高炉煤气放散塔火炬系统的改造实践

摘要：随着高炉炼铁工艺的不断进步，高炉煤气的热值在不断降低，放散后的高炉煤气出现无法点燃的问题。应用某项专利技术，利用高炉煤气代替常用的焦炉煤气作为放散塔的点火伴烧气源，对高炉煤气放散塔的火炬系统进行了改造。改造后的运行情况表明，高炉煤气放散塔能够实现可靠的点火放散，既减轻了对大气的污染，又节约了点火伴烧用的燃料气源，创造了巨大的经济效益。

关键词：高炉煤气，放散塔，火炬，改造

1、 背景

1.1主要问题

首钢京唐公司高炉煤气放散燃烧系统由3×DN2000净煤气放散塔以及自动点火控制等系统组成，放散塔高度125米，点火伴烧气源为焦炉煤气。在投产后，即使有伴烧火焰存在的情况下，高炉煤气也不能被点燃，主火炬一直不能实现点火放散，且当高炉煤气放散量较大时，还会出现伴烧火焰被熄灭的情况。

高炉煤气是高炉炼铁的副产品，其主要可燃成分是CO和少量H2，此外还含有大量的N2和CO2。随着高炉炼铁工艺的不断进步，高炉的效率也在不断提高，随之带来的是高炉煤气的热值在不断降低，其着火温度相应提高，高炉煤气放散塔由于暴露在低温的大气环境下，即使有伴烧火焰存在的情况下也会产生煤气无法点燃直接放散的情况，造成严重的大气污染，甚至会引起中毒事故的发生，因此高炉煤气必须采用点火放散的形式排向大气。 1.2原因分析

经分析，目前高炉煤气放散塔无法实现点火的主要原因如下： 其一，首钢京唐公司采用的是5500立方米的特大型高炉，与普通高炉相比，所产生的高炉煤气热值较低，详见表1，这是造成高炉煤气无法着火的根本原因。

表1：高炉煤气成分及热值对比 项目 CO2/% CO/% H2/% N2/% CH4/% 热值/kJ/m3 普通高炉[1] 10～16 24～30 1～2 57～59 0.3～0.8 3269～4334 特大高炉 19.8～25.0 18.8～25.0 2.1～4.2 48.0～56.3 0.4～0.6 2787～3910 与普通高炉相比，特大型高炉所产生的高炉煤气中CO含量明显降低，而CO2

则相对提高，造成高炉煤气热值比普通高炉平均降低约10～15%。

其二，用于主火炬伴烧的焦炉煤气压力较低，火焰刚度不够。焦炉煤气管网压力约6kPa，但由于放散塔较高，且设计管径较小（DN50～DN25），加之焦炉煤气中的焦油、萘等杂质会沉积在管道内壁，使得管道阻损较大，因此到达火炬顶部时焦炉煤气压力很低。 1.3解决方案

首钢京唐公司低压焦炉煤气管网采用干式稀油密封煤气柜[2]并网运行的方式稳定压力，因此管网压力不可能大幅度提高。若增加伴烧焦炉煤气管道的直径，一方面会增加焦炉煤气的使用量，另一方面到达火炬顶部后焦炉煤气的压力仍旧会低于6kPa，火焰刚度仍显不足。若采用加压后的焦炉煤气，虽能保证焦炉煤气的压力，但也不是较为经济的方案。

经联系某厂家，得知可采用某项专利技术，在添加催化剂的情况下能够直接点燃低热值的高炉煤气，因此直接使用高炉煤气作为点火伴烧气源成为可能。由于我公司高炉煤气低压管网压力为10kPa，其压力比焦炉煤气高出近一倍，且使用高炉煤气代替焦炉煤气作为伴烧气源，一方面能够节约高品位的煤气供给其他用户，另一方面，采用需要放散的那部分高炉煤气作为伴烧气源，可以认为未增加额外的介质消耗以满足点火放散的要求。因此我公司考虑应用此项技术对放散塔的火炬系统进行改造，为慎重起见，决定在地面上进行小型试验，试验成功后可对放散塔火炬系统进行整体改造。

2、 试验方案及结果

2.1试验方案

向高炉煤气中混入不同比例的氮气以模拟不同热值的高炉煤气，再以明火将混合气体点燃，使其在燃烧器处稳定燃料，其中燃烧器为实际放散塔所用的点火伴烧器，燃烧器顶部设有防护罩，罩内装有催化剂以保证低热值的煤气稳定燃烧。在混合点后设置一台混合器，能够有效地保证煤气与氮气的均匀混合，在气体混合器尾部设置一个取样点，利用球胆对混合后的气体取样后送入色谱分析仪对气体成分及热值进行检验。具体详见图1。由于高炉煤气燃烧后产生的火焰为淡蓝色，为了便于观察是否着火，因此试验主要安排在傍晚进行。

