劳广兵，刘向朋

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京 210019）

【摘 要】 高炉煤气放散塔作为钢铁联合企业调节煤气管网稳定的重要设施，起到了保护煤气系统安全的作用。长江钢铁高炉煤气放散塔运行多年，由于高炉扩容、系统落后等原因，存在放散能力不足、放散高度不够等问题。为解决这些问题，长江钢铁对高炉煤气放散塔的塔体、煤气管道材质、放散工艺以及计算机控制系统进行了升级改造。改造后，从根本上解决了放散塔运行中存在的问题，消除了安全隐患，节约了能源，并取得了一定的经济效益。

【关键词】 高炉煤气放散塔；放散能力；放散高度

0  引言

钢铁企业作为国民经济中能源消耗大户，其能耗约占全国总能耗的 10%^［1］。钢铁联合企业在炼焦、炼铁和炼钢的生产过程中会产生大量的焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气，这些煤气是极其重要的二次能源，占钢铁企业总能耗的 30%~40%^［2］ 。利用好钢铁企业副产煤气，不仅可以节约能源，还可以防止污染环境。

在实际生产过程中，高炉煤气的发生量和消耗量在一定程度上呈波动状态，为了解决这种短时间的供需不平衡问题，企业通常会在高炉煤气管网上设置高炉煤气柜。但生产计划的调整、煤气用户的检修等其他因素会造成煤气供需的长时间不平衡，这种不平衡仅靠高炉煤气柜是无法解决的。此时，为了保持高炉煤气发生和使用的平衡，需要在高炉煤气管网合适的位置建造高炉煤气放散塔，放散掉多余的高炉煤气。高炉煤气放散塔不仅可以保护设备的安全，而且可以保证高炉煤气管网压力稳定，不影响其他用户的使用和热工控制。另外，放散的煤气得到燃烧，也可以减少环境污染。

1 长江钢铁高炉煤气系统概况

长江钢铁现有2座1 080 m³ 高炉和1座1 250 m³高炉，3座高炉的高炉煤气总产气量约为80 万m³ /h，主要用户是高炉热风炉、轧钢加热炉和自备电厂。为了解决短时间高炉煤气供需不平衡问题、稳定管网压力，长江钢铁在原有1座10 万m³ 高炉煤气柜的基础上新建了1座 16.5万 m³ 高炉煤气柜。为了解决长时间高炉煤气发生和使用不平衡的问题，高炉煤气总管网上建有 1 座 3×DN 1200高炉煤气放散塔。

2 长江钢铁高炉煤气放散系统存在的问题

长江钢铁原有的 1座 3×DN 1200高炉煤气放散塔已运行多年，由于高炉扩容、系统落后等原因，导致存在如下问题。

（1）放散能力不足。原放散塔设计放散能力为24 万m³ /h，但实际最大的 1 座高炉最大产气量为 33 万 m³ /h，远超放散塔的设计放散能力，故现有放散塔的放散能力不足，存在较大的安全隐患。

（2）放散高度不够。原放散塔的放散高度为40 m，小于《钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范》（GB 51128—2015）中最低放散高度 50 m 的要求，存在煤气放散中毒的危险，且人站在放散塔火炬正下方，有明显灼热感。

（3）煤气系统腐蚀严重。由于 3 座高炉的高炉煤气均采用干法除尘，煤气中含有大量的Cl、S等酸性成分，且后续没有对高炉煤气采取有效除酸处理，导致煤气系统腐蚀严重。

（4）小流量放散时计量和调节不精确。由于放散管口径为DN 1200，当放散流量较小时，计量和调节不能够精确控制，导致放散塔对管网放散稳压能力滞后，管网压力波动相对较大。

（5）能源的浪费。原放散塔采用的是液化石油气“长明灯”，当放散塔处于放散状态时，液化石油气“长明灯”需长期点火伴烧，造成能源的浪费。且液化石油气需采用液化石油气瓶组气化系统，增加了具有火灾危险性甲类厂房的安全隐患。另外，液化石油气瓶组的更换也增加了人工成本。

