钢铁企业烟气脱硫系统安全风险管控措施探讨_刘长喜.pdf

钢铁企业烟气脱硫系统安全风险管控措施探讨刘长喜 曹锋 王凯 陈建 马勇健 沈忱 李飞（首钢京唐钢铁联合有限责任公司；河北 唐山 063200）【摘 要】随着大气污染治理的深入，更多的钢铁企业改配建了烟气净化系统。为对预防钢铁企业烟气脱硫系统安全事故有所帮助，依据企业职工伤亡事故分类，结合某钢铁企业循环流化床半干法烟气脱硫系统设备设施及工艺特点，在对循环流化床半干法烟气脱硫系统的安全风险分析辨识的基础上，从工程技术、管理、个体防护等方面，讨论了钢铁企业循环流化床半干法烟气脱硫系统安全风险的管控措施。【关键词】烟气脱硫；循环流化床；安全风险；管控措施0 引言钢铁行业主要污染物排放已成为工业污染中最大的污染物排放来源1。随着蓝天保卫战进入攻坚阶段，钢铁行业成为大气污染治理的主战场，为实现钢铁行业超低排放，近年来，越来越多冶金企业改造配建了烟气净化设备设施，成为新设的独立工艺工序2-6。然而，今年以来发生的马钢炼铁总厂在带式焙烧机脱硫装置除尘器事故灰斗底部堵塞且顶部严重漏灰的情况下，相关人员违章指挥、违反操作规程作业，盲目开大返料调节阀，使脱硫系统内的大量脱硫灰短时间集聚在事故灰斗内，检修人员在事故灰斗顶部严重漏灰的情况下，冒险开展事故灰斗清堵作业，最终在事故灰斗内脱硫灰超过灰斗极限承载能力后，灰斗发生崩裂，造成 4 人死亡，2 人受伤的较大坍塌事故7。在包钢稀土钢板材公司球团带式焙烧机脱硫脱硝提标改造项目检修过程中，检维修作业人员在烟道垂直段内部进行导流板热切割动火作业，所产生的切割金属熔渣掉落到烟道内设置的导流板或支撑物上，折射飞溅至除雾器上引发初起火灾；除雾器着火后未能及时扑灭，火灾扩大引燃了升温箱和烟道内涂刷的玻璃鳞片防护层。火灾烟气窜入脱硫塔内，脱硫塔下部13 层喷淋层作业空间环境复杂，逃生通道不畅，作业人员无法快速撤离。造成正在塔内 1 3 层喷淋层作业的 7 人全部中毒窒息死亡的较大火灾事故8。警醒我们深入开展钢铁企业烟气净化系统安全风险管控措施的研究，以强化风险管控、预防安全事故发生很有必要，但通过文献检索，鲜见有关于钢铁企业烟气净化系统安全风险管控的研究。在对某钢铁企业循环流化床半干法烟气脱硫系统安全风险辨识的基础上，探讨该型烟气脱硫系统安全风险的管控措施，以期为钢铁企业同类型烟气净化脱硫工序安全风险管控提供参考。1 烟气脱硫工艺简介循环流化床半干法烟气脱硫系统主要由吸收剂制备及供应系统、工艺水系统、烟道系统、吸收塔系统、脱硫布袋除尘器系统、物料再循环系统、脱硫灰排放系统、压缩空气系统、蒸汽系统及电气仪控系统等组成。工艺流程为原烟气经脱硫入口烟道引入，从底部进入吸收塔，在吸收塔的进口段，烟气与加入的吸收剂、循环脱硫灰充分预混合，进行初步的脱硫反应，在这一区域主要完成吸收剂与SO3、HCl、HF 的反应。然后烟气通过吸收塔下部的文丘里管的加速，进入循环流化床床体，物料在循环流化床里，气固两相由于气流的作用，产生激2022 年第 12 期56研究 研究探讨烈的湍动与混合，充分接触，在文丘里的出口扩管段设有喷水装置，喷入的雾化水用以降低脱硫反应器内的烟温，使烟温降至高于烟气露点 15以上，从而使得 SO2与 Ca(OH)2的反应转化为可以瞬间完成的离子型反应。完成脱硫反应的含尘烟气从吸收塔顶部侧向出口排出，然后转向垂直向下进入脱硫布袋除尘器进行气固分离，利用布袋各个箱体压力的自均衡性，使含尘烟气均匀分配到各除尘箱，烟气从滤袋外测进入内部，完成除尘净化过程。经除尘器捕集下来的含未反应完全吸收剂的固体颗粒，通过除尘器下的物料再循环系统，返回吸收塔继续参加反应，如此循环。多余的少量脱硫灰渣经气力输送至外排灰仓内，通过罐车外排。净化除尘后的烟气从滤袋顶部开口排出，汇总至布袋净气室，引入后续 SCR 脱硝装置处理后，通过引风机排往烟囱。图 1 为循环流化床半干法烟气脱硫系统示意图。