有壓熱悶罐內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸原因分析

胡天麒 吳龍 郝以黨 劉永蓓

(中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司 北京 100088)

0 引言

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2019年粗鋼產(chǎn)量超9億t，鋼渣產(chǎn)生量超過1億t。鋼渣是煉鋼過程的副產(chǎn)物，目前主要堆存處理，得不到高效利用，全國鋼渣利用率不到30%。

國內(nèi)某公司自主研發(fā)的鋼渣余熱熱悶技術(shù)，自1992年400 ℃鋼渣熱悶技術(shù)試車成功至今，經(jīng)過20余年的技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展到第四代鋼渣輥壓破碎—余熱有壓熱悶處理技術(shù)[1]。有壓熱悶罐是第四代熱悶技術(shù)的核心裝備，該裝備為鋼渣提供高達(dá)0.7 MPa以上的熱悶壓力，可使鋼渣在1.5～3 h的時(shí)間實(shí)現(xiàn)鋼渣的余熱自解。該技術(shù)已于2012年在濟(jì)源鋼廠正式投產(chǎn)，目前國內(nèi)外近30家鋼鐵企業(yè)采用鋼渣輥壓破碎-有壓熱悶技術(shù)處理鋼渣。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有壓熱悶罐體內(nèi)出現(xiàn)可燃?xì)怏w并發(fā)生爆炸現(xiàn)象，造成熱悶罐無法緊密閉合，罐內(nèi)壓力無法保證，熱悶效果不理想[2]。現(xiàn)通過氣體檢測(cè)試驗(yàn)明確熱悶過程中罐體內(nèi)氣體的過程變化特征，找出造成爆炸的原因，可為解決有壓熱悶過程中的爆炸問題提出可行性建議，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1 有壓熱悶工藝簡(jiǎn)況及檢測(cè)設(shè)備

選取某鋼鐵企業(yè)鋼渣處理項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共進(jìn)行22組試驗(yàn)。該鋼鐵企業(yè)鋼渣項(xiàng)目年處理能力為50萬t，鋼渣熱悶工藝設(shè)計(jì)如下：每個(gè)鋼渣輥壓破碎處理周期為25～40 min，每個(gè)周期處理鋼渣約為20～25 t，處理后推渣進(jìn)入熱悶罐進(jìn)行熱悶。每罐鋼渣的熱悶處理周期為1.5～3 h，每周期處理鋼渣40～50 t。

有壓熱悶罐內(nèi)氣體以水蒸氣為主，攜帶空氣、可燃?xì)怏w以及水霧、粉塵等。罐內(nèi)氣體經(jīng)排出后首先使用壓力和流量計(jì)對(duì)排放氣體的流量和壓力進(jìn)行檢測(cè)，水蒸氣經(jīng)冷凝器冷卻，冷凝所得水進(jìn)入冷凝水罐中，冷凝后的氣體進(jìn)行干燥及煙氣分析儀測(cè)試其中可燃?xì)怏w含量。設(shè)有備用排氣泵，可在罐內(nèi)壓力大但無法外排氣體的條件下使用[3]。

2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 熱悶罐內(nèi)主要可燃?xì)怏w種類檢測(cè)

經(jīng)過儀器檢測(cè)，熱悶過程中罐內(nèi)的可燃?xì)怏w種類包括：H2、CO、CH4。

鋼渣進(jìn)入熱悶罐內(nèi)，噴水冷卻產(chǎn)生水蒸氣開始熱悶，高溫條件下，鋼渣中的Fe與H2O反應(yīng)生成鐵氧化物和H2。熱悶前期，水蒸氣的通入促進(jìn)了Fe和H2O反應(yīng)的正向進(jìn)行，熱悶后期，開啟排水閥，隨著氮?dú)獾耐ㄈ爰肮迌?nèi)水蒸氣和H2含量隨排水排氣作用的下降，也利于Fe和H2O反應(yīng)的正向進(jìn)行，在整個(gè)熱悶過程中，H2是持續(xù)產(chǎn)生的。

