)運(yùn)行中安全隱患分析

3.1 煤氣管網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

歐冶爐內(nèi)部煤氣管網(wǎng)運(yùn)行的突出問題：煤氣管道的波紋管腐蝕；煤氣管道積水；頂煤氣溫度高爐頂打水造成重力除塵放灰困難；重力除塵器內(nèi)部保溫噴涂料脫落；高溫煤氣造成密封件失效出現(xiàn)的煤氣泄漏；布袋除塵器濾袋壽命受到煤氣侵蝕，出現(xiàn)破損泄漏，凈化能力降低。

在傳統(tǒng)的高爐煤氣管道運(yùn)行中這些問題較少出現(xiàn)，歐冶爐煤氣管線中凸顯的問題影響到生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行，存在安全風(fēng)險。

3.2 凈煤氣放散塔運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

2017年歐冶爐開爐以來，歐冶爐休復(fù)風(fēng)短時間10～30min放散。在歐冶爐生產(chǎn)運(yùn)行輸出煤氣期間由于歐冶爐煤氣熱值高，動力系統(tǒng)煤氣壓力波動，通過放散方式調(diào)控煤氣壓力，長時間流量波動。在極端天氣條件下（大風(fēng)）造成放散塔塔頂設(shè)備設(shè)施、電纜等燒損故障兩次，大風(fēng)造成放散塔頂設(shè)施燒損，嚴(yán)重影響放散塔安全運(yùn)行。歷時10天才將放散塔溫度監(jiān)控系統(tǒng)、燃燒點(diǎn)火系統(tǒng)，遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)修復(fù)。

歐冶爐凈煤氣放散塔承擔(dān)著歐冶爐系統(tǒng)休風(fēng)復(fù)風(fēng)短時放散，一般不超過30min，即為生產(chǎn)工藝安全的放散。在歐冶爐生產(chǎn)時對外網(wǎng)輸出煤氣期間，為了確保煤氣外網(wǎng)供應(yīng)與消耗平衡，能源中心采用歐冶爐凈煤氣放散塔進(jìn)行放散煤氣，出現(xiàn)了長時間低流量對外放散的情況。

歐冶爐凈煤氣放散塔作為平衡管網(wǎng)作用進(jìn)行放散存在安全隱患：（1）將兼顧煤氣管網(wǎng)壓力平衡放散作用變?yōu)檫M(jìn)行煤氣管網(wǎng)壓力平衡放散的主要功能，對歐冶爐工藝系統(tǒng)應(yīng)急安全造成干擾；（2）長時間低流量放散，在大風(fēng)天氣條件造成火頭下壓損毀設(shè)備。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 關(guān)于頂煤氣波紋管包覆腔體積水問題

頂煤氣波紋管包覆腔體積水，采取在休風(fēng)時人工排水的管控措施。煤氣的水分問題在出口端沒有徹底解決，采取定修人工排水的方式，解決了因低溫情況出現(xiàn)的冷凝水析出問題，保證了煤氣管線的安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐表明這是一種有效的操作方式。

4.2 關(guān)于管線的波紋管泄漏腐蝕問題

分析認(rèn)為波紋管泄漏腐蝕是由于煤氣中含有氯離子，通常情況下氯在煤氣中的賦存狀態(tài)，當(dāng)煤氣溫度高于露點(diǎn)的時候，管道里煤氣中的氯元素是以HCl氣體狀態(tài)存在；而在煤氣溫度低于露點(diǎn)的地方，因?yàn)镠Cl有極易溶于水的特點(diǎn)，煤氣管道有冷凝水形成，HCl會進(jìn)入冷凝水形成濃度很高的鹽酸溶液。氯離子加水形成酸液對不銹鋼材質(zhì)的波紋管進(jìn)行點(diǎn)腐蝕，根本性的解決這一問題是更換能夠耐氯離子及其他酸性物質(zhì)的腐蝕的材質(zhì)。目前采取的措施是：主要是控制原燃料中S-、Cl-高的煤種入爐；其次控制煤氣洗滌水中Cl-含量，目標(biāo)值控制在1000mg/L以下，Cl-升高進(jìn)行換水操作，控制低溫煤氣中水分?jǐn)y帶Cl-的量。

對已經(jīng)破損的波紋管采取包覆的方式維持生產(chǎn)，同時采購新的材料備件，在檢修時更換腐蝕嚴(yán)重的波紋管。

4.3 關(guān)于重力放灰的問題

為解決重力放灰的問題，通過增加限流孔板的方式來控制煤氣及瓦斯灰的流速，優(yōu)化調(diào)整了攪拌霧化水的噴灑方式，將霧化水壓力從0.3～0.4MPa提升至0.7～0.9MPa，采用螺旋撞擊式噴頭，解決了霧化效果差、重力排灰困難的問題。因此，有必要對歐冶爐煤氣除塵灰的粒度、硬度組成等開展研究。

4.4 關(guān)于眼鏡閥密封圈老化密封失效問題

較高的煤氣溫度造成密封件橡膠老化，使用壽命15～30天就出現(xiàn)泄漏。最初采取的措施是進(jìn)行減壓更換密封圈，后來又通過試驗(yàn)使用了耐溫達(dá)到350℃的硅橡膠密封圈。因Cl-、S-的存在會加劇密封圈材質(zhì)的老化，目前現(xiàn)場使用60天密封不泄漏的材質(zhì)密封件。

4.5 針對放散塔頂設(shè)備設(shè)施燒損采取的措施

將凈煤氣放散塔火焰平臺的電纜移至下一層沒有火焰處，熱電偶改型為加長耐燒型；點(diǎn)火裝置由地面0m移至放散塔70m第二層平臺，縮短點(diǎn)火電纜長度，將原110m高壓點(diǎn)火電纜，改造優(yōu)化為25m長高壓點(diǎn)火電纜，消除高壓點(diǎn)火電纜高壓變壓器長距離出現(xiàn)的能量損耗，實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火。同時在放散方式上采取大流量放散的方式，放散閥門開度控制在50%以上，確保放散量及放散壓力，防止火頭下壓。

點(diǎn)火線路及高壓發(fā)生器移位改造后，放散塔監(jiān)控點(diǎn)火功能良好，放散塔的設(shè)備設(shè)施得到了保護(hù)，技改效果明顯，在煤氣系統(tǒng)放散運(yùn)行中確保了關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

歐冶爐煉鐵工藝產(chǎn)生的煤氣熱值高、煤氣量大。八鋼煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)增加了歐冶爐煤氣，改變了以往八鋼煤氣系統(tǒng)輸送、排液、用戶消耗的格局，為八鋼生產(chǎn)所需的能源消耗提供了保障。但是針對歐冶爐煤氣設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)的問題需要重點(diǎn)關(guān)注，為保證歐冶爐長期穩(wěn)定安全生產(chǎn)，針對歐冶爐煤氣系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的安全可靠運(yùn)行需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前采取的措施需要實(shí)踐的檢驗(yàn)，關(guān)于歐冶爐煤氣處理輸送設(shè)施及工藝參數(shù)還需要探索改進(jìn)和優(yōu)化。