轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器隔斷裝置的安全設(shè)置

張新法 王計寶 胡云 那顯松 金勇成

(1.遼寧省檢驗檢測中心安科院 沈陽 110004； 2.東北大學(xué)冶金學(xué)院 沈陽110004；3.鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 遼寧鞍山114021)

0 引言

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣一次除塵主要有兩種工藝，即以O(shè)G法為代表的濕法凈化回收工藝和以LT法為代表的干法凈化回收工藝[1-3]。濕法除塵最大的問題是煤氣含塵量較高，需配套電除塵器進(jìn)行精除塵才能將含塵質(zhì)量濃度降低至10 mg/Nm3以下。相對而言，轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵工藝具有除塵效率高(含塵質(zhì)量濃度可降低到10 mg/Nm3)、運行費用低(約為濕法的50%)、占地少、投資回收期短、用水量少等顯著優(yōu)勢，是轉(zhuǎn)爐煙氣凈化回收的發(fā)展方向[4-5]，也是現(xiàn)行工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的推薦工藝。近年來，新建大型轉(zhuǎn)爐基本全部采用干法工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)爐一次除塵凈化，實現(xiàn)煤氣回收，且隨著國家環(huán)保要求更加嚴(yán)格，促進(jìn)了現(xiàn)有濕法工藝系統(tǒng)不斷被干法工藝系統(tǒng)替代。截止到2018年，全國已建成投用轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵干法系統(tǒng)在200套以上，干法除塵系統(tǒng)安全運行問題不容忽視。鋼鐵冶金企業(yè)事故統(tǒng)計表明，高溫熔融金屬泄漏、噴濺、爆炸和冶金煤氣中毒、爆炸導(dǎo)致的群死群傷事故是鋼鐵冶金生產(chǎn)安全事故后果嚴(yán)重性的集中體現(xiàn)[5-9]。

電除塵器既是轉(zhuǎn)爐煙氣一次除塵和轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵工藝系統(tǒng)中的核心工藝設(shè)備，也是鋼鐵企業(yè)重要的煤氣設(shè)施，一直是安全生產(chǎn)工作關(guān)注的重點設(shè)備，采取的安全技術(shù)措施包括O2含量在線監(jiān)測及聯(lián)鎖、泄爆、吹掃置換等。然而，電除塵器出入口管道的隔斷裝置如何安全設(shè)置的問題，卻在認(rèn)識和實踐中產(chǎn)生了分歧。特別是，《工貿(mào)行業(yè)重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》(安監(jiān)總管四[2017]129號)將“高爐、轉(zhuǎn)爐、加熱爐、煤氣柜、除塵器等設(shè)施的煤氣管道未設(shè)置可靠隔離裝置和吹掃設(shè)施”規(guī)定為重大事故隱患的判定依據(jù)后，煤氣安全檢查人員對標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的理解、判斷尺度不一致，給鋼鐵企業(yè)安全生產(chǎn)工作帶來困擾，且盲目的改造行為同樣會帶來新的事故風(fēng)險。因此，電除塵器出入口管道的隔斷裝置安全和合理的設(shè)置成為迫切需要明確問題。

1 電除塵器在轉(zhuǎn)爐煤氣凈化中的應(yīng)用

電除塵器是在高壓靜電場的作用下，使兩極(陰極和陽極)間的氣體電離，產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子，致使通過電場的煙氣塵粒與所電離的粒子結(jié)合而荷電，隨后荷電粒子在電場力的作用下分別向異極電極移動，從而使煙氣中的塵粒與氣體分離，凈化了氣體，而荷電塵粒沉積于極板表面，當(dāng)極板上的粉塵越積越厚，會使極板間距變小，這時啟動振動打脫裝置將極板表面上的灰塵振落到積灰倉。從電除塵器的工作原理可以看出電除塵器的工作過程為：氣體電離—粉塵荷電—荷電粉塵粒子在電場力的作用下向異極方向移動—荷電粒子沉積—清除極板灰塵[10]。