图 1 循环流化床半干法烟气脱硫系统示意图2 烟气脱硫系统安全风险及管控措施根据企业职工伤亡事故分类（GB/T 6441-1986）9，结合钢铁企业循环流化床半干法烟气脱硫系统设备设施及工艺特点，对烟气脱硫生产过程中涉及的主要安全风险进行辨识，从工程技术、管理、个体防护等方面探讨安全风险的管控措施。2.1 中毒和窒息风险及主要管控措施2.1.1 风险分析循环流化床半干法烟气脱硫系统设置有生石灰仓、消石灰仓、烟道、吸收塔、除尘箱、灰斗、外排灰仓等大量的有限空间，贸然进入这些有限空间内部作业，存在较高的中毒和窒息的风险。从生产状态转换为检修状态时，烟道、吸收塔、除尘箱、灰斗中会留滞含有二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳等的烟气，通常未采取可靠措施隔断烟气来源，对烟气置换不彻底，以及未规范开展毒害气体和氧气浓度检测，是进入这些有限空间存在极高中毒和窒息风险的直接原因。检修过程中，在上述仓、箱、塔、管道等内部进行电气焊作业，会产生毒害烟雾；对烟道等内部进行除锈、防腐作业，使用的材料可能挥发出毒害气体。即使在前期置换合格情况下，若通风不良，未对毒害气体和氧气浓度进行持续监测，也存在较高导致中毒和窒息的风险。发生中毒和窒息事故后，未正确佩戴应急器材而盲目施救，造成二次中毒和窒息伤害的风险极高。烟气脱硫系统中毒和窒息风险的间接诱因主要有：未很好地落实对作业人员的安全教育培训；作业前，未充分辨识中毒和窒息危害因素；未严格按要求执行作业审批制度；作业现场监护人员缺失或擅离。2.1.2 管控措施2.1.2.1 工程技术烟气脱硫系统中毒和窒息的风险主要在于进入仓、箱、塔、管道等有限空间作业期间。对设备设施或作业工具实施技术改造，尽可能减少人员进入有限空间作业，就可以极大地降低中毒和窒息的风险。例如，通过增加人孔、加装舷窗，使用长柄工具或探头完成仓、箱内检查或采样；增设振动器和空气吹扫器处理结块或板结等。对于必须进入设备设施内部才能完成的任务，可采取卡盲板等措施，在可靠隔断与设备设施相连通的毒害介质来源的基础上，按照“先通风、后检测、再作业”的原则，彻底置换作业空间内部的毒害气体，在不同部位取样检测氧含量和有毒有害气体含量合格后，作业人员方可进入设备设施内部。对于中断时长 0.5h 以上的非连续工作，再次进入前必须重新取样分析合格。作业过程中须保持出入口畅通和对作业空间进行不间断的通风，防止电2022 年第 12 期57研究探讨 研究焊、切割作业产生的烟雾，以及除锈剂、涂料等挥发出的毒害气体聚集。作业时，人员还应携带氧气检测仪和相应的毒害气体检测仪，持续对作业环境气体浓度进行监测，每小时进行分析记录，必要时佩戴符合标准要求的呼吸器具进行作业。2.1.2.2 管理和教育管理和教育是管控烟气脱硫系统中毒和窒息风险的重要措施。通过对参与作业人员，特别是检维修作业的临时工、外包单位人员，进行设备设施内部结构，存在的介质及危害，检测仪器、劳动防护用品使用方法，以及应急救援知识等的培训教育，提升防控中毒和窒息风险的知识、意识和能力。同时要从以下方面强化防范中毒和窒息风险的安全管理：规范作业审批，确保严格执行有限空间作业安全管理制度及制定的防控中毒和窒息风险的措施；作业现场设置明显的安全警示标志和有限空间管理牌；设专人全程监护；制定应急救援预案，配备必要的应急救援器材，加强应急预案的演练，遇险时正确科学施救。2.2 坍塌风险及主要管控措施2.2.1 风险分析烟气脱硫系统转存物料的仓、斗，以及吸收塔入口段烟道都存在发生坍塌的风险。向生石灰仓、消石灰仓、外排灰仓输入超量物料，存在爆仓坍塌风险。生石灰仓、消石灰仓、外排灰仓料位计未能准确探测仓存量，导致系统预警报警作用失效，或者作业人员分析判断、操作失误，灰仓就可能注入超量的物料。吸收塔循环流化床塌床，入口段烟道积存大量物料，存在烟道被压坍塌的风险。吸收塔循环流化床塌床多是因烟气净化系统引风机工况异常造成；产生烟气的烧结、球团以及热风炉等上游工序不稳定，也是造成流化床塌床的重要原因，主要表现为生产原因或设备故障致使烟气量大幅波动，或者烟气温度等参数不满足系统要求而不能正常供气。