單座高爐生產狀態下煤氣系統的安全技術

摘 要

摘要：探討了單座高爐生產狀態下高爐煤氣系統存在的問題及處理方法。關鍵詞：高爐煤氣管網；安全閥；腐蝕Safety Technology of Coal Gas System under Conditions of Single Blast
摘要：探討了單座高爐生產狀態下高爐煤氣系統存在的問題及處理方法。
關鍵詞：高爐煤氣管網；安全閥；腐蝕
Safety Technology of Coal Gas System under Conditions of Single Blast Furnace Production
CHEN Pei-yu，LIU Zhen-ming，GA0 Jin-tao，LI Shi-qi
Abstract：The problems and solutions of coal gas system under conditions of single blast furnace production are discussed.
Key words：blast furnace gas network；safety valve；corrosion
    天津鋼管制鐵有限公司目前有1座1000m3高爐，2005年1月24日投產，通過5年多的生產，暴露出一些問題。借鑒其他單位煤氣系統的運行經驗，通過改造實踐，總結提出煤氣系統的安全技術。
1 高爐煤氣系統工藝流程
    天津鋼管制鐵有限公司煤氣系統的工藝流程是[1]：高爐產生的煤氣通過高爐下降管至重力除塵器，重力除塵器后的荒煤氣至干式布袋除塵系統，干式除塵后的凈煤氣通過調壓閥組或高爐煤氣余壓發電系統(TRT)調壓后至凈煤氣管網，通過凈煤氣管網分配給用戶。高爐煤氣的用戶主要是3臺頂燃式熱風爐、2臺鍋爐、1臺燒結機，剩余煤氣放散。高爐頂壓為180kPa，調壓后的煤氣壓力為9kPa，高爐煤氣平均流量20×104m3/h，最大流量為23×104m3/h，熱風爐的用氣量為(6～10)×104m3/h，鍋爐的用氣量為7×104m3/h，燒結機的用氣量為8000m3/h，有(2.2～9.2)×104m3/h煤氣需通過放散塔放散。高爐煤氣系統流程見圖1。
 