1906年，電除塵技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，由于其良好的除塵性能，逐漸在燒結(jié)、焦化、煉鐵和煉鋼等鋼鐵生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。我國鋼鐵工業(yè)使用電除塵器始于1954年，吉林鐵合金廠鉬精礦焙燒煙氣凈化采用自前蘇聯(lián)引進(jìn)的一臺臥式四電場電除塵器。我國“七五”期間研制屋頂式電除塵器，并于1989年應(yīng)用于鞍鋼煉鋼二次除塵，即針對煉鋼生產(chǎn)中兌鐵水、加廢鋼等非氧氣吹煉過程[11]。以電除塵器為主要技術(shù)設(shè)備的煉鋼一次除塵干法工藝最早是由德國魯奇(LURGI)和蒂森(THYSSEN)在20世紀(jì)60年代末聯(lián)合開發(fā)的，并于1983年應(yīng)用在BRUCKHAUSEN鋼廠2座400 t轉(zhuǎn)爐，此法簡稱為LT法[12]。目前，魯奇的LT法及奧鋼聯(lián)的DDS法都是廣泛應(yīng)用的干法轉(zhuǎn)爐一次煙氣除塵工藝，常見電除塵器為臥式圓筒結(jié)構(gòu)。實際上在鋼鐵企業(yè)中，電除塵器在轉(zhuǎn)爐煤氣除塵凈化應(yīng)用于兩個方面：一是電除塵器設(shè)置在轉(zhuǎn)爐之后、煤氣柜之前，用于轉(zhuǎn)爐一次煙氣除塵凈化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煤氣回收，如圖1(a)；二是電除塵器設(shè)置在轉(zhuǎn)爐煤氣柜之后，用于回收轉(zhuǎn)爐煤氣的二次凈化，實現(xiàn)對用戶高品質(zhì)轉(zhuǎn)爐煤氣的供給，如圖1(b)。通常將轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵稱為煉鋼一次除塵，轉(zhuǎn)爐煤氣二次除塵稱為轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵，為防止和煉鋼二次除塵概念混淆，實踐中將煤氣柜后的除塵稱轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵更合理?！朵撹F企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 51128—2015)明確規(guī)定，對煉鋼一次除塵采用濕法工藝(以二級文氏管為主要設(shè)備)的轉(zhuǎn)爐煤氣應(yīng)進(jìn)行二次除塵，二次除塵應(yīng)采用濕式電除塵工藝。

煉鋼一次除塵工藝中，氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉時產(chǎn)生的一次煙氣(含塵量約占鐵水裝入量的1%～2%，一般含塵質(zhì)量濃度為70～200 g/Nm3)經(jīng)煙罩收集后經(jīng)汽化冷卻煙道降溫至800～1 000 ℃，通過蒸發(fā)冷卻器后溫度降至180～250 ℃，蒸發(fā)冷卻器收集煙塵總量40%～45%的粗塵；轉(zhuǎn)爐一次煙氣經(jīng)電除塵處理后可得到含塵質(zhì)量濃度低于10 mgN/m3的凈轉(zhuǎn)爐煤氣。不符合回收條件的轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)三通閥進(jìn)入放散塔，符合回收條件的轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)煤氣冷卻器降溫至70 ℃以下進(jìn)入轉(zhuǎn)爐煤氣柜。煉鋼一次除塵基本工藝流程如圖2所示[13]。由于變頻一次引風(fēng)機的抽力，煉鋼一次除塵工藝負(fù)壓工況條件運行；同時，冶煉過程通過轉(zhuǎn)爐爐口微正壓控制技術(shù)及煙罩加料孔、氧槍插入孔充氮保護(hù)等防止環(huán)境中的空氣(O2)進(jìn)入除塵系統(tǒng)。此外，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的特點決定了煉鋼一次除塵和回收的不連續(xù)性，且一次煙氣中的CO含量隨著氧氣吹煉時間的變化呈現(xiàn)中期高、前期和后期低的規(guī)律。

(a)煉鋼一次除塵電除塵器

(b)轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵電除塵器圖1 電除塵器在轉(zhuǎn)爐煤氣凈化中的應(yīng)用

圖2 轉(zhuǎn)爐煤氣一次電除塵工藝流程

為了進(jìn)一步降低濕法除塵工藝回收轉(zhuǎn)爐煤氣的含塵量，鋼鐵企業(yè)往往在轉(zhuǎn)爐煤氣柜后配套建設(shè)轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵工藝系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵工藝中，帶壓轉(zhuǎn)爐煤氣出氣柜經(jīng)管道進(jìn)入電除塵器精除塵，凈化后直接輸送給用戶或者加壓后輸送至用戶。轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵基本工藝流程如圖3所示[14]。轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵可將轉(zhuǎn)爐煤氣含塵質(zhì)量濃度從80～100 mg/Nm3降低到10 mg/Nm3以下，進(jìn)而滿足用戶對高質(zhì)量煤氣的需求和環(huán)保要求。轉(zhuǎn)爐煤氣柜柜壓一般為2.5～3.5 kPa，煤氣出口至電除塵器進(jìn)口有一定阻損，進(jìn)入電除塵器的煤氣壓力一般在1.5～2.5 kPa，煤氣柜后電除塵器正壓工況條件下運行。轉(zhuǎn)爐煤氣柜一般采用橡膠膜密封，為防止皮簾(皮簾材料使用溫度指標(biāo)-20～70 ℃)長期受熱老化開裂，保證其嚴(yán)密可靠，轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)柜溫度控制在60 ℃左右。轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵工藝的氣源及壓力相對穩(wěn)定，生產(chǎn)過程具有連續(xù)性。

