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(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 引言

煉焦過程中產(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)雜的碳氫化合物等有害物質(zhì)，其中以苯并芘為代表的多環(huán)芳烴有很強的致癌性，所以煉焦過程中要嚴格控制焦?fàn)t荒煤氣外泄。實際生產(chǎn)中，當(dāng)后續(xù)煤氣輸送系統(tǒng)因鼓風(fēng)機故障、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，都有可能造成荒煤氣的無序逸散和焦?fàn)t冒煙、冒火[1-3]。因此，焦?fàn)t都設(shè)計有爐頂荒煤氣放散裝置。如集氣管壓力超過設(shè)定值，將自動打開設(shè)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?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，對焦?fàn)t荒煤氣放散沒有太多要求，導(dǎo)致大部分在用焦?fàn)t爐頂荒煤氣放散裝置能力偏低，不能滿足滿負荷生產(chǎn)狀態(tài)下突發(fā)故障時的放散需要，特別是大范圍停電狀態(tài)下，循環(huán)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(shù)增加，荒煤氣極易沖開上升管或爐門、爐體出現(xiàn)嚴重冒煙、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?fàn)t荒煤氣放散升級需求，確保了荒煤氣達標(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t。設(shè)計焦?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)過反復(fù)測算，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m3/h，16 套放散系統(tǒng)總放散能力為2.72 萬m3/h，占正常煤氣發(fā)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(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，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題，均需進行升級擴能，提高放散能力，避免環(huán)境污染和焦?fàn)t爐體損壞。

2 在線擴能升級方案研究

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，并在線進行擴能升級施工。

2.2 擴能所需最小管徑測算

經(jīng)過測算，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(fā)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?fàn)t均處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，荒煤氣放散系統(tǒng)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(cè)面。兩種位置各有優(yōu)缺點，均可以實現(xiàn)有效放散，具體選擇可以根據(jù)現(xiàn)場條件，按照最經(jīng)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(yōu)點：現(xiàn)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(yè)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(xié)助；相對側(cè)面開孔成本較低；施工較為方便，對正常生產(chǎn)影響時間較短。

集氣管正上方開孔缺點：欄桿側(cè)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(chǎn)有一定的影響。

2.3.2 集氣管側(cè)面開孔

集氣管側(cè)面開孔圖如圖3 所示。

圖3 集氣管側(cè)面開孔示意圖

集氣管側(cè)面開孔優(yōu)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??；施工較為方便，對正常生產(chǎn)影響時間較短。

集氣管側(cè)面開孔缺點：要新增放散管及執(zhí)行器平臺，現(xiàn)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(cè)集氣水平側(cè)面開孔及新增平臺施工難度大，無現(xiàn)成作業(yè)面，吊車配合作業(yè)時間長；改造及需要生產(chǎn)配合的時間較長。

3 在線擴能升級設(shè)計與施工技術(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)場條件，在線擴能升級新增放散系統(tǒng)開孔選擇正上方開孔方式進行。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

考慮新增放散系統(tǒng)將會導(dǎo)致原集氣管托架、底部支架及立柱承載負荷增加，設(shè)計時應(yīng)嚴格控制新增設(shè)備重量，同時要對相應(yīng)部位進行優(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)支架來承擔(dān)。

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(chǎn)的影響降低到最低程度，施工過程需充分考慮現(xiàn)場條件限制，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)了原有操作平臺的位置，需要修改現(xiàn)有集氣管上部走行平臺。修改前首先要對現(xiàn)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(diào)整，以便增加托架、立柱及底部支撐梁，為現(xiàn)有平臺外側(cè)增加新的行走平臺創(chuàng)造條件。

2）安裝新增放散所需的底部結(jié)構(gòu)以配合開孔。對開孔位置下部對應(yīng)爐柱進行增加支撐、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孔，由專業(yè)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(diào)至微正壓狀態(tài)，避免大量荒煤氣大量外泄。

4）對相關(guān)接口進行對接：將助燃介質(zhì)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(fēng)機信號引至新增放散系統(tǒng)自動控制柜。

5）升級擴能的放散系統(tǒng)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(shè)控制電纜橋架→吊裝方框架→吊裝成套放散管→安裝執(zhí)行機構(gòu)→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(yè)4 座焦?fàn)t均進行了升級擴能，每座焦?fàn)t新增4 套DN=900 mm 荒煤氣自動放散點火控制系統(tǒng)，包含放散管及框架、燃燒系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等幾大部分。圖4 中間兩個放散系統(tǒng)為在線施工升級的放散系統(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)場圖

1）增加了原焦?fàn)t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(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，現(xiàn)場無荒煤氣黃煙冒出，均通過新增的放散系統(tǒng)自動點燃后排放，保護了生態(tài)環(huán)境和焦?fàn)t爐體安全。

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

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

5 結(jié)論

1）國內(nèi)在用的荒煤氣放散能力不足的焦?fàn)t，均可以通過計算極限狀態(tài)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?fàn)t荒煤氣放散能力實現(xiàn)其達標(biāo)排放。

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

3）焦?fàn)t荒煤氣放散裝置在線升級擴能還應(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設(shè)計和施工的影響。

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