煤氣化裝置中氧氣管道的設(shè)計(jì)探討

江珍珍，劉 焱，王盤峰

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223)

設(shè)計(jì)技術(shù)

煤氣化裝置中氧氣管道的設(shè)計(jì)探討

江珍珍，劉 焱，王盤峰

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223)

以某煤氣化裝置為例，介紹了煤氣化裝置中氧氣管線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從工藝流程、燃爆因素、流速要求、材料選擇、管道布置及施工驗(yàn)收等方面，對氧氣管道的安全設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，并結(jié)合實(shí)際案例闡述了煤氣化裝置氧氣管道的布置特點(diǎn)及優(yōu)化措施。

煤氣化；氧氣管道；燃爆；氧氣流速；豁免材料；管道布置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.008

我國是煤炭儲量大國，近十年來國內(nèi)大型現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的建設(shè)如火如荼，為了清潔、高效地利用煤炭資源，幾乎所有項(xiàng)目的核心都是氣化裝置。在煤氣化裝置運(yùn)行過程中，不少裝置都發(fā)生過氧氣管線燃爆的事故，為裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。在近幾年的煤氣化項(xiàng)目中，供應(yīng)商和設(shè)計(jì)院都在不斷優(yōu)化氧氣管道的設(shè)計(jì)，以降低氧氣系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。

筆者擬結(jié)合煤氣化裝置的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從氧氣管道的工藝流程、燃爆因素、氧氣流速、材料選擇、管道布置、施工驗(yàn)收、事故案例等方面來探討氧氣管道的設(shè)計(jì)，以降低燃爆可能，確保氧氣系統(tǒng)管道的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 氧氣系統(tǒng)工藝流程

1.1 工藝流程

某項(xiàng)目來自空分裝置的常溫高壓氧氣經(jīng)管廊，送至煤氣化裝置的氧氣預(yù)熱器，進(jìn)預(yù)熱器前引一股氧氣供開工燒嘴使用；預(yù)熱器后的管線送入氣化爐的4個(gè)煤燒嘴，氧氣與煤粉在氣化爐內(nèi)進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成粗合成氣(CO+H2)供下游使用。氧氣在預(yù)熱前主管和進(jìn)燒嘴前均設(shè)置有放空管線及潔凈高壓氮?dú)馇鍜吖芫€。氧氣系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 氧氣系統(tǒng)工藝流程

1.2 工藝參數(shù)

上述氧氣系統(tǒng)工藝流程中涉及到的氧氣管道的溫度、壓力等工藝參數(shù)見表1。

表1 氧氣管道工藝參數(shù)

2 氧氣管道的燃爆因素

2.1 氧氣的性質(zhì)及危險(xiǎn)性

氧氣是強(qiáng)氧化劑、助燃?xì)怏w，能與可燃或還原物質(zhì)發(fā)生猛烈反應(yīng)。按照GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中表3.1.1生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，氧氣的火災(zāi)危險(xiǎn)性為乙類[1]。

2.2 燃爆“三要素”

燃爆的“三要素”為可燃物、助燃物、著火源。根據(jù)燃爆機(jī)理來分析，氧氣管道中助燃物(即氧氣)一直存在；可燃物為管道本身(管道材質(zhì)一般是碳鋼或不銹鋼，因含碳，在純氧狀態(tài)下也可燃，而且鐵燃燒時(shí)釋放出大量熱量，溫度上升極快)；著火源有多種，例如：油脂引燃、啟閉閥門時(shí)的摩擦、高速運(yùn)動的物質(zhì)微粒(如鐵銹、灰塵、焊渣、雜質(zhì)顆粒等)與管壁的摩擦、外部高溫(加熱面、火焰、輻射熱等)、鐵銹的觸媒作用、靜電感應(yīng)和雷擊、氧氣流速過快導(dǎo)致局部溫度過高等[2]。因此，氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是控制各個(gè)要素，特別是控制著火源(即激發(fā)能量)，使燃爆風(fēng)險(xiǎn)處于一定的可接受范圍內(nèi)。

