焦爐荒煤氣放散系統在線擴能升級技術研究

武 云，孫寶東，侯國慶

（1.山西鴻泰來科技有限公司，山西 太原 030000；2.南京鋼鐵有限公司，江蘇 南京 211500；3.山西工程職業學院，山西 太原 030009）

0 引言

煉焦過程中產生的未經處理的煤氣俗稱荒煤氣，為黃褐色氣體混合物，成分復雜，含有焦油、硫化物、氰化物、氨和種類復雜的碳氫化合物等有害物質，其中以苯并芘為代表的多環芳烴有很強的致癌性，所以煉焦過程中要嚴格控制焦爐荒煤氣外泄。實際生產中，當后續煤氣輸送系統因鼓風機故障、突發停電、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管網壓力超壓時，都有可能造成荒煤氣的無序逸散和焦爐冒煙、冒火[1-3]。因此，焦爐都設計有爐頂荒煤氣放散裝置。如集氣管壓力超過設定值，將自動打開設置在集氣管上的放散閥，進行點火放散，從而避免荒煤氣直接排入大氣造成的嚴重污染，并保護焦爐爐體[4-8]。作為焦爐重要的附屬應急設施，由于以前環保要求低，對焦爐荒煤氣放散沒有太多要求，導致大部分在用焦爐爐頂荒煤氣放散裝置能力偏低，不能滿足滿負荷生產狀態下突發故障時的放散需要，特別是大范圍停電狀態下，循環氨水同時中斷，荒煤氣溫度急劇升高，荒煤氣體積呈幾何級數增加，荒煤氣極易沖開上升管或爐門、爐體出現嚴重冒煙、冒火現象，釀成環保事故和安全事故[5-8]。山西鴻泰來科技有限公司通過對集氣管在線開孔和放散裝置進行擴能升級，滿足了用戶在用焦爐荒煤氣放散升級需求，確保了荒煤氣達標排放，保證了爐體安全。

1 焦爐爐頂荒煤氣放散系統現狀

某焦化廠擁有4×55 孔5.5 m 搗固焦爐共4 座，年產能240 萬t。設計焦爐單孔炭化室裝煤量約38 t（干煤），正常4 座焦爐煤氣發生量約12 萬m3/h。

每座焦爐荒煤氣導出系統設兩段集氣管，單段集氣管分別配置荒煤氣放散系統（放散管DN=500 mm）2套，每座焦爐共計4 套放散系統。某焦化廠焦爐荒煤氣放散系統配置情況如表1 所示。

表1 某焦化廠焦爐荒煤氣放散系統配置情況

經過反復測算，該企業現有焦爐爐頂荒煤氣放散系統（放散管DN=500 mm）單套放散能力0.17 萬m3/h，16 套放散系統總放散能力為2.72 萬m3/h，占正常煤氣發生總量12 萬m3/h 的22.7%，遠遠不能滿足放散需求。如遇全廠性突發停電，循環氨水中斷，情況則更加惡劣。如圖1 所示為焦爐荒煤氣放散系統不足，焦爐因事故需要放散時，焦爐爐頂上升管、爐體等多處煤氣超壓導致荒煤氣到處彌散，嚴重污染環境。

圖1 現有焦爐放散系統不足導致黃煙彌漫

由于以前環保要求低，國內其他焦化企業老舊焦爐放散能力基本上都存在類似問題，均需進行升級擴能，提高放散能力，避免環境污染和焦爐爐體損壞。

2 在線擴能升級方案研究

2.1 總體思路

提高爐頂荒煤氣放散系統能力，及時排出突發事故狀態下的大量荒煤氣，避免惡性環保事故發生，最有效的方法是增大放散管管徑，并在線進行擴能升級施工。

2.2 擴能所需最小管徑測算

經過測算，該企業每座焦爐仍按4 套荒煤氣放散裝置系統進行配置，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m3/h 提升到0.75 萬m3/h（見表2），可滿足全部煤氣發生量放散需要。

表2 新增放散裝置放散管直徑測算

2.3 開孔位置選擇

由于在用焦爐均處于正常生產狀態，荒煤氣放散系統擴能升級只能采用在集氣管上在線新開孔的方式。

新增開孔位置既可以選擇集氣管正上方，亦可選擇于集氣管側面。兩種位置各有優缺點，均可以實現有效放散，具體選擇可以根據現場條件，按照最經濟、施工時間最短的原則或用戶需求來確定。

2.3.1 集氣管正上方開孔

集氣管正上方開孔示意圖如圖2 所示。

圖2 集氣管正上方開孔示意圖

集氣管正上方開孔優點：現有爐柱支撐只需簡單加固，在平臺下方制作方形框架來支撐新增放散的重量；全部改造作業集中在集氣管平臺，材料及開孔機械吊運至平臺，不需吊車長時間協助；相對側面開孔成本較低；施工較為方便，對正常生產影響時間較短。

