焦?fàn)t荒煤氣放散系統(tǒng)在線擴(kuò)能升級(jí)技術(shù)研究

武 云，孫寶東，侯國(guó)慶

（1.山西鴻泰來(lái)科技有限公司，山西 太原 030000；2.南京鋼鐵有限公司，江蘇 南京 211500；3.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 引言

煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的未經(jīng)處理的煤氣俗稱荒煤氣，為黃褐色氣體混合物，成分復(fù)雜，含有焦油、硫化物、氰化物、氨和種類復(fù)雜的碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)，其中以苯并芘為代表的多環(huán)芳烴有很強(qiáng)的致癌性，所以煉焦過(guò)程中要嚴(yán)格控制焦?fàn)t荒煤氣外泄。實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)后續(xù)煤氣輸送系統(tǒng)因鼓風(fēng)機(jī)故障、突發(fā)停電、終端煤氣用戶使用量突降、煤氣處理裝置阻力失常等原因出現(xiàn)管網(wǎng)壓力超壓時(shí)，都有可能造成荒煤氣的無(wú)序逸散和焦?fàn)t冒煙、冒火[1-3]。因此，焦?fàn)t都設(shè)計(jì)有爐頂荒煤氣放散裝置。如集氣管壓力超過(guò)設(shè)定值，將自動(dòng)打開(kāi)設(shè)置在集氣管上的放散閥，進(jìn)行點(diǎn)火放散，從而避免荒煤氣直接排入大氣造成的嚴(yán)重污染，并保護(hù)焦?fàn)t爐體[4-8]。作為焦?fàn)t重要的附屬應(yīng)急設(shè)施，由于以前環(huán)保要求低，對(duì)焦?fàn)t荒煤氣放散沒(méi)有太多要求，導(dǎo)致大部分在用焦?fàn)t爐頂荒煤氣放散裝置能力偏低，不能滿足滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下突發(fā)故障時(shí)的放散需要，特別是大范圍停電狀態(tài)下，循環(huán)氨水同時(shí)中斷，荒煤氣溫度急劇升高，荒煤氣體積呈幾何級(jí)數(shù)增加，荒煤氣極易沖開(kāi)上升管或爐門、爐體出現(xiàn)嚴(yán)重冒煙、冒火現(xiàn)象，釀成環(huán)保事故和安全事故[5-8]。山西鴻泰來(lái)科技有限公司通過(guò)對(duì)集氣管在線開(kāi)孔和放散裝置進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)，滿足了用戶在用焦?fàn)t荒煤氣放散升級(jí)需求，確保了荒煤氣達(dá)標(biāo)排放，保證了爐體安全。

1 焦?fàn)t爐頂荒煤氣放散系統(tǒng)現(xiàn)狀

某焦化廠擁有4×55 孔5.5 m 搗固焦?fàn)t共4 座，年產(chǎn)能240 萬(wàn)t。設(shè)計(jì)焦?fàn)t單孔炭化室裝煤量約38 t（干煤），正常4 座焦?fàn)t煤氣發(fā)生量約12 萬(wàn)m3/h。

每座焦?fàn)t荒煤氣導(dǎo)出系統(tǒng)設(shè)兩段集氣管，單段集氣管分別配置荒煤氣放散系統(tǒng)（放散管DN=500 mm）2套，每座焦?fàn)t共計(jì)4 套放散系統(tǒng)。某焦化廠焦?fàn)t荒煤氣放散系統(tǒng)配置情況如表1 所示。

表1 某焦化廠焦?fàn)t荒煤氣放散系統(tǒng)配置情況

經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)算，該企業(yè)現(xiàn)有焦?fàn)t爐頂荒煤氣放散系統(tǒng)（放散管DN=500 mm）單套放散能力0.17 萬(wàn)m3/h，16 套放散系統(tǒng)總放散能力為2.72 萬(wàn)m3/h，占正常煤氣發(fā)生總量12 萬(wàn)m3/h 的22.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足放散需求。如遇全廠性突發(fā)停電，循環(huán)氨水中斷，情況則更加惡劣。如圖1 所示為焦?fàn)t荒煤氣放散系統(tǒng)不足，焦?fàn)t因事故需要放散時(shí)，焦?fàn)t爐頂上升管、爐體等多處煤氣超壓導(dǎo)致荒煤氣到處彌散，嚴(yán)重污染環(huán)境。

圖1 現(xiàn)有焦?fàn)t放散系統(tǒng)不足導(dǎo)致黃煙彌漫

由于以前環(huán)保要求低，國(guó)內(nèi)其他焦化企業(yè)老舊焦?fàn)t放散能力基本上都存在類似問(wèn)題，均需進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)能，提高放散能力，避免環(huán)境污染和焦?fàn)t爐體損壞。

