勞廣兵，劉向朋
（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇南京 210019）
【摘 要】 高爐煤氣放散塔作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)調(diào)節(jié)煤氣管網(wǎng)穩(wěn)定的重要設施，起到了保護煤氣系統(tǒng)安全的作用。長江鋼鐵高爐煤氣放散塔運行多年，由于高爐擴容、系統(tǒng)落后等原因，存在放散能力不足、放散高度不夠等問題。為解決這些問題，長江鋼鐵對高爐煤氣放散塔的塔體、煤氣管道材質(zhì)、放散工藝以及計算機控制系統(tǒng)進行了升級改造。改造后，從根本上解決了放散塔運行中存在的問題，消除了安全隱患，節(jié)約了能源，并取得了一定的經(jīng)濟效益。
【關鍵詞】 高爐煤氣放散塔；放散能力；放散高度
0 引言
鋼鐵企業(yè)作為國民經(jīng)濟中能源消耗大戶，其能耗約占全國總能耗的 10%［1］。鋼鐵聯(lián)合企業(yè)在煉焦、煉鐵和煉鋼的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，這些煤氣是極其重要的二次能源，占鋼鐵企業(yè)總能耗的 30%~40%［2］ 。利用好鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣，不僅可以節(jié)約能源，還可以防止污染環(huán)境。
在實際生產(chǎn)過程中，高爐煤氣的發(fā)生量和消耗量在一定程度上呈波動狀態(tài)，為了解決這種短時間的供需不平衡問題，企業(yè)通常會在高爐煤氣管網(wǎng)上設置高爐煤氣柜。但生產(chǎn)計劃的調(diào)整、煤氣用戶的檢修等其他因素會造成煤氣供需的長時間不平衡，這種不平衡僅靠高爐煤氣柜是無法解決的。此時，為了保持高爐煤氣發(fā)生和使用的平衡，需要在高爐煤氣管網(wǎng)合適的位置建造高爐煤氣放散塔，放散掉多余的高爐煤氣。高爐煤氣放散塔不僅可以保護設備的安全，而且可以保證高爐煤氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，不影響其他用戶的使用和熱工控制。另外，放散的煤氣得到燃燒，也可以減少環(huán)境污染。
1 長江鋼鐵高爐煤氣系統(tǒng)概況
長江鋼鐵現(xiàn)有2座1 080 m3 高爐和1座1 250 m3高爐，3座高爐的高爐煤氣總產(chǎn)氣量約為80 萬m3 /h，主要用戶是高爐熱風爐、軋鋼加熱爐和自備電廠。為了解決短時間高爐煤氣供需不平衡問題、穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，長江鋼鐵在原有1座10 萬m3 高爐煤氣柜的基礎上新建了1座 16.5萬 m3 高爐煤氣柜。為了解決長時間高爐煤氣發(fā)生和使用不平衡的問題，高爐煤氣總管網(wǎng)上建有 1 座 3×DN 1200高爐煤氣放散塔。
2 長江鋼鐵高爐煤氣放散系統(tǒng)存在的問題
長江鋼鐵原有的 1座 3×DN 1200高爐煤氣放散塔已運行多年，由于高爐擴容、系統(tǒng)落后等原因，導致存在如下問題。
（1）放散能力不足。原放散塔設計放散能力為24 萬m3 /h，但實際最大的 1 座高爐最大產(chǎn)氣量為 33 萬 m3 /h，遠超放散塔的設計放散能力，故現(xiàn)有放散塔的放散能力不足，存在較大的安全隱患。
（2）放散高度不夠。原放散塔的放散高度為40 m，小于《鋼鐵企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 51128—2015）中最低放散高度 50 m 的要求，存在煤氣放散中毒的危險，且人站在放散塔火炬正下方，有明顯灼熱感。
（3）煤氣系統(tǒng)腐蝕嚴重。由于 3 座高爐的高爐煤氣均采用干法除塵，煤氣中含有大量的Cl、S等酸性成分，且后續(xù)沒有對高爐煤氣采取有效除酸處理，導致煤氣系統(tǒng)腐蝕嚴重。
（4）小流量放散時計量和調(diào)節(jié)不精確。由于放散管口徑為DN 1200，當放散流量較小時，計量和調(diào)節(jié)不能夠精確控制，導致放散塔對管網(wǎng)放散穩(wěn)壓能力滯后，管網(wǎng)壓力波動相對較大。
（5）能源的浪費。原放散塔采用的是液化石油氣“長明燈”，當放散塔處于放散狀態(tài)時，液化石油氣“長明燈”需長期點火伴燒，造成能源的浪費。且液化石油氣需采用液化石油氣瓶組氣化系統(tǒng)，增加了具有火災危險性甲類廠房的安全隱患。另外，液化石油氣瓶組的更換也增加了人工成本。