在煉鋼過程中，鋼水因鋼種的不同具有一定的碳元素要求，出渣過程中鋼水中碳也會(huì)于倒渣過程中隨鋼水附帶到鋼渣中，此外也可因含碳原料的加入附著在鋼渣中，因此，可燃?xì)怏w中也會(huì)含有少量的含碳可燃?xì)怏w，如CO和CH4。進(jìn)入熱悶罐開始熱悶后，大量水蒸氣與Fe反應(yīng)生成H2和鐵氧化物，在低于823 K的溫度條件下可以生成可燃?xì)怏wCH4。另外，熱悶罐內(nèi)的碳還會(huì)與罐內(nèi)的O2和H2O生成可燃?xì)怏wCO。

以2#氣體檢測(cè)結(jié)果為例進(jìn)行分析，雖然熱悶過程中罐內(nèi)存在的可燃?xì)怏w種類有H2、CO、CH4，但CH4和CO的體積分?jǐn)?shù)僅為1×10-4～4×10-3，含量非常低，與含量很高的H2相比對(duì)爆炸產(chǎn)生的作用可以忽略不計(jì)。而且CO和CH4集中產(chǎn)生于熱悶前期，而悶罐發(fā)生爆炸一般是在熱悶后期或結(jié)束時(shí)發(fā)生，隨著熱悶過程的進(jìn)行，這兩種可燃?xì)怏w會(huì)反應(yīng)消耗掉，故CO和CH4不作為本次試驗(yàn)可燃?xì)怏w檢測(cè)的對(duì)象。

因此，本試驗(yàn)將H2選取為主要可燃?xì)怏w分析目標(biāo)。

2.2 檢測(cè)位置對(duì)H2濃度的影響

選取罐體頂部、排氣管道、罐體中部和罐體底部4個(gè)測(cè)氣點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了3～4組試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示每個(gè)測(cè)氣點(diǎn)在熱悶周期內(nèi)H2濃度變化趨勢(shì)相差不大，大致過程為熱悶開始60 min內(nèi)，H2濃度迅速上升，60～120 min內(nèi)H2濃度變化趨勢(shì)較緩，通入氮?dú)夂驢2濃度迅速下降至達(dá)到出渣條件。

選取每個(gè)測(cè)氣點(diǎn)的幾組數(shù)據(jù)中較為典型的試驗(yàn)組進(jìn)行熱悶周期內(nèi)H2濃度變化情況的縱向?qū)Ρ龋妶D1。

圖1 不同測(cè)氣點(diǎn)H2濃度變化曲線

從圖1可以看出，不同測(cè)氣點(diǎn)H2濃度最高值從高到低為：排氣管道測(cè)氣點(diǎn)>底部測(cè)氣點(diǎn)>頂部測(cè)氣點(diǎn)>中部測(cè)氣點(diǎn)，其中排氣管道測(cè)氣點(diǎn)H2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到80%以上，中部測(cè)氣點(diǎn)H2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到70%以上，下降到8%以下所需時(shí)長也存在一定差距。

但是各測(cè)氣點(diǎn)的H2濃度變化曲線圖顯示H2沒有因?yàn)楸戎匦《诠迌?nèi)頂部或某個(gè)部位富集。因此我們可以認(rèn)為，在熱悶過程中，在水蒸氣及氮?dú)獾臍饬鲾噭?dòng)作用下，H2濃度在罐內(nèi)各部位沒有明顯差異，可視為均勻分布在熱悶罐內(nèi)。

2.2.1 打水制度對(duì)H2濃度的影響

熱悶過程中冷卻打水是罐內(nèi)產(chǎn)生可燃?xì)怏w的主要原因。

開始熱悶后，打水使短時(shí)間內(nèi)大量水蒸氣產(chǎn)生，此過程中H2的體積濃度下降。熱悶開始后的10～25 min，悶罐內(nèi)的壓力保持在保壓壓力以上，罐內(nèi)H2隨著水蒸氣通過自動(dòng)排氣閥排出罐體，罐內(nèi)的H2濃度保持在較低水平。熱悶穩(wěn)定后，罐內(nèi)壓力保持在約0.15～0.3 MPa，罐內(nèi)氣體外排放緩，不再劇烈排氣。在高溫條件下，鋼渣內(nèi)的金屬鐵和水蒸氣反應(yīng)生成H2，罐內(nèi)的水蒸氣被消耗，H2生成，可燃?xì)怏w濃度上升。熱悶開始約30 min后，開啟排水閥5 min，再關(guān)閉排水閥5 min，重復(fù)以上工作4～6次。隨著排氣排水，罐內(nèi)大量氣體排出罐外，罐內(nèi)可燃?xì)怏w濃度階段性下降，但關(guān)閉排水閥后，水蒸氣和Fe反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生H2。