煉鋼一次除塵和轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵主要的工藝條件如表1所示。盡管煉鋼一次除塵和轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵工作原理一致，但是通過表1可以看出，二者的工藝條件具有明顯的區(qū)別：處理煤氣的煙塵含量差別巨大，運行溫度條件差距明顯，工況壓力條件完全相反，氣源穩(wěn)定性和連續(xù)性不同。

圖3 轉(zhuǎn)爐煤氣二次電除塵工藝流程

表1 轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器的工藝條件

2 電除塵器隔斷裝置標(biāo)準(zhǔn)要求

對煤氣系統(tǒng)而言，隔斷裝置是指配置在煤氣管道上，用于隔斷煤氣，具有可靠保持煤氣不泄漏到隔離區(qū)域功能的裝置統(tǒng)稱。煤氣隔斷裝置可以是獨立的或組合式的，組合式隔斷裝置由關(guān)閉閥或水封加切斷設(shè)施等組成。電除塵器出入口管道隔斷裝置的主要標(biāo)準(zhǔn)要求如表2所示。

表2 電除塵器隔斷裝置的標(biāo)準(zhǔn)要求

可以看出，現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對不同位置使用轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器的出入口管道是否應(yīng)設(shè)置隔斷裝置進(jìn)行了規(guī)定，但標(biāo)準(zhǔn)之間的要求不完全一致。其中，《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》和《鋼鐵企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》明確要求轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器出入口管道應(yīng)設(shè)隔斷裝置，《煉鋼工程設(shè)計規(guī)范》、《鋼鐵企業(yè)通風(fēng)除塵設(shè)計規(guī)范》、《轉(zhuǎn)爐煤氣凈化及回收工程技術(shù)規(guī)范》未做出明確規(guī)定，但是《轉(zhuǎn)爐煤氣凈化及回收工程技術(shù)規(guī)范》定性要求經(jīng)常檢維修的部位應(yīng)設(shè)隔斷裝置。針對《轉(zhuǎn)爐煤氣凈化及回收工程技術(shù)規(guī)范》的要求，對遼寧5戶鋼鐵冶金企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器檢維修實際情況進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研結(jié)果表明，煉鋼一次除塵電除塵器內(nèi)檢維修一般15～30 d/次；轉(zhuǎn)爐煤氣二次除塵電除塵器內(nèi)檢維修一般180～360 d/次，與煤氣柜年度檢修同步進(jìn)行。因此，可以理解為《轉(zhuǎn)爐煤氣凈化及回收工程技術(shù)規(guī)范》要求轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵電除塵器出入口管道應(yīng)設(shè)置隔斷裝置，而轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵電除塵器出入口管道可以不設(shè)置隔斷裝置，這顯然不合理。

3 分析與討論

CO是轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料最主要的有用成分，其體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)86%。由于CO具有易燃性(乙類火災(zāi)危險性)、易爆性(在空氣中的爆炸極限12.5%～74%)，且屬于高毒物品，轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵系統(tǒng)具有發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故及引起煤氣中毒事故的三大安全風(fēng)險，特別是煤氣中毒事故在鋼鐵企業(yè)發(fā)生概率高，較大以上事故死亡人數(shù)占鋼鐵行業(yè)較大以上事故死亡人數(shù)50%以上。轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器出入口管道隔斷裝置設(shè)置的目的是檢維修期間將電除塵器與煤氣源可靠隔斷，預(yù)防檢維修人員煤氣中毒?？紤]到工藝條件的不同，就電除塵器出入口管道隔斷裝置的安全設(shè)置問題，有必要對煉鋼一次除塵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵系統(tǒng)分別進(jìn)行討論。