（6）点火放散系统复杂，自动化程度不高。原煤气放散点火系统虽然具备自动点火功能，但由于运行时间长且控制系统落后，自动点火系统“长明灯”熄灭后需人工点火，耗时费力，既不能保证放散时煤气被及时点燃，也不能保证岗位职工的人身安全。

3 长江钢铁高炉煤气放散塔升级改造方案

3 . 1 塔体的改造

考虑到最大 1座高炉最大产气量为 33 万 m³ /h， 远大于放散塔最大初始设计放散能力 24 万 m³ /h。 若对原放散塔进行利旧改造，即仅对计量和调节系统进行更换，根据核算，单根放散管最大放散流量需达到 11 万 m³ /h，对应流速需达到 38 m/s。咨询放散塔生产厂家得知，当放散煤气流速>30 m/s 时，易产生脱火现象，造成燃烧器熄火。故需要将已有的3×DN 1200 高炉煤气放散塔整体拆除，新建 1 座3×DN 1400 高炉煤气放散塔，该放散塔放散管最大流速为 28 m/s，满足流速≤30 m/s 的要求，不易产生脱火现象。

依据《石油化工企业设计防火标准》（GB 50160—2008）2018 年版中的火炬辐射热对人员影响（见表 1），按照人员穿有适当衣服可长期停留的地点，选取允许辐射热强度为1.58 kW/m² 。

此时，放散塔计算高度为：

式中：R—受热面与火焰中心的距离，m；

ɛ—火焰的辐射率，高炉煤气ɛ=0.1；

Q—火焰的总发热量，kJ/h；

q—辐射热强度，kJ/（m² ⋅h）。

按照无热辐射屏障设施，操作人员穿有适当防护衣时可停留几分钟的地点，选取允许辐射热强度为4.73 kW/m²。此时，放散塔计算高度为：

而《钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范》（GB 51128—2015）中要求的最低放散高度为 50 m，大于按辐射热计算的高度。由于放散塔最大流量为10万m³ /h，最低放散高度也需要达到50m，考虑到系统最大流量为33万 m³/h，适当增加放散高度， 最终选取放散高度为65 m。

3.2 煤气管道材质的改造

 长江钢铁高炉煤气采用干法除尘，并且未经过脱氯除酸措施，高炉煤气中的Cl、S等酸性成分含量较高，会导致煤气管道腐蚀穿孔，影响煤气系统安 全。普通材质 Q345B板材耐腐蚀性能较差，试验证 明 Q345B 板材的腐蚀速率为 Q345NS 板材的 3.5 倍^［3］，采用 Q345NS 板材可以显著延长管道使用寿命。故改用耐酸性腐蚀较好的Q345NS板材。

3.3 放散工艺的改造

为了在放散量较小时也可精准调节管网压力，此次改造在原放散系统的一根放散管上增加了DN 600的旁通，单独进行计量、调节。设置该旁通可以避免单独增加一根火炬，降低成本。改造后高炉煤气放散塔工艺流程图见图1。

为实现放散塔快速调节管网压力的功能，放散系统调节阀和蝶阀均采用液动阀。每个液动调节阀设有液压控制阀台，控制用比例阀采用进口设备，并配备闭环控制器，以确保调节阀控制精度。配套新建一套液压站为液动阀提供动力，液压站配套设有蓄能器，可保证每个液动阀全行程动作2次。

原液化石油气“长明灯”需要长期伴烧，此次改造通过在燃烧器中将高炉煤气催化，提高了低热值高炉煤气的燃烧性能，实现了高炉煤气催化自点火，节约了大量的液化石油气。

3.4 计算机控制程序的改造

为了能够对放散塔点火、灭火和安全报警进行有效控制，编制以下计算及控制程序。

3.4.1 点火程序

（1）当管网压力≥10.2 kPa 并持续 10 s 后，打开DN 600 放散管的调节阀，对 1#燃烧器进行点火，使煤气燃烧。

（2）当 DN 600 放散管的调节阀已全部打开，管网压力≥10.4 kPa 并持续 10 s 后，打开 1#DN 1400 放散管的调节阀，对高炉煤气进行点火，使煤气燃烧。

