勞廣兵，劉向朋

（中冶華天南京工程技術(shù)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(shè)施，起到了保護(hù)煤氣系統(tǒng)安全的作用。長江鋼鐵高爐煤氣放散塔運(yùn)行多年，由于高爐擴(kuò)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(duì)高爐煤氣放散塔的塔體、煤氣管道材質(zhì)、放散工藝以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。改造后，從根本上解決了放散塔運(yùn)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(jì)效益。

【關(guān)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(jì)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(huì)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t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(shí)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(dòng)狀態(tài)，為了解決這種短時(shí)間的供需不平衡問題，企業(yè)通常會(huì)在高爐煤氣管網(wǎng)上設(shè)置高爐煤氣柜。但生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整、煤氣用戶的檢修等其他因素會(huì)造成煤氣供需的長時(shí)間不平衡，這種不平衡僅靠高爐煤氣柜是無法解決的。此時(shí)，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(hù)設(shè)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(fēng)爐、軋鋼加熱爐和自備電廠。為了解決短時(shí)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(chǔ)上新建了1座 16.5萬 m³ 高爐煤氣柜。為了解決長時(shí)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(yùn)行多年，由于高爐擴(kuò)容、系統(tǒng)落后等原因，導(dǎo)致存在如下問題。

（1）放散能力不足。原放散塔設(shè)計(jì)放散能力為24 萬m³ /h，但實(shí)際最大的 1 座高爐最大產(chǎn)氣量為 33 萬 m³ /h，遠(yuǎn)超放散塔的設(shè)計(jì)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(chǔ)存和輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiǎn)，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(yán)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(duì)高爐煤氣采取有效除酸處理，導(dǎo)致煤氣系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重。

（4）小流量放散時(shí)計(jì)量和調(diào)節(jié)不精確。由于放散管口徑為DN 1200，當(dāng)放散流量較小時(shí)，計(jì)量和調(diào)節(jié)不能夠精確控制，導(dǎo)致放散塔對(duì)管網(wǎng)放散穩(wěn)壓能力滯后，管網(wǎng)壓力波動(dòng)相對(duì)較大。

（5）能源的浪費(fèi)。原放散塔采用的是液化石油氣“長明燈”，當(dāng)放散塔處于放散狀態(tài)時(shí)，液化石油氣“長明燈”需長期點(diǎn)火伴燒，造成能源的浪費(fèi)。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(zāi)危險(xiǎn)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(diǎn)火放散系統(tǒng)復(fù)雜，自動(dòng)化程度不高。原煤氣放散點(diǎn)火系統(tǒng)雖然具備自動(dòng)點(diǎn)火功能，但由于運(yùn)行時(shí)間長且控制系統(tǒng)落后，自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)“長明燈”熄滅后需人工點(diǎn)火，耗時(shí)費(fèi)力，既不能保證放散時(shí)煤氣被及時(shí)點(diǎn)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(jí)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(yuǎn)大于放散塔最大初始設(shè)計(jì)放散能力 24 萬 m³ /h。 若對(duì)原放散塔進(jìn)行利舊改造，即僅對(duì)計(jì)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行更換，根據(jù)核算，單根放散管最大放散流量需達(dá)到 11 萬 m³ /h，對(duì)應(yīng)流速需達(dá)到 38 m/s。咨詢放散塔生產(chǎn)廠家得知，當(dāng)放散煤氣流速>30 m/s 時(shí)，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(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50160—2008）2018 年版中的火炬輻射熱對(duì)人員影響（見表 1），按照人員穿有適當(dāng)衣服可長期停留的地點(diǎn)，選取允許輻射熱強(qiáng)度為1.58 kW/m² 。

此時(shí)，放散塔計(jì)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(qiáng)度，kJ/（m² ⋅h）。

按照無熱輻射屏障設(shè)施，操作人員穿有適當(dāng)防護(hù)衣時(shí)可停留幾分鐘的地點(diǎn)，選取允許輻射熱強(qiáng)度為4.73 kW/m²。此時(shí)，放散塔計(jì)算高度為：