熱悶開始后約1 h，罐內(nèi)氣體壓力約為0.1～0.15 MPa，氣體不再外排。罐內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)為Fe和水蒸氣反應(yīng)生成H2和鐵氧化物，另外，在高溫條件下，鐵氧化物還會(huì)和H2反應(yīng)生成Fe或者低價(jià)鐵氧化物和水。由于罐內(nèi)不斷產(chǎn)生水蒸氣，在罐內(nèi)正、反方向反應(yīng)平衡后，水蒸氣在罐內(nèi)所占體積慢慢增大，相應(yīng)H2體積有所下降。

當(dāng)H2體積分?jǐn)?shù)下降到80%以下后，打開氮?dú)忾y開始向罐內(nèi)通入氮?dú)猓⒋蜷_排水閥，隨著大量氮?dú)獾耐ㄈ牒凸迌?nèi)水大量排出的雙重作用，罐內(nèi)可燃?xì)怏w濃度迅速下降，直至達(dá)到出渣條件。

以7#試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析，圖2為熱悶周期內(nèi)罐內(nèi)H2濃度的變化趨勢(shì)。

鋼渣入罐并開始打水，罐內(nèi)水蒸氣和H2大量產(chǎn)生，罐內(nèi)壓力迅速達(dá)到保壓壓力以上，頂部排氣孔劇烈排氣，水蒸氣將罐內(nèi)的H2、N2、O2一同鼓出，到達(dá)氣體檢測(cè)儀的混合干氣體中H2含量低，且劇烈排氣將罐內(nèi)氣體迅速鼓出，H2濃度達(dá)到低點(diǎn)(趨勢(shì)見圖2階段1)。自動(dòng)排氣結(jié)束后，罐內(nèi)壓力下降到保壓壓力以下，水蒸氣含量上升，促進(jìn)金屬鐵與水蒸氣的反應(yīng)，H2濃度迅速上升(趨勢(shì)見圖2階段2)。罐內(nèi)H2體積分?jǐn)?shù)升高到70%以上后，在高溫作用下，同時(shí)會(huì)發(fā)生鐵氧化物被H2還原的逆反應(yīng)，且罐內(nèi)H2含量越高，反應(yīng)越明顯，此時(shí)間段內(nèi)罐內(nèi)H2含量相持，緩慢下降(趨勢(shì)見圖2階段3)。熱悶一段時(shí)間后，罐內(nèi)H2濃度下降到70%以下，開始通入氮?dú)獠⒋蜷_排水閥持續(xù)排水，罐內(nèi)H2濃度迅速下降，直至達(dá)到開罐條件(趨勢(shì)見圖2階段4)。

圖2 熱悶周期內(nèi)罐內(nèi)H2濃度變化趨勢(shì)

2.2.2輥壓區(qū)出渣后冷置時(shí)間對(duì)H2濃度變化的影響

每個(gè)鋼渣輥壓破碎處理流程一周期時(shí)長約為30 min，包括一次輥壓破碎二次推渣，過程中不打水。推渣后冷置，等待進(jìn)罐，每個(gè)周期處理鋼渣20～30 t。冷置時(shí)長決定了進(jìn)罐前渣溫，進(jìn)而決定了入罐后冷卻打水量、可燃?xì)怏w產(chǎn)生量及熱悶處理時(shí)長。現(xiàn)對(duì)3組來渣后冷置不同時(shí)長熱悶試驗(yàn)氣體檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)冷置4 h：熱悶處理過程中打水量為53 t，H2最高體積分?jǐn)?shù)值僅為30%。全過程H2產(chǎn)生量小，處理時(shí)長短，僅需不到100 min即達(dá)到出渣條件，且罐內(nèi)壓力始終未達(dá)到保壓壓力。