（3）当1#DN 1400放散管的调节阀已全部打开，管网压力≥10.7 kPa 并持续 10 s 后，打开 2#DN 1400放散管的调节阀，对2#燃烧器进行点火，使煤气燃烧。

（4）当2#DN 1400放散管的调节阀已全部打开，管网压力≥11.0 kPa 并持续 10 s 后，打开 3#DN 1400放散管的调节阀，对3#燃烧器进行点火，使煤气燃烧。

以上步骤中，若放散过程中出现熄火现象，则需要将相应的放散点火程序重复一遍，直至燃烧稳定。

3.4.2 灭火程序

（1）当管网压力≤11.0 kPa 并持续 10 s 后，将3#DN 1400 放散管的调节阀开度慢慢关小，直至关闭。

（2）当3#DN 1400放散管的调节阀已关闭，管网压力≤10.7 kPa 并持续 10 s 后，将 2#DN 1400 放散管的调节阀开度慢慢关小，直至关闭。

（3）当2#DN 1400放散管的调节阀已关闭，管网压力≤10.4 kPa 并持续 10 s 后，将 1#DN 1400 放散管的调节阀开度慢慢关小，直至关闭。

（4）当 1# DN 1400 放散管的调节阀已关闭，管网压力≤10.2 kPa并持续10 s后，将DN 600放散管的调节阀开度慢慢关小，直至关闭。

3.4.3 报警

（1）煤气管网压力报警：当煤气放散塔调节阀全开，管网压力≥12.0 kPa 时，发出煤气管网超压报警。当放散塔调节阀全关，管网压力≤6.0 kPa时，发出煤气管网低压报警。

（2）液压油系统报警：设置油箱油位低位报警、油泵故障报警、油温高温报警和液压油低压报警。

（3）电控系统报警：当放散塔系统停电时，阀门保持原位，此时控制系统由 UPS供电并发出停电报警，电磁阀及比例阀可由 UPS供电。当火焰温度低时，点火控制柜发出熄火信号，PLC发出熄火报警。

在控制室设“自动”和“ 手动”点火切换开关。“自动”状态下实现自动点火，“手动”状态下可在控制室内或现场操作平台上手动远程进行点燃操作。为了防止煤气流量较小时发生回火，系统在调节阀开启时向分子封里持续通入氮气。  

4 升级改造后的效果

放散塔改造投运3年以来，运行良好，从未出现过因为放散量超设计能力而导致管网压力升高到较大值（12kPa）的情况。

放散塔放散流量较小时，该系统可以快速反应，管网波动较小。放散量较大时，3根放散主火炬 同时放散，工作人员在放散火炬正下方未感受到明显的灼烧感。

高炉煤气催化自点火运行效果良好，由于采用了高炉煤气催化自点火，大大节约了需要外购的伴烧气源液化石油气。原放散塔所需伴烧液化石油气耗量约为 5m³ /h，按单价20元/m³ 计算，每年可节约人民币 87.6万元，同时，还节约了液化石油气瓶组更换的人工成本。

5 结论

通过增大高炉煤气放散塔管径、增高放散塔高度、更换管道材质、增加小口径旁通、增设高炉煤气自点火装置以及完善计算机控制程序等方法，有效地解决了长江钢铁煤气放散能力不足及管道腐蚀的问题。升级改造后，系统未出现管网超压现象，可以实现小流量精准调节，每年节约液化石油气点火费用约87.6万元。

参考文献

[1] 陈晓伟，陈伟，田朝，等 .钢铁企业煤气平衡问题探究与改进［J］. 冶金动力，2021（3）：32-34.

[2] 姜荣，叶传勇.恒场强脱磁器在酒钢选烧厂的试验研究［J］.酒钢科技，2015（2）：65-67.

[3] 刘健，胡学文，李宁.长寿命煤气管道的研究与应用［C］//2019年全国冶金燃气专业年会论文集，2019：70-73.