脱硫除尘箱下方的灰斗异常积料时，同样存在坍塌风险。导致灰斗异常积料的原因有：灰斗或斜槽内物料流化不充分，造成物料再循环系统返料不畅；烟气温度低，保温破损、伴热调节不合适，灰斗温度长时间低于 100，致使物料在灰斗内板结；脱硫灰排放系统的外排灰仓泵操作不当，造成堵管无法及时排料。综上所述，在灰仓超注物料，烟道大量积料，灰斗异常积料，而未能采取有效措施干预的情况下，设施中盛放物料持续增加，在钢结构存在焊接缺陷等强度不足的薄弱部位，或者严重积料超过设备设计所能承受重量时，导致发生崩裂、垮塌，物料倾泻而出，形成坍塌的风险极高。此外，进入仓、箱、斗、烟道、吸收塔内实施清理等作业时，若有物料板结，也存在有较高的积垢坍塌风险。物料板结有上游工序回用烟气余热（如烧结烟气外循环）后，致使进入脱硫系统的原烟气温度偏低的原因，也有仓、箱、斗等的保温破坏、伴热故障，温控失效的原因。2.2.2 管控措施2.2.2.1 本质安全设计基于本质安全的理念，应在设计之初，分析防控灰仓爆仓、吸收塔入口段烟道大量积存物料，以及灰斗异常积料情况下，可能造成结构破坏的坍塌风险。设计计算结构受力，确定承载能力时，要充分考虑结构自重、积存物料重量、设备载荷、地震和风载荷，及其他载荷（如：压力，热膨胀，检修等）。同时要考虑可能的最大储料容积及概率，以及随积存物料高度变化，物料压实，实际堆密度增加等情况。S 钢铁企业正常生产时，物料的堆密度约在 600 800kg/m3之间，但设计时，按物料的堆密度为 1200kg/m3计算结构受力，以使能安全地满足承载的要求。2.2.2.2 工程技术除通过本质安全设计防控坍塌风险外，可采取工程技术手段防范爆仓、异常积料，来防控坍塌的风险。对于灰仓爆仓坍塌的风险，可在原有雷达料位计的基础上，给灰仓增设具有自清洁、免维护、自动校准功能的音叉料位计，来提升灰仓物料存储量预报警的准确性，避免超量输入物料。对于烟道大量积料坍塌风险的防控，可采取设置防护栏封闭烟道坍塌可能波及的区域；强化加固烟道支架；增2022 年第 12 期58研究 研究探讨设备用引风机等。在防范灰斗异常积料坍塌风险方面，可在灰斗设置温度、料位、压强监测传感器，将灰斗工况的实时监测参数传输到中控室终端显示，合理设定各参数的高低报警限（表 1 为 S 钢铁企业灰斗报警料位、压强检测点的相对位置及下方容积占比），以便及时发现、尽早处置灰斗异常情况，避免所积物料持续增加，增大坍塌风险。S钢铁企业通过监测压强控制灰斗料位的做法是，设定正常工况下，各灰斗高点料位压强不超 7.2KPa，低点料位压强不超 10.8KPa，当灰斗任一料位压强超过设定值时，将灰斗自平衡切为手动模式，通过手动增大返塔流量调节阀，平衡各灰斗料位；出现灰斗高点料位压强超 7.2KPa，且低点料位压强超10.8KPa，则启动相应灰斗外排系统，外排物料至设定料位压强以内。此外，可通过编制程序，动态计算系统输入输出物料量，借助计算机智能模块，辅助评估，平衡好系统各部位的物料量，来避免某一部位超量输入、积存物料，产生坍塌的风险。表 1 灰斗报警料位、压强检测点的相对位置及下方容积占比项类低料位高料位高高料位压强检测点1压强检测点2相对高度0.210.420.710.130.21容积占比5.3%17.5%50.0%3.3%5.3%注：设定灰斗斗体相对高度为 1；单一灰斗体容积占比为 100%。2.2.2.3 管理措施健全制度，并严格执行，常态化、标准化管控坍塌的风险。制定灰仓、烟道、箱体、灰斗等的检查维护制度，定期对探测器、传感器等设备检查维护，确保监测参数准确有效；做好上游工序及烟气净化系统引风机等设备设施的定期检查维护，以降低上游工序不稳定、引风机故障引发塌床的频次；利用检维修时机，对烟道、灰斗等设施内部的拉筋、焊缝等进行表观检查，每年对焊缝进行探伤检测，管控潜在的因结构产生缺陷坍塌的风险。规范上下游工序的联系、协作，在上游工序因生产调整，烟气发生量等参数变化时，相应