對于控制著火源來說，顆粒沖擊是工業(yè)上認(rèn)為的氧氣管道燃燒爆炸最普遍、最主要和最直接的原因。而控制顆粒沖擊所采取的措施，一是減少顆粒存在，二是控制沖擊區(qū)域，即通過控制截面流速、設(shè)置直管段和采用豁免材料來減少沖擊區(qū)域的影響。[3]

3 氧氣管道的設(shè)計(jì)

3.1 氧氣管道流速要求

GB16912—2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定管道中最高允許的流速見表2[4]。從表2可以看出，煤氣化氧氣管道壓力處于3.0＜p≤10.0 MPa(a)，可以選擇不銹鋼或者其他無流速限制要求的材料。

表2 管道中的最高允許流速

EIGA IGC Doc 13/02/E《Oxygen Pipeline and Piping Systems》中規(guī)定的最高流速見圖2。

圖2 氧氣管線中壓力與流速的關(guān)系示意

從圖2曲線中可以看出：當(dāng)壓力處于1.5＜p≤10.0 MPa(a)時(shí)，p×v=45 MPa·m/s。[5]

2014年7月1日實(shí)施的新版GB50030—2013《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》中對氧氣流速的第11.0.8條文說明：氧氣在管道中的允許流速，本次修訂是根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB16912《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》和歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSO-CIATION)IGC DOC 13/ 02/E《氧氣管道系統(tǒng)》(OXYGEN PIPELINE SYSTEMS)作出的規(guī)定[6]。因此按照表2和圖2的允許流速要求即可。

3.2 材料選擇

3.2.1 氧氣管道材質(zhì)選擇

氧氣管道的材質(zhì)選擇可按照GB50030—2013《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》中表11.0.9進(jìn)行選擇。對于煤氣化裝置中氧氣管道而言，其設(shè)計(jì)壓力在3.0～10.0 MPa(a)的范圍內(nèi)，可選用不銹鋼、銅及銅合金、鎳及鎳基合金。在一般無沖擊的場合下可選用不銹鋼材質(zhì)，而對于沖擊區(qū)域且流速超過不銹鋼允許最大流速時(shí)(例如限流孔板后10D、節(jié)流閥后高流速區(qū))，應(yīng)選用銅及銅合金、鎳及鎳基合金。由于銅及銅合金其自身特性(易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、強(qiáng)度較弱)，它應(yīng)用的場合較窄：銅易與氨反應(yīng)，因而合成氨工程中禁止使用銅及銅合金；國內(nèi)外工程公司經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)定也明確指出，在易燃、易爆、有毒介質(zhì)及高溫、高壓條件下，管線應(yīng)盡量不使用銅及銅合金(考慮到銅及銅合金強(qiáng)度較弱，一旦發(fā)生破裂，將造成嚴(yán)重事故)[7]。煤氣化氧氣管線屬于易燃、壓力較高場合，不應(yīng)使用銅及銅合金，應(yīng)選用鎳及鎳基合金。值得注意的是，因科鎳合金825由于鎳含量少于50%(通常為38%～46%)，并不能當(dāng)作豁免材料使用，而應(yīng)與不銹鋼材料一樣需滿足p×v值的要求。

煤氣化裝置進(jìn)煤燒嘴前加入蒸汽的氧氣管道，從距離燒嘴最近的節(jié)流調(diào)節(jié)閥開始，管線采用了因科鎳合金825，之所以沒有延續(xù)上游用奧氏體不銹鋼材料，原因是此處需要避免氯離子腐蝕；而該管線上的閥門(如調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥、止回閥)屬于撞擊場合，采用了豁免材料因科鎳合金625。