2 在線擴(kuò)能升級(jí)方案研究

2.1 總體思路

提高爐頂荒煤氣放散系統(tǒng)能力，及時(shí)排出突發(fā)事故狀態(tài)下的大量荒煤氣，避免惡性環(huán)保事故發(fā)生，最有效的方法是增大放散管管徑，并在線進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)施工。

2.2 擴(kuò)能所需最小管徑測(cè)算

經(jīng)過(guò)測(cè)算，該企業(yè)每座焦?fàn)t仍按4 套荒煤氣放散裝置系統(tǒng)進(jìn)行配置，將每根放散管直徑由DN=500 mm增大到DN=900 mm，放散能力即可由0.17 萬(wàn)m3/h 提升到0.75 萬(wàn)m3/h（見(jiàn)表2），可滿足全部煤氣發(fā)生量放散需要。

表2 新增放散裝置放散管直徑測(cè)算

2.3 開(kāi)孔位置選擇

由于在用焦?fàn)t均處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，荒煤氣放散系統(tǒng)擴(kuò)能升級(jí)只能采用在集氣管上在線新開(kāi)孔的方式。

新增開(kāi)孔位置既可以選擇集氣管正上方，亦可選擇于集氣管側(cè)面。兩種位置各有優(yōu)缺點(diǎn)，均可以實(shí)現(xiàn)有效放散，具體選擇可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，按照最經(jīng)濟(jì)、施工時(shí)間最短的原則或用戶需求來(lái)確定。

2.3.1 集氣管正上方開(kāi)孔

集氣管正上方開(kāi)孔示意圖如圖2 所示。

圖2 集氣管正上方開(kāi)孔示意圖

集氣管正上方開(kāi)孔優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)有爐柱支撐只需簡(jiǎn)單加固，在平臺(tái)下方制作方形框架來(lái)支撐新增放散的重量；全部改造作業(yè)集中在集氣管平臺(tái)，材料及開(kāi)孔機(jī)械吊運(yùn)至平臺(tái)，不需吊車長(zhǎng)時(shí)間協(xié)助；相對(duì)側(cè)面開(kāi)孔成本較低；施工較為方便，對(duì)正常生產(chǎn)影響時(shí)間較短。

集氣管正上方開(kāi)孔缺點(diǎn)：欄桿側(cè)管道較多且較高，兼顧新增平臺(tái)的安全性和美觀性的同時(shí)平臺(tái)通道改造較為困難；新增平臺(tái)改造難度大；新增放散與上升管距離較近，存在上升管著火時(shí)炙烤放散塔架的情況；對(duì)正常生產(chǎn)有一定的影響。

2.3.2 集氣管側(cè)面開(kāi)孔

集氣管側(cè)面開(kāi)孔圖如圖3 所示。

圖3 集氣管側(cè)面開(kāi)孔示意圖

集氣管側(cè)面開(kāi)孔優(yōu)點(diǎn)：新增放散不影響原走臺(tái)的布置；位置相對(duì)寬松；上升管著火時(shí)對(duì)放散塔架影響小；施工較為方便，對(duì)正常生產(chǎn)影響時(shí)間較短。

集氣管側(cè)面開(kāi)孔缺點(diǎn)：要新增放散管及執(zhí)行器平臺(tái)，現(xiàn)有承重平臺(tái)支撐牛腿需加長(zhǎng)并延伸；承重增加，改造成本高；機(jī)側(cè)集氣水平側(cè)面開(kāi)孔及新增平臺(tái)施工難度大，無(wú)現(xiàn)成作業(yè)面，吊車配合作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；改造及需要生產(chǎn)配合的時(shí)間較長(zhǎng)。

3 在線擴(kuò)能升級(jí)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

3.1 新增放散系統(tǒng)位置選擇

根據(jù)該企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件，在線擴(kuò)能升級(jí)新增放散系統(tǒng)開(kāi)孔選擇正上方開(kāi)孔方式進(jìn)行。底部設(shè)方形框架結(jié)構(gòu)，以保證放散管的穩(wěn)定[9-10]。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮新增放散系統(tǒng)將會(huì)導(dǎo)致原集氣管托架、底部支架及立柱承載負(fù)荷增加，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制新增設(shè)備重量，同時(shí)要對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行優(yōu)化和加固，在原有的支撐梁和立柱上加裝支撐結(jié)構(gòu)，讓新增放散設(shè)備的重量由底部結(jié)構(gòu)支架來(lái)承擔(dān)。

3.3 施工工藝研究

為了保證施工過(guò)程的安全順利，將對(duì)正常生產(chǎn)的影響降低到最低程度，施工過(guò)程需充分考慮現(xiàn)場(chǎng)條件限制，編制科學(xué)合理的施工方案。