（6）點火放散系統(tǒng)復雜，自動化程度不高。原煤氣放散點火系統(tǒng)雖然具備自動點火功能，但由于運行時間長且控制系統(tǒng)落后，自動點火系統(tǒng)“長明燈”熄滅后需人工點火，耗時費力，既不能保證放散時煤氣被及時點燃，也不能保證崗位職工的人身安全。
3 長江鋼鐵高爐煤氣放散塔升級改造方案
3 . 1 塔體的改造
考慮到最大 1座高爐最大產(chǎn)氣量為 33 萬 m3 /h， 遠大于放散塔最大初始設計放散能力 24 萬 m3 /h。 若對原放散塔進行利舊改造，即僅對計量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行更換，根據(jù)核算，單根放散管最大放散流量需達到 11 萬 m3 /h，對應流速需達到 38 m/s。咨詢放散塔生產(chǎn)廠家得知，當放散煤氣流速>30 m/s 時，易產(chǎn)生脫火現(xiàn)象，造成燃燒器熄火。故需要將已有的3×DN 1200 高爐煤氣放散塔整體拆除，新建 1 座3×DN 1400 高爐煤氣放散塔，該放散塔放散管最大流速為 28 m/s，滿足流速≤30 m/s 的要求，不易產(chǎn)生脫火現(xiàn)象。
依據(jù)《石油化工企業(yè)設計防火標準》（GB 50160—2008）2018 年版中的火炬輻射熱對人員影響（見表 1），按照人員穿有適當衣服可長期停留的地點，選取允許輻射熱強度為1.58 kW/m2 。
此時，放散塔計算高度為：
式中：R—受熱面與火焰中心的距離，m；
?—火焰的輻射率，高爐煤氣?=0.1；
Q—火焰的總發(fā)熱量，kJ/h；
q—輻射熱強度，kJ/（m2 ⋅h）。
按照無熱輻射屏障設施，操作人員穿有適當防護衣時可停留幾分鐘的地點，選取允許輻射熱強度為4.73 kW/m2。此時，放散塔計算高度為：
而《鋼鐵企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 51128—2015）中要求的最低放散高度為 50 m，大于按輻射熱計算的高度。由于放散塔最大流量為10萬m3 /h，最低放散高度也需要達到50m，考慮到系統(tǒng)最大流量為33萬 m3/h，適當增加放散高度， 最終選取放散高度為65 m。
3.2 煤氣管道材質(zhì)的改造
長江鋼鐵高爐煤氣采用干法除塵，并且未經(jīng)過脫氯除酸措施，高爐煤氣中的Cl、S等酸性成分含量較高，會導致煤氣管道腐蝕穿孔，影響煤氣系統(tǒng)安 全。普通材質(zhì) Q345B板材耐腐蝕性能較差，試驗證 明 Q345B 板材的腐蝕速率為 Q345NS 板材的 3.5 倍［3］，采用 Q345NS 板材可以顯著延長管道使用壽命。故改用耐酸性腐蝕較好的Q345NS板材。
3.3 放散工藝的改造
為了在放散量較小時也可精準調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，此次改造在原放散系統(tǒng)的一根放散管上增加了DN 600的旁通，單獨進行計量、調(diào)節(jié)。設置該旁通可以避免單獨增加一根火炬，降低成本。改造后高爐煤氣放散塔工藝流程圖見圖1。
為實現(xiàn)放散塔快速調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力的功能，放散系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥和蝶閥均采用液動閥。每個液動調(diào)節(jié)閥設有液壓控制閥臺，控制用比例閥采用進口設備，并配備閉環(huán)控制器，以確保調(diào)節(jié)閥控制精度。配套新建一套液壓站為液動閥提供動力，液壓站配套設有蓄能器，可保證每個液動閥全行程動作2次。
原液化石油氣“長明燈”需要長期伴燒，此次改造通過在燃燒器中將高爐煤氣催化，提高了低熱值高爐煤氣的燃燒性能，實現(xiàn)了高爐煤氣催化自點火，節(jié)約了大量的液化石油氣。
3.4 計算機控制程序的改造
為了能夠?qū)Ψ派⑺c火、滅火和安全報警進行有效控制，編制以下計算及控制程序。
3.4.1 點火程序
（1）當管網(wǎng)壓力≥10.2 kPa 并持續(xù) 10 s 后，打開DN 600 放散管的調(diào)節(jié)閥，對 1#燃燒器進行點火，使煤氣燃燒。
（2）當 DN 600 放散管的調(diào)節(jié)閥已全部打開，管網(wǎng)壓力≥10.4 kPa 并持續(xù) 10 s 后，打開 1#DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥，對高爐煤氣進行點火，使煤氣燃燒。
