歐冶爐煤氣管網及放散系統安全運行分析

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

歐冶爐煤氣系統設計了兩種凈化系統，頂煤氣流量達到80%～95%的煤氣經過重力除塵布袋除塵后與20%～5%的水洗煤氣混合后，進入TRT余壓發電系統。經過TRT后降壓至管網壓力～15kPa，TRT入口煤氣溫度達到～180℃，經能量轉化為電能，TRT出口溫度在～80℃，歐冶爐輸出煤氣管網與歐冶爐工藝安全使用同一套煤氣安全放散燃燒設施即凈煤氣放散塔。

歐冶爐系統內部煤氣管道設置半凈煤氣放散裝置一套，在歐冶爐生產狀態處于切出使用狀態。半凈煤氣放散塔主要放散豎爐經過重力除塵器除塵后的頂煤氣，裝置設計高度65m。2015年開爐期間，首次進行頂煤氣的放散，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重影響環境，同時由于火頭高，目測達到30m，火焰受大風影響劇烈擺動下壓。目前僅作為應急裝置使用。

凈煤氣放散塔肩負著歐冶爐緊急休風的煤氣泄放燃燒功能，同時肩負煤氣管網壓力平衡調控煤氣泄放燃燒功能兩個大任務。歐冶爐煤氣管網安全運行與歐冶煤氣品質密切相關，設備設施的安全穩定運行是確保煤氣管網系統安全穩定的保障，設備設施的運行也受到煤氣品質的影響。針對歐冶爐煤氣管網及放散系統運行過程中的安全保障措施進行分析。

2 歐冶爐煤氣工藝流程及安全運行措施

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節閥組控制調節壓力流量，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縫大小調節壓力流量，過剩煤氣占總煤氣量5%～10%。實際生產發現頂煤氣系統經過重力除塵及煤氣管道后降溫到達50～70℃。煤氣的工藝流程見圖1。

圖1 歐冶爐區域煤氣工藝流程圖

歐冶爐頂煤氣生產時的溫度在200～260℃，異常狀況短時間達到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，混合煤氣進入TRT設備進行能量轉換，出口煤氣管道的直徑DN2800，低壓低溫的煤氣進入DN3600的煤氣管網。

由工業分析可知高爐煤氣CO平均含量24.54%；轉爐煤氣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，即相當于3.6座2500 m3高爐產煤氣量。歐冶爐輸出煤氣熱值平均達到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計高度75m，三電成套設備，采用焦爐煤氣穩燃燒長明燈三盞（歐冶爐送氧生產、休風安全連鎖），遠程控制監控及高壓電纜點火裝置三套，溫度自動監控系統判定煤氣燃燒情況；設計流量200000Nm3/h；設計溫度350℃；點火槍3路相應進入點火槍，焦爐煤氣15～20 Nm3/h，燃燒口上部設置防風罩設施，防止長明燈因風熄滅，放散頭安裝了一套氮氣分子封裝置，防止空氣倒灌出現回火爆炸事故。筒體設置氮氣、蒸汽吹掃設施，同時參照上海羅涇煤氣放散設計，保留放散塔筒體底部大水封設施[1]。

歐冶爐煤氣進入八鋼煤氣管網系統后，整個煤氣系統的壓力發生變化，為了達到煤氣系統平衡，歐冶爐煤氣必須進行安全放散，放散的同時也造成歐冶爐外放高熱值煤氣資源的浪費。

2.2 歐冶爐輸出煤氣安全運行措施

2.2.1 頂煤氣的凈化

歐冶爐干法除塵系統設置8個直徑6m的布袋箱體，每個箱體內安裝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，布袋的過濾風速仍保持0.5～0.7m/min。對歐冶爐TRT后煤氣含塵檢測點煤氣含塵檢測分析，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H2參加還原反應后產生的水、過剩煤氣洗滌后帶出的水、豎爐頂溫超標時爐頂打水。

（1）原燃料入爐水量。根據歐冶爐主要含水燃料入爐統計，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的產能水平，每天進入煤氣中的水量在145t，按照煤氣質量折算燃料含水進入煤氣的占比到達6.3%。

（2）煤氣還原產生水量。實際生產數據分析，隨著產能提升，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生的水量。

圖3 歐冶生產還原水量與熔煉率關系

由于燃料的水主要是進入氣化爐反應裂解產生氫氣，2%燃料進入豎爐以水蒸氣的形式進入煤氣系統。98%的燃料進入氣化爐，部分水分解產生氫氣，氫氣通過豎爐后參與反應以水蒸氣的形式進入頂煤氣，另一部分直接以蒸氣的形式進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數據見圖4。