(2)冷置2 h：熱悶過程中共打水近80 t，H2體積分?jǐn)?shù)最高值為60%，整個(gè)熱悶過程中H2產(chǎn)生量不大，熱悶處理時(shí)長2～3 h達(dá)到出渣條件，罐內(nèi)達(dá)到保壓壓力以上時(shí)長僅不到10 min。

(3)冷置1.5 h：熱悶過程中共打水超70 t，H2最高體積分?jǐn)?shù)達(dá)到80%以上。全過程H2產(chǎn)生量大，處理時(shí)周期長，熱悶近3 h方可達(dá)到出渣條件。

從以上對(duì)比結(jié)果可以看出，入罐渣溫對(duì)熱悶過程中的打水量、處理時(shí)長和H2產(chǎn)生量有很大影響。主要是因?yàn)殇撛幚砬袄渲脮r(shí)間過長，熱能消散，進(jìn)罐后打水迅速冷卻，維持產(chǎn)生H2條件的時(shí)間很短，H2產(chǎn)生量小，很快即可達(dá)到出渣條件。

2.2.3 熱悶罐內(nèi)氣體壓力對(duì)H2濃度的影響

熱悶過程中，熱悶罐內(nèi)的氣體主要有：O2、可燃?xì)怏w(主要為H2)、水蒸氣、N2。

熱悶初期，鋼渣帶有大量熱能，熱悶打水后生成大量水蒸氣，罐內(nèi)壓力迅速上升。隨著水蒸氣量的增大，罐內(nèi)壓力迅速上升到保壓壓力以上，由于排氣閥設(shè)置成達(dá)到保壓壓力自動(dòng)排氣，故壓力上升到一定壓力后隨著頂部排氣孔劇烈排氣，罐內(nèi)壓力不再明顯大幅度上升。在高溫條件下，水蒸氣量的增大促進(jìn)了鋼渣中的Fe和水蒸氣反應(yīng)生成H2和鐵氧化物，而水蒸氣又是不斷大量產(chǎn)生的，因此當(dāng)H2產(chǎn)生罐內(nèi)壓力會(huì)發(fā)生波動(dòng)。

經(jīng)過約10 min罐內(nèi)高壓排氣閥劇烈排氣后，罐內(nèi)壓力保持在保壓壓力或以下，由于冷卻打水后熱悶罐內(nèi)鋼渣溫度大幅度下降，產(chǎn)生的水蒸氣的量逐漸降低。而高溫條件H2不斷產(chǎn)生，水蒸氣不斷被消耗。罐內(nèi)水蒸氣量減少，氣體總量降低，罐內(nèi)氣體壓力減小，H2相對(duì)體積濃度升高。

H2體積分?jǐn)?shù)下降到60%以下后開始通入氮?dú)猓g斷性通入氮?dú)鈺?huì)使罐內(nèi)氣體量階段性上升，罐內(nèi)壓力間斷性上下波動(dòng)，直至罐內(nèi)H2體積分?jǐn)?shù)小于8%，達(dá)到出渣條件。

以20#試驗(yàn)為例進(jìn)行結(jié)果分析，熱悶過程中罐內(nèi)壓力在熱悶初期劇烈排氣的20 min內(nèi)隨著H2產(chǎn)生發(fā)生波動(dòng)，在熱悶后期，氮?dú)獾耐ㄈ胍彩构迌?nèi)壓力產(chǎn)生波動(dòng)。但總體上來說，罐內(nèi)壓力變化與H2濃度無必要相關(guān)性。

3 結(jié)論

(1)熱悶過程中主要的可燃?xì)怏w是H2且整個(gè)熱悶過程中持續(xù)產(chǎn)生。

(2)熱悶罐內(nèi)各部位H2濃度沒有明顯差異，在水蒸氣和氮?dú)鈿饬鞯臄噭?dòng)作用下可視為H2均勻分布在熱悶罐內(nèi)。

(3)打水是產(chǎn)生可燃?xì)怏w的主要原因；來渣溫度及冷置時(shí)長對(duì)處理過程中的H2的產(chǎn)生量有很大影響；熱悶罐內(nèi)壓力變化與H2濃度無必要相關(guān)性。