集氣管正上方開孔缺點：欄桿側管道較多且較高，兼顧新增平臺的安全性和美觀性的同時平臺通道改造較為困難；新增平臺改造難度大；新增放散與上升管距離較近，存在上升管著火時炙烤放散塔架的情況；對正常生產有一定的影響。

2.3.2 集氣管側面開孔

集氣管側面開孔圖如圖3 所示。

圖3 集氣管側面開孔示意圖

集氣管側面開孔優點：新增放散不影響原走臺的布置；位置相對寬松；上升管著火時對放散塔架影響小；施工較為方便，對正常生產影響時間較短。

集氣管側面開孔缺點：要新增放散管及執行器平臺，現有承重平臺支撐牛腿需加長并延伸；承重增加，改造成本高；機側集氣水平側面開孔及新增平臺施工難度大，無現成作業面，吊車配合作業時間長；改造及需要生產配合的時間較長。

3 在線擴能升級設計與施工技術研究

3.1 新增放散系統位置選擇

根據該企業現場條件，在線擴能升級新增放散系統開孔選擇正上方開孔方式進行。底部設方形框架結構，以保證放散管的穩定[9-10]。

3.2 支撐結構設計

考慮新增放散系統將會導致原集氣管托架、底部支架及立柱承載負荷增加，設計時應嚴格控制新增設備重量，同時要對相應部位進行優化和加固，在原有的支撐梁和立柱上加裝支撐結構，讓新增放散設備的重量由底部結構支架來承擔。

3.3 施工工藝研究

為了保證施工過程的安全順利，將對正常生產的影響降低到最低程度，施工過程需充分考慮現場條件限制，編制科學合理的施工方案。

1）本次新增放散系統的開孔位置位于集氣管靠近端部正上方。由于現有放散管已占據了原有操作平臺的位置，需要修改現有集氣管上部走行平臺。修改前首先要對現有平臺欄桿、電纜橋架以及氨水、蒸汽和壓縮空氣管道等進行調整，以便增加托架、立柱及底部支撐梁，為現有平臺外側增加新的行走平臺創造條件。

2）安裝新增放散所需的底部結構以配合開孔。對開孔位置下部對應爐柱進行增加支撐、基礎鋼梁、鋼梁立柱的改造，提高原有結構承載力。

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

4）對相關接口進行對接：將助燃介質蒸汽和氮氣引至放散管塔下方平臺（DN=50 mm）；將電源和煤氣鼓風機信號引至新增放散系統自動控制柜。

5）升級擴能的放散系統按照以下施工工藝進行：組裝放散管框架及平臺→組裝燃燒器與放散管段及配套平臺→安裝控制柜定位→敷設控制電纜橋架→吊裝方框架→吊裝成套放散管→安裝執行機構→安裝蒸汽閥組及管道→補刷油漆→安裝電氣。

4 升級擴能效果

該企業4 座焦爐均進行了升級擴能，每座焦爐新增4 套DN=900 mm 荒煤氣自動放散點火控制系統，包含放散管及框架、燃燒系統、電控系統、點火系統等幾大部分。圖4 中間兩個放散系統為在線施工升級的放散系統，滿足了焦爐極端工況的放散需求。

圖4 新增放散系統現場圖

1）增加了原焦爐荒煤氣放散能力，放散能力由2.72 萬m3/h 增加到12 萬m3/h，滿足了極限狀態下焦爐荒煤氣放散需求。焦爐在遇到停電等重大故障情況時，現場無荒煤氣黃煙冒出，均通過新增的放散系統自動點燃后排放，保護了生態環境和焦爐爐體安全。

2）荒煤氣放散系統在線升級擴能施工，施工時不影響焦爐生產，為焦爐在線升級荒煤氣放散能力提供了示范性應用案例。

3）放散系統升級擴能投運后，原放散系統可作為新增系統的補充予以保留，進一步提高放散的可靠性。

5 結論

1）國內在用的荒煤氣放散能力不足的焦爐，均可以通過計算極限狀態下荒煤氣排放所需最小管徑，在線不停工進行施工，通過增加焦爐荒煤氣放散能力實現其達標排放。

2）新增放散系統開孔位置應根據焦爐現場條件，按照經濟性和施工便捷性等要求，選擇在集氣管正上方或側面位置進行開孔，同時，新增位置還應便于操作、維護及檢修。

3）焦爐荒煤氣放散裝置在線升級擴能還應充分考慮常年風向條件、集氣管使用年限、集氣管壁厚等因素對設計和施工的影響。

4）焦爐荒煤氣放散裝置在線升級擴能施工時，要合理組織生產，集氣管壓力必要時應處于正壓，既要確保升級擴能安全施工，又要保證焦爐安全生產。