而《鋼鐵企業(yè)煤氣儲(chǔ)存和輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(dá)到50m，考慮到系統(tǒng)最大流量為33萬 m³/h，適當(dāng)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(huì)導(dǎo)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(yàn)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(shí)也可精準(zhǔn)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(dú)進(jìn)行計(jì)量、調(diào)節(jié)。設(shè)置該旁通可以避免單獨(dú)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(shí)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(dòng)閥。每個(gè)液動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)有液壓控制閥臺(tái)，控制用比例閥采用進(jìn)口設(shè)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(dòng)閥提供動(dòng)力，液壓站配套設(shè)有蓄能器，可保證每個(gè)液動(dòng)閥全行程動(dòng)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(shí)現(xiàn)了高爐煤氣催化自點(diǎn)火，節(jié)約了大量的液化石油氣。

3.4 計(jì)算機(jī)控制程序的改造

為了能夠?qū)Ψ派⑺c(diǎn)火、滅火和安全報(bào)警進(jìn)行有效控制，編制以下計(jì)算及控制程序。

3.4.1 點(diǎn)火程序

（1）當(dāng)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(duì) 1#燃燒器進(jìn)行點(diǎn)火，使煤氣燃燒。

（2）當(dāng) 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(duì)高爐煤氣進(jìn)行點(diǎn)火，使煤氣燃燒。

（3）當(dāng)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(duì)2#燃燒器進(jìn)行點(diǎn)火，使煤氣燃燒。

（4）當(dāng)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(duì)3#燃燒器進(jìn)行點(diǎn)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(yīng)的放散點(diǎn)火程序重復(fù)一遍，直至燃燒穩(wěn)定。

3.4.2 滅火程序

（1）當(dāng)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(guān)小，直至關(guān)閉。

（2）當(dāng)3#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已關(guān)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(guān)小，直至關(guān)閉。

（3）當(dāng)2#DN 1400放散管的調(diào)節(jié)閥已關(guān)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(guān)小，直至關(guān)閉。

（4）當(dāng) 1# DN 1400 放散管的調(diào)節(jié)閥已關(guān)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(guān)小，直至關(guān)閉。

3.4.3 報(bào)警

（1）煤氣管網(wǎng)壓力報(bào)警：當(dāng)煤氣放散塔調(diào)節(jié)閥全開，管網(wǎng)壓力≥12.0 kPa 時(shí)，發(fā)出煤氣管網(wǎng)超壓報(bào)警。當(dāng)放散塔調(diào)節(jié)閥全關(guān)，管網(wǎng)壓力≤6.0 kPa時(shí)，發(fā)出煤氣管網(wǎng)低壓報(bào)警。

（2）液壓油系統(tǒng)報(bào)警：設(shè)置油箱油位低位報(bào)警、油泵故障報(bào)警、油溫高溫報(bào)警和液壓油低壓報(bào)警。

（3）電控系統(tǒng)報(bào)警：當(dāng)放散塔系統(tǒng)停電時(shí)，閥門保持原位，此時(shí)控制系統(tǒng)由 UPS供電并發(fā)出停電報(bào)警，電磁閥及比例閥可由 UPS供電。當(dāng)火焰溫度低時(shí)，點(diǎn)火控制柜發(fā)出熄火信號(hào)，PLC發(fā)出熄火報(bào)警。

在控制室設(shè)“自動(dòng)”和“ 手動(dòng)”點(diǎn)火切換開關(guān)。“自動(dòng)”狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火，“手動(dòng)”狀態(tài)下可在控制室內(nèi)或現(xiàn)場操作平臺(tái)上手動(dòng)遠(yuǎn)程進(jìn)行點(diǎn)燃操作。為了防止煤氣流量較小時(shí)發(fā)生回火，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)閥開啟時(shí)向分子封里持續(xù)通入氮?dú)狻? 

4 升級(jí)改造后的效果

放散塔改造投運(yùn)3年以來，運(yùn)行良好，從未出現(xiàn)過因?yàn)榉派⒘砍O(shè)計(jì)能力而導(dǎo)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(shí)，該系統(tǒng)可以快速反應(yīng)，管網(wǎng)波動(dòng)較小。放散量較大時(shí)，3根放散主火炬 同時(shí)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(diǎn)火運(yùn)行效果良好，由于采用了高爐煤氣催化自點(diǎn)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(jià)20元/m³ 計(jì)算，每年可節(jié)約人民幣 87.6萬元，同時(shí)，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(shè)高爐煤氣自點(diǎn)火裝置以及完善計(jì)算機(jī)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(jí)改造后，系統(tǒng)未出現(xiàn)管網(wǎng)超壓現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)小流量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，每年節(jié)約液化石油氣點(diǎn)火費(fèi)用約87.6萬元。

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