1）本次新增放散系統(tǒng)的開(kāi)孔位置位于集氣管靠近端部正上方。由于現(xiàn)有放散管已占據(jù)了原有操作平臺(tái)的位置，需要修改現(xiàn)有集氣管上部走行平臺(tái)。修改前首先要對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)欄桿、電纜橋架以及氨水、蒸汽和壓縮空氣管道等進(jìn)行調(diào)整，以便增加托架、立柱及底部支撐梁，為現(xiàn)有平臺(tái)外側(cè)增加新的行走平臺(tái)創(chuàng)造條件。

2）安裝新增放散所需的底部結(jié)構(gòu)以配合開(kāi)孔。對(duì)開(kāi)孔位置下部對(duì)應(yīng)爐柱進(jìn)行增加支撐、基礎(chǔ)鋼梁、鋼梁立柱的改造，提高原有結(jié)構(gòu)承載力。

3）為了確保安全，新增放散系統(tǒng)在集氣管上部重新開(kāi)孔，由專業(yè)的帶壓開(kāi)孔公司施工。在開(kāi)孔器撤離和氨水閥安裝時(shí)，將集氣管壓力調(diào)至微正壓狀態(tài)，避免大量荒煤氣大量外泄。

4）對(duì)相關(guān)接口進(jìn)行對(duì)接：將助燃介質(zhì)蒸汽和氮?dú)庖练派⒐芩路狡脚_(tái)（DN=50 mm）；將電源和煤氣鼓風(fēng)機(jī)信號(hào)引至新增放散系統(tǒng)自動(dòng)控制柜。

5）升級(jí)擴(kuò)能的放散系統(tǒng)按照以下施工工藝進(jìn)行：組裝放散管框架及平臺(tái)→組裝燃燒器與放散管段及配套平臺(tái)→安裝控制柜定位→敷設(shè)控制電纜橋架→吊裝方框架→吊裝成套放散管→安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)→安裝蒸汽閥組及管道→補(bǔ)刷油漆→安裝電氣。

4 升級(jí)擴(kuò)能效果

該企業(yè)4 座焦?fàn)t均進(jìn)行了升級(jí)擴(kuò)能，每座焦?fàn)t新增4 套DN=900 mm 荒煤氣自動(dòng)放散點(diǎn)火控制系統(tǒng)，包含放散管及框架、燃燒系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等幾大部分。圖4 中間兩個(gè)放散系統(tǒng)為在線施工升級(jí)的放散系統(tǒng)，滿足了焦?fàn)t極端工況的放散需求。

圖4 新增放散系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖

1）增加了原焦?fàn)t荒煤氣放散能力，放散能力由2.72 萬(wàn)m3/h 增加到12 萬(wàn)m3/h，滿足了極限狀態(tài)下焦?fàn)t荒煤氣放散需求。焦?fàn)t在遇到停電等重大故障情況時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)荒煤氣黃煙冒出，均通過(guò)新增的放散系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)燃后排放，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境和焦?fàn)t爐體安全。

2）荒煤氣放散系統(tǒng)在線升級(jí)擴(kuò)能施工，施工時(shí)不影響焦?fàn)t生產(chǎn)，為焦?fàn)t在線升級(jí)荒煤氣放散能力提供了示范性應(yīng)用案例。

3）放散系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)能投運(yùn)后，原放散系統(tǒng)可作為新增系統(tǒng)的補(bǔ)充予以保留，進(jìn)一步提高放散的可靠性。

5 結(jié)論

1）國(guó)內(nèi)在用的荒煤氣放散能力不足的焦?fàn)t，均可以通過(guò)計(jì)算極限狀態(tài)下荒煤氣排放所需最小管徑，在線不停工進(jìn)行施工，通過(guò)增加焦?fàn)t荒煤氣放散能力實(shí)現(xiàn)其達(dá)標(biāo)排放。

2）新增放散系統(tǒng)開(kāi)孔位置應(yīng)根據(jù)焦?fàn)t現(xiàn)場(chǎng)條件，按照經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性等要求，選擇在集氣管正上方或側(cè)面位置進(jìn)行開(kāi)孔，同時(shí)，新增位置還應(yīng)便于操作、維護(hù)及檢修。

3）焦?fàn)t荒煤氣放散裝置在線升級(jí)擴(kuò)能還應(yīng)充分考慮常年風(fēng)向條件、集氣管使用年限、集氣管壁厚等因素對(duì)設(shè)計(jì)和施工的影響。

4）焦?fàn)t荒煤氣放散裝置在線升級(jí)擴(kuò)能施工時(shí)，要合理組織生產(chǎn)，集氣管壓力必要時(shí)應(yīng)處于正壓，既要確保升級(jí)擴(kuò)能安全施工，又要保證焦?fàn)t安全生產(chǎn)。