3.2.2 氧氣管道閥門選用

氧氣管道的閥門選用應(yīng)符合以下規(guī)定：①設(shè)計(jì)壓力＞0.1 MPa(g)的氧氣管道上，不得采用閘閥；②設(shè)計(jì)壓力≥0.1 MPa(g)且公稱直徑≥150 mm的氧氣管道上的手動閥門，宜設(shè)旁通閥；③設(shè)計(jì)壓力＞1.0 MPa(g)，公稱直徑≥150 mm的氧氣管道上經(jīng)常操作的閥門，宜采用氣動閥門。

煤氣化裝置中氧氣管道上的閥門為氧氣專用閥門，切斷閥型式一般選球閥。其中起節(jié)流作用的閥門不能按低流速來設(shè)計(jì)，若選用不銹鋼材質(zhì)則存在較大的著火風(fēng)險(xiǎn)，特別是對于清潔度不能保證的場合(例如放空閥)，應(yīng)該選用鎳基合金方能保證安全。

3.2.3 氧氣管道管件選用

氧氣管道的彎頭嚴(yán)禁采用褶皺彎頭，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的無縫對焊彎頭時(shí)，應(yīng)采用長半徑彎頭。

氧氣管道的異徑接頭宜采用標(biāo)準(zhǔn)的鋼制對焊無縫異徑接頭，并且變徑部分長度不應(yīng)小于兩端管外徑差值的3倍。

氧氣管道的三通宜采用標(biāo)準(zhǔn)的鋼制對焊無縫三通。

氧氣管道上的法蘭應(yīng)按現(xiàn)行國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用；煤氣化氧氣管道工作壓力為3.0＜p≤10.0 MPa(g)，應(yīng)選用鎳基合金墊片。

3.2.4 氧氣管道最小壁厚

有些工藝包對氧氣管道的最小壁厚有規(guī)定，例如殼牌煤氣化工藝包規(guī)定，所有不銹鋼材質(zhì)的氧氣管道最小壁厚為5.8 mm。而對于鎳基合金材質(zhì)的最小壁厚一般沒有要求。

3.3 氧氣管道布置要求

氧氣管道布置的基本原則有：①氧氣管道的彎頭、三通不得緊接安裝在閥門的出口側(cè)，其間宜設(shè)長度不小于5倍管道公稱直徑，且不應(yīng)小于1.5 m的直管段；②氧氣管道上的異徑管應(yīng)逐級變徑；③氧氣管道與其他管道之間的最小凈距應(yīng)滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求；④氧氣管道嚴(yán)禁穿過生活間、辦公室，不宜穿過不使用氧氣的房間；⑤氧氣管道應(yīng)設(shè)置導(dǎo)除靜電的接地裝置。

氧氣管道布置時(shí)除需滿足基本原則外，還需注意盡量少拐彎，避免急彎，減少撞擊場合；避免死區(qū)以及微粒聚集；沖擊區(qū)增設(shè)穩(wěn)流段；放空應(yīng)滿足GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求等。典型配管舉例見圖3、圖4、圖5。

圖3 縮徑的管道布置

圖4 抽頭的管道布置

圖5 放空管道布置

4 氧氣管道的施工驗(yàn)收

氧氣管道、閥門及管件等在安裝前除應(yīng)根據(jù)GB50235的要求進(jìn)行檢驗(yàn)外(氧氣按可燃流體類別對待)，其清潔度還應(yīng)達(dá)到以下要求：①接觸氧氣的表面應(yīng)徹底除去毛刺、焊瘤、黏砂、鐵銹和其他可燃物，保持內(nèi)壁光滑清潔；②與氧氣接觸的一切部件，安裝前、檢修后應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的除銹、脫脂；③脫脂后的管道應(yīng)進(jìn)行鈍化或氮封。