催化剂

取样点 氮气 0.8MPa 防护罩 燃烧器 高炉 煤气 10kPa 气体混合器 图1：系统流程示意图

2.2试验结果

通过逐渐提高混入高炉煤气中氮气的比例，使混合气体的热值逐渐降低，在能够着火的条件下获得试验结果如表2所示。

表2：试验结果及主要现象 序号 热值kJ/m3 主要现象 无需常明火即可实现稳定燃烧，火焰总长度约2米，火焰1 3066 可利用长度约1.2～1.5米 2 3 4 5 2734 2248 2196 2115 无需常明火可基本实现稳定燃烧，但火焰总长度相对较短，约1米 无需常明火可基本实现稳定燃烧，但火焰总长度更加短小，仅0.3～0.5米 防护罩内紧靠催化剂处无需常明火可基本实现稳定燃烧，防护罩外的火焰燃烧不稳定，容易熄灭 必须有常明火存在方能燃烧，无常明火时火焰立即熄灭 试验结果表明，当降低到我公司高炉煤气最小设计热值时，点火伴烧器能够在无需常明火的条件下稳定燃烧，说明采用高炉煤气作为点火伴烧气源对放散塔火炬系统进行改造是可行的。

3、 改造实践

3.1主要改造项目

我公司高炉煤气放散塔原设计主要工艺技术参数如下： 1）形式：三管塔式

2）放散能力：3×300,000 立方米/小时 3）放散塔高度：约125米 4）放散管径：3×DN2200 5）放散介质：高炉煤气 6）点火介质：焦炉煤气

1#放散管燃烧器3#放散管燃烧器2#放散管燃烧器点火伴烧器DN25燃气分配器DN200X800125mDN100DN100DN100氮气快切阀高炉煤气排水器图2：放散塔火炬系统改造示意图

改造后的放散塔火炬系统如图2所示，应用高炉煤气作为点火伴烧气源的技术，主要对放散塔进行了如下改造：

1、从放散塔附近高炉煤气主管网上的DN200放散管处引出一根DN200管道，作为点火伴烧气源。至放散塔底部沿一根放散管垂直向上，到放散塔顶层平台上再分为3根DN100的管道与3个燃气分配器相接；

13m2、在每根放散管燃烧器旁分别安装3套高空点火伴烧器（点火气源使用自身放散的高炉煤气），以保证放散的高炉煤气能够点燃并且安全、可靠地充分燃烧；

3、使用具有高压调理功能的高压发生调理器，从而保证了高压系统的稳定性和可靠性。高压发生调理器安装在塔架约90米的新建平台上，从主控制器到该新建平台，沿原有电缆槽盒敷设一根约150米KVVR20×2.5控制电缆；

4、每根放散管新设火焰探测检组件三套，并接入原火焰监测系统，点火伴烧的主控制系统利旧改造，实现全自动、半自动、硬手动点火的功能；

5、在DN200的高炉煤气管线上安装一套气动快切阀，当高炉煤气压力低于某设定值时，自动切断高炉煤气气源，在DCS上要求有远程复位功能。 3.2系统运行方案

当主管网压力高于设定值时，由放散控制系统将放散的信号馈送到主控制系统，系统认为有高炉煤气向放散管放散。经数秒延时处理后，由PLC等组成的控制器，控制高压发生调理器输出高压电，使高空点火伴烧器内的电梯发生装置产生面状电弧火源，同时打开气动球阀向高空点火伴烧器内喷入高炉煤气，高炉煤气与空气自动配比混合，遇电弧火源被点燃，自高空点火伴烧器顶部喷出火焰，同时引燃放散管的放散煤气。

放散煤气点燃后，由对应的火焰探测组件检测到火焰信号，反馈给控制系统，系统停止向高空点火伴烧器供给高压电，高空点火部分停止工作，高空点火伴烧器转变为高空伴烧器。放散结束主管网压力低于某值时，自动关闭伴烧燃料气，系统处于监控循检状态。

当因某种原因，放散管意外熄灭，放散气体依然存在时，系统将自动重新点火，以保证放散管放散的气体可靠、充分的燃烧，确保系统的安全性。

4、 效果评价

放散塔火炬系统经改造后运行至今，基本能够稳定地点火运行。通过引入高炉煤气作为点火伴烧气源对放散塔的火炬系统进行改造，使高炉煤气通过放散塔能够安全可靠地实现点火后放散，减少了对大气的污染及直接对空放散可能引起中毒事故的危险。

由于采用了高炉煤气代替焦炉煤气作为点火伴烧气源，大大节约了高品质的焦炉煤气。原放散塔设计点火伴烧焦炉煤气用量为3×100立方米/小时，按我公司焦炉煤气定价0.42元/立方米计算，每年可节约焦炉煤气折合人民币为：0.42×3×100×24×365=1,103,760元，为公司创造了巨大的经济效益。

参考文献 [1] 《钢铁企业燃气设计参考资料》编写组. 《钢铁企业燃气设计——煤气部分》[M]. 冶金工业出版社. 1978年6月. 4

[2] 周新媛. 稀油密封活塞式干式煤气柜结构简介[J]. 钢铁厂设计. 1993.2：55～56