2 高爐煤氣系統存在的問題及解決措施
   ① 由于單座高爐生產，煤氣量較大，煤氣用戶較少，有(2.2～9.2)×104m3/h的煤氣需經放散塔放散。高爐異常崩料、塌料時煤氣放散量很大，低壓凈煤氣管網的壓力主要靠煤氣放散塔的調節閥來調節，煤氣流量增大時，凈煤氣管網的壓力也增大，因放散塔的調節閥調節時間較長，凈煤氣壓力調節滯后，煤氣用戶又較少，煤氣無法盡快放散出去，造成管網壓力升高，水封擊穿，波紋管補償器拉壞，各煤氣用戶緊急?；?，高爐被迫緊急休風，在高爐投產初期已造成兩次這樣的管網事故。根據此現象，我們對煤氣管網進行了充分的分析，為保證高爐及各煤氣用戶的正常生產，在低壓凈煤氣管網上增加了3個DN 300mm的煤氣安全閥，安全閥的開啟壓力為20kPa，水封的擊穿壓力為35kPa。當低壓凈煤氣管網壓力升高到安全閥的開啟壓力時，安全閥自動開啟，及時將煤氣放散出去；當煤氣壓力低于安全閥的關閉壓力時，安全閥自動關閉。因3個安全閥泄放了部分煤氣，又有放散塔調節閥及水封的調節，自此凈煤氣管網再未出現過問題，保證了凈煤氣管網的安全。
    ② TRT的運行是高爐降低成本的有效措施[2]，特別是干式除塵，單位產量鐵發電量比濕式除塵提高30%，經濟效益、環保效益巨大。但隨著TRT的運行，煤氣系統也出現了一些問題。如TRT正常運行時，機組投運、并網、升功率過程中高爐頂壓由高爐側控制，這個過程需緩慢控制，當達到一定功率，同時透平發電機組靜葉開到一定角度后，高爐頂壓靠TRT靜葉調節，高爐煤氣將不再通過調壓閥組，調壓閥組由自動改手動關閉。當TRT出現重大故障緊急停車時，TRT入口快切閥將在2s內快速關閉，透平發電機組旁通快切閥快速打開，將替代靜葉和調壓閥組來調節高爐頂壓，調壓閥組由手動改自動逐漸打開，再關閉TRT旁通快切閥。當TRT旁通快切閥打不開，調壓閥組打開速度較慢(調節閥從關閉到打開需90s)，高爐煤氣將無處可去，干式除塵系統、荒煤氣管網、爐頂壓力將迅速升高，當壓力升高到高爐爐頂放散壓力時，高爐爐頂放散閥被強制打開，高爐被迫緊急休風或損壞爐頂設備、干式除塵設備。這種現象在我國高爐生產中已出現多次。為避免這種現象的發生，我們在TRT入口快切閥前、煤氣干式除塵系統進、出口各增加了1個DN350mm的安全閥，放散壓力為195kPa，略高于爐頂壓力。當TRT旁通快切閥出現事故時，安全閥先開啟，放散一部分煤氣，隨著調壓閥組的打開，煤氣管網恢復正常。我廠自安裝了這3個安全閥后，安全閥已啟動了幾次，有效地保護了高爐生產。
    ③ 采用高爐煤氣干式除塵技術[3]，凈煤氣冷凝水中的氯離子含量顯著升高。這主要是由于高爐原料、燃料中的氯化物，在高爐冶煉過程中形成HCl。當煤氣溫度達到露點時，氣態HCl與冷凝水結合，形成酸性水溶液而引起酸腐蝕，對煤氣管道和不銹鋼波紋管補償器產生點腐蝕、應力腐蝕和局部腐蝕。高爐煤氣中富含的氯離子、硫酸根離子等形成的復合產物對不銹鋼、碳素鋼等腐蝕嚴重，造成高爐煤氣管網、設備損壞。突出反映在管道補償器上相繼出現不銹鋼波紋管嚴重點腐蝕穿孔、波紋管與接管環焊縫開裂、補償器內襯導流筒凸流道處沖蝕等重大隱患，造成在煤氣系統上廣泛應用的波紋管補償器大量失效和損壞，嚴重影響了高爐的穩定運行和煤氣正常輸送。同時，補償器泄漏后極易造成人員煤氣中毒和煤氣燃爆，引發安全事故。受酸性腐蝕影響，原使用的補償器平均壽命不足8個月。根據點腐蝕的防止措施，可適當提高材質中Cr含量，當其提高到25%以上時能顯著改善抗點蝕能力。還可提高材質的純凈度，降低碳和有害元素的含量。為了抑制煤氣管道系統的異常腐蝕，我們對煤氣管道波紋管補償器的腐蝕機理進行了分析研究，對不銹鋼波紋管補償器材質、結構進行了改進，選取相應的金屬材料制作波紋管來直接抵御腐蝕，如采用耐酸性的254SMo、800、825等不銹鋼材質。這里只介紹254SMo材質，其化學成分見表1。
表1 254SMo化學成分
成分
C
Mn
P
S
Si
質量分數/%
≤0.02
≤1.00
≤0.03
≤0.01
≤0.80
成分
Cr
Ni
Mo
N
Cu
質量分數
/%
19.50～20.50
17.50～18.50
6.00～
6.50
0.18～
0.22
0.50～
1.00
    由表1可以看出，254SMo不銹鋼是一種含碳量極低的高鉬含氮奧氏體不銹鋼，此鋼突出的特點是在氯化物環境中具有優異的耐腐蝕性，包括耐點腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和一般腐蝕的性能，同時在很多還原性酸介質中耐腐蝕性也很好。Cu的添加改善了該材料在某些酸中的耐腐蝕性能。此外，由于它較高的鎳、鉻含量，使其具有良好的抗應力腐蝕破裂性能。實際上，研制254SMo的出發點就是提供一種不太昂貴的選擇，替代某些場所使用的鎳基合金或鈦材。波紋管補償器材質由奧氏體不銹鋼316L改進為耐氯離子腐蝕的不銹鋼254SMo，提高了材質的抗酸腐蝕性能。還可以在煤氣管道內壁噴涂防腐涂料，使金屬管道與酸性腐蝕介質隔離，抑制管道異常腐蝕[4]。
參考文獻：
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[2] 吳洪亮，劉坤.鋼鐵企業煤氣高效利用技術的探討[J].煤氣與熱力，2007，27(4)：35-37.
[3] 郭亮，鄧茂忠，蔡富良.煤氣全干式除塵技術在大型高爐的應用[J].煤氣與熱力，2010，30(4)：B15-B17.
[4] 車立新，段常貴.埋地鋼質管道應力腐蝕開裂及其預防[J].煤氣與熱力，2006，26(10)：1-4.
 
(本文作者：陳培鈺1、2 劉振明2 高金濤1 李士琦1 1.北京科技大學 冶金與生態工程學院 北京 100083；2.天津鋼管集團股份有限公司 天津 300301)