3.1 煉鋼一次除塵電除塵器

煉鋼一次除塵系統(tǒng)按照“一爐一機一放散煙囪”進(jìn)行配置，必須與對應(yīng)轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)同步運行，即轉(zhuǎn)爐一次除塵電除塵器在離線檢維修時，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)爐停止生產(chǎn)，這樣就消除了電除塵器前端的煤氣來源。電除塵器離線檢維修作業(yè)時，通過關(guān)閉電除塵器回收側(cè)閥門可以切斷電除塵器與煤氣冷卻器、煤氣柜的聯(lián)系，這樣可以消除電除塵器后部的煤氣來源。由于進(jìn)入電除塵器檢維修間將其溫度降低到可以工作的條件，需要通過風(fēng)機長時間運行(一般24 h以上)，在降溫的同時實現(xiàn)了自轉(zhuǎn)爐煙罩到電除塵器中殘留煤氣的置換，客觀上為檢維修作業(yè)創(chuàng)造了一定的有利條件，可見煉鋼一次除塵電除塵器通過工藝和操作制度能實現(xiàn)可靠切斷。因此，從檢維修角度來看，煉鋼一次除塵電除塵器出入口管道隔斷裝置不是必須的。

煉鋼一次電除塵系統(tǒng)負(fù)壓運行，系統(tǒng)嚴(yán)密性破壞會使空氣(O2)混入煤氣中，發(fā)生變化的煤氣成分會引起氣體電特性的變化，導(dǎo)致除塵器內(nèi)發(fā)生火花放電，進(jìn)而發(fā)生煤氣爆炸[15]。轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵系統(tǒng)保持嚴(yán)密性的最好方式是保持設(shè)備的完整性，即減少管道連接及法蘭處。因此，從防止電除塵器爆炸事故風(fēng)險的角度來看，轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵電除塵器出入口管道不應(yīng)設(shè)置隔斷裝置。

從表1的數(shù)據(jù)來看，轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵凈化處理的煙氣含塵量最大可達(dá)二次除塵煙氣含塵量的1 875倍，電除塵器配置出入口煤氣隔斷裝置長期在高溫和高煙塵下工作且很少動作，易造成卡死。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，隔斷裝置的誤動作還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煙氣無法抽出而大量溢出在煉鋼主廠房內(nèi)，導(dǎo)致嚴(yán)重的煤氣泄漏甚至是煤氣中毒事故。

綜上所述，轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵電除塵器出入口管道不應(yīng)設(shè)置隔斷裝置。

3.2 轉(zhuǎn)爐煤氣二次除塵電除塵器

“電除塵器出入口管道應(yīng)設(shè)可靠的隔斷裝置”實際上就是針對轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵電除塵器提出的，其目的是為了保證檢維修時，將電除塵器與煤氣柜、煤氣供氣管網(wǎng)可靠切斷。這個結(jié)論可以從轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵的發(fā)展應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定實施時間得出。

1997年，國內(nèi)首家全套引進(jìn)的LT系統(tǒng)在寶鋼投運并開啟了我國對轉(zhuǎn)爐一次除塵干法技術(shù)的全面研究，并被列為“十五”國家重大技術(shù)裝備創(chuàng)新研制項目[16]。2004—2005年，德國魯奇公司及西安重型機械研究所合作，為山東萊蕪鋼鐵公司建成3套120 t轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵系統(tǒng)。形成對比的是1998年，轉(zhuǎn)爐煤氣柜后配套轉(zhuǎn)爐煤氣平板式濕法電除塵器對轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵已經(jīng)廣泛應(yīng)用[17]。

《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》源于冶金企業(yè)，是冶金煤氣安全技術(shù)的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)制定實施的很多冶金標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中針對煤氣安全的要求都引用了其條款。該標(biāo)準(zhǔn)于1986年首次發(fā)布，2004年第一次修改，現(xiàn)行版本于2005年發(fā)布?？梢?，《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》修訂實施的時間背景是煉鋼一次除塵干法工藝方興未艾，由于個別應(yīng)用不能得到充分的研究和關(guān)注。因此，轉(zhuǎn)爐煤氣凈化系統(tǒng)的安全要求中，電除塵器出入口管道應(yīng)設(shè)可靠的隔斷裝置是針對轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵電除塵器而言的。

4 結(jié)語

以電除塵器為主要工藝設(shè)備的轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù),適應(yīng)了鋼鐵工業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求，應(yīng)用越來越廣泛。轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵系統(tǒng)存在火災(zāi)、爆炸及引起煤氣中毒的安全風(fēng)險，電除塵出入口隔斷裝置的合理設(shè)置有利于避免煤氣中毒和爆炸安全風(fēng)險?；诠ぷ髟砗凸に嚄l件可知，煉鋼一次除塵電除塵器出入口管道不應(yīng)設(shè)置隔斷裝置，轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵電除塵器出入口管道應(yīng)設(shè)置隔斷裝置。因此，應(yīng)盡快修訂《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》、《鋼鐵企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵建設(shè)項目的設(shè)計、施工及使用提供科學(xué)合理的技術(shù)要求，保證轉(zhuǎn)爐煤氣除塵系統(tǒng)安全運行。