氧氣管道的安裝、焊接和施工、驗(yàn)收應(yīng)滿足下列要求：①焊接不銹鋼氧氣管道應(yīng)采用氬弧焊打底；②管道的切割和坡口加工應(yīng)采用機(jī)械方法；③管道預(yù)制長度不宜過長，應(yīng)能便于檢查管道內(nèi)外表面的安裝、焊接、清潔度質(zhì)量；④管道的焊縫檢查應(yīng)采用射線檢測，當(dāng)采用水壓試驗(yàn)時(shí)，若設(shè)計(jì)壓力p＞4.0 MPa(g)，則射線照相比例應(yīng)為100%，焊縫質(zhì)量評定(GB/T3323)應(yīng)不低于Ⅱ級；⑤氧氣管道安裝后應(yīng)按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行壓力及泄漏性試驗(yàn)。

5 氧氣管道事故案例

案例1：某廠經(jīng)氧氣預(yù)熱器出口至煤燒嘴的氧氣總管發(fā)生燃爆事故，見圖6。

圖6 某廠去煤燒嘴的氧氣總管發(fā)生燃爆

氧氣預(yù)熱器后的氧氣總管在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)盲端(管帽或者法蘭蓋)和袋形，以防臟物積聚產(chǎn)生顆粒沖擊引發(fā)燃爆。從總管上抽取的去煤燒嘴的4個(gè)支管宜從總管頂部或水平抽頭，以防臟物落入支管。施工安裝時(shí)應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行焊接、脫脂等，并保證其清潔度符合要求。

案例2：某廠氧氣放空管線閥門至彎頭處發(fā)生燃燒事故，見圖7。

圖7 某廠氧氣放空管線發(fā)生燃燒

由于氧氣放空管線直接排放至大氣，其清潔度較難保證，供應(yīng)商對氧氣放空管線做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，氧氣放空流程優(yōu)化見圖8。

圖8 氧氣放空流程優(yōu)化

氧氣放空優(yōu)化對比見表3。

表3 氧氣放空優(yōu)化對比分析

由圖8及表3可以看出：①將雙閥改為單閥，消除了雙閥之間的死區(qū)和滯留臟物的機(jī)會；②將手動操作的閥門改為DCS操作的氣動閥，降低了現(xiàn)場操作人員的人身危險(xiǎn)；③閥門、孔板、異徑管以及孔板下游10D直管段為高流速沖擊區(qū)，采用鎳基合金材質(zhì)，控制了顆粒沖擊的區(qū)域，降低了燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

氧氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對于整個(gè)殼牌煤氣化裝置非常重要。本文通過分析氧氣管道的燃爆因素，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和供應(yīng)商的要求并結(jié)合工程實(shí)例，闡述如何合理地進(jìn)行氧氣管道的設(shè)計(jì)，在滿足經(jīng)濟(jì)性的前提下最大限度保證安全，為煤化工氧氣管道的設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

[1]GB50016—2014，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2]杜本超.氧氣管道設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2013(2)：57-60.

[3]陳韌.節(jié)流閥前后氧氣管道安全設(shè)計(jì)的探討[J].深冷技術(shù)，2013 (7)：17-22.

[4]GB16912—2008，深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程[S].

[5]IGC Doc 13/02/E，Oxy gen Pipeline and Pipin g Systems[S].

[6]GB50030—2013，氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]付榮申.煤化工中氧閥的選型[J].石油化工自動化，2013(8)：20-23.

修改稿日期：2016-04-16

Discussion on Design of Oxygen Pipeline in Coal Gasification Plant

JIANG Zhen-zhen，LIU Yan，WANG Pan-feng
(Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China)

This paper introduces the designing essentials for the oxygen pipeline in gasification equipment by taking a coal gasification plant as an example.It discusses the safety design of oxygen pipeline in terms of the process，blasting factors，oxygen flow velocity，material selection，piping layout and construction inspection，etc.Based on a real case，it also describes the layout characteristics and optimization measures of oxygen pipeline in the coal gasification plant.

coal gasification；oxygen pipeline；explosion；oxygen flow velocity；exempt material；piping layout

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.008

TQ545

B

1004-8901(2016)05-0027-04

江珍珍(1980年-)，女，湖北浠水人，2003年畢業(yè)于湖北大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事化工工程項(xiàng)目的工藝管道設(shè)計(jì)工作。