（3）當1#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已全部打開，管網(wǎng)壓力≥10.7 kPa 并持續(xù) 10 s 后，打開 2#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥，對2#燃燒器進行點火，使煤氣燃燒。
（4）當2#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已全部打開，管網(wǎng)壓力≥11.0 kPa 并持續(xù) 10 s 后，打開 3#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥，對3#燃燒器進行點火，使煤氣燃燒。
以上步驟中，若放散過程中出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，則需要將相應的放散點火程序重復一遍，直至燃燒穩(wěn)定。
3.4.2 滅火程序
（1）當管網(wǎng)壓力≤11.0 kPa 并持續(xù) 10 s 后，將3#DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥開度慢慢關小，直至關閉。
（2）當3#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已關閉，管網(wǎng)壓力≤10.7 kPa 并持續(xù) 10 s 后，將 2#DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥開度慢慢關小，直至關閉。
（3）當2#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已關閉，管網(wǎng)壓力≤10.4 kPa 并持續(xù) 10 s 后，將 1#DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥開度慢慢關小，直至關閉。
（4）當 1# DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥已關閉，管網(wǎng)壓力≤10.2 kPa并持續(xù)10 s后，將DN 600放散管的調(diào)節(jié)閥開度慢慢關小，直至關閉。
3.4.3 報警
（1）煤氣管網(wǎng)壓力報警：當煤氣放散塔調(diào)節(jié)閥全開，管網(wǎng)壓力≥12.0 kPa 時，發(fā)出煤氣管網(wǎng)超壓報警。當放散塔調(diào)節(jié)閥全關，管網(wǎng)壓力≤6.0 kPa時，發(fā)出煤氣管網(wǎng)低壓報警。
（2）液壓油系統(tǒng)報警：設置油箱油位低位報警、油泵故障報警、油溫高溫報警和液壓油低壓報警。
（3）電控系統(tǒng)報警：當放散塔系統(tǒng)停電時，閥門保持原位，此時控制系統(tǒng)由 UPS供電并發(fā)出停電報警，電磁閥及比例閥可由 UPS供電。當火焰溫度低時，點火控制柜發(fā)出熄火信號，PLC發(fā)出熄火報警。
在控制室設“自動”和“ 手動”點火切換開關。“自動”狀態(tài)下實現(xiàn)自動點火，“手動”狀態(tài)下可在控制室內(nèi)或現(xiàn)場操作平臺上手動遠程進行點燃操作。為了防止煤氣流量較小時發(fā)生回火，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)閥開啟時向分子封里持續(xù)通入氮氣。
4 升級改造后的效果
放散塔改造投運3年以來，運行良好，從未出現(xiàn)過因為放散量超設計能力而導致管網(wǎng)壓力升高到較大值（12kPa）的情況。
放散塔放散流量較小時，該系統(tǒng)可以快速反應，管網(wǎng)波動較小。放散量較大時，3根放散主火炬 同時放散，工作人員在放散火炬正下方未感受到明顯的灼燒感。
高爐煤氣催化自點火運行效果良好，由于采用了高爐煤氣催化自點火，大大節(jié)約了需要外購的伴燒氣源液化石油氣。原放散塔所需伴燒液化石油氣耗量約為 5m3 /h，按單價20元/m3 計算，每年可節(jié)約人民幣 87.6萬元，同時，還節(jié)約了液化石油氣瓶組更換的人工成本。
5 結(jié)論
通過增大高爐煤氣放散塔管徑、增高放散塔高度、更換管道材質(zhì)、增加小口徑旁通、增設高爐煤氣自點火裝置以及完善計算機控制程序等方法，有效地解決了長江鋼鐵煤氣放散能力不足及管道腐蝕的問題。升級改造后，系統(tǒng)未出現(xiàn)管網(wǎng)超壓現(xiàn)象，可以實現(xiàn)小流量精準調(diào)節(jié)，每年節(jié)約液化石油氣點火費用約87.6萬元。
參考文獻
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