圖4 歐冶生產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系統的影響沒有預估到。

歐冶爐輸出布袋凈化的頂煤氣及水洗凈化的過剩煤氣，穩定運行輸出量平均在21萬～23萬Nm3/h，經過 TRT后，降壓至管網壓力 ～15kPa，TRT入口煤氣溫度達到180℃，經能量轉化為電能后，TRT出口溫度在～80℃。能量的轉化對煤氣的含水品質影響明顯。200℃時歐冶爐輸出煤氣的含水量在76g。經過降溫后輸出煤氣溫度明顯降低，大量水分析出，歐冶爐區域煤氣外管網排水器負荷明顯增大，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 歐冶爐煤氣系統運行中安全隱患分析

3.1 煤氣管網運行中出現的問題

歐冶爐內部煤氣管網運行的突出問題：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；重力除塵器內部保溫噴涂料脫落；高溫煤氣造成密封件失效出現的煤氣泄漏；布袋除塵器濾袋壽命受到煤氣侵蝕，出現破損泄漏，凈化能力降低。

在傳統的高爐煤氣管道運行中這些問題較少出現，歐冶爐煤氣管線中凸顯的問題影響到生產系統的運行，存在安全風險。

3.2 凈煤氣放散塔運行中出現的問題

2017年歐冶爐開爐以來，歐冶爐休復風短時間10～30min放散。在歐冶爐生產運行輸出煤氣期間由于歐冶爐煤氣熱值高，動力系統煤氣壓力波動，通過放散方式調控煤氣壓力，長時間流量波動。在極端天氣條件下（大風）造成放散塔塔頂設備設施、電纜等燒損故障兩次，大風造成放散塔頂設施燒損，嚴重影響放散塔安全運行。歷時10天才將放散塔溫度監控系統、燃燒點火系統，遠程測控系統修復。

歐冶爐凈煤氣放散塔承擔著歐冶爐系統休風復風短時放散，一般不超過30min，即為生產工藝安全的放散。在歐冶爐生產時對外網輸出煤氣期間，為了確保煤氣外網供應與消耗平衡，能源中心采用歐冶爐凈煤氣放散塔進行放散煤氣，出現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作用進行放散存在安全隱患：（1）將兼顧煤氣管網壓力平衡放散作用變為進行煤氣管網壓力平衡放散的主要功能，對歐冶爐工藝系統應急安全造成干擾；（2）長時間低流量放散，在大風天氣條件造成火頭下壓損毀設備。

4 改進措施及效果

4.1 關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的冷凝水析出問題，保證了煤氣管線的安全穩定運行。實踐表明這是一種有效的操作方式。

4.2 關于管線的波紋管泄漏腐蝕問題

分析認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，當煤氣溫度高于露點的時候，管道里煤氣中的氯元素是以HCl氣體狀態存在；而在煤氣溫度低于露點的地方，因為HCl有極易溶于水的特點，煤氣管道有冷凝水形成，HCl會進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的波紋管進行點腐蝕，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的腐蝕的材質。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，目標值控制在1000mg/L以下，Cl-升高進行換水操作，控制低溫煤氣中水分攜帶Cl-的量。

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

4.3 關于重力放灰的問題

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，優化調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天就出現泄漏。最初采取的措施是進行減壓更換密封圈，后來又通過試驗使用了耐溫達到350℃的硅橡膠密封圈。因Cl-、S-的存在會加劇密封圈材質的老化，目前現場使用60天密封不泄漏的材質密封件。

4.5 針對放散塔頂設備設施燒損采取的措施

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；點火裝置由地面0m移至放散塔70m第二層平臺，縮短點火電纜長度，將原110m高壓點火電纜，改造優化為25m長高壓點火電纜，消除高壓點火電纜高壓變壓器長距離出現的能量損耗，實現快速點火。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。

點火線路及高壓發生器移位改造后，放散塔監控點火功能良好，放散塔的設備設施得到了保護，技改效果明顯，在煤氣系統放散運行中確保了關鍵設備的正常運行。

5 結束語

歐冶爐煉鐵工藝產生的煤氣熱值高、煤氣量大。八鋼煤氣管網系統增加了歐冶爐煤氣，改變了以往八鋼煤氣系統輸送、排液、用戶消耗的格局，為八鋼生產所需的能源消耗提供了保障。但是針對歐冶爐煤氣設備設施出現的問題需要重點關注，為保證歐冶爐長期穩定安全生產，針對歐冶爐煤氣系統設備設施的安全可靠運行需要進一步優化。目前采取的措施需要實踐的檢驗，關于歐冶爐煤氣處理輸送設施及工藝參數還需要探索改進和優化。