焦爐煤氣管道沉積物成因及清除方法研究

公彥良，陳厚付，蔡飛翔，王自龍

（上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，江蘇南京 210039）

前言

焦爐煤氣中含有大分子烴類物質及硫化物，這些物質易在煤氣管道中沉積或在濕環(huán)境下對管道造成腐蝕形成鐵腐蝕物，形成的沉積物不斷在管道內(nèi)壁積累，使管道流通面積逐漸變小，嚴重時甚至完全堵塞管道，不得不停產(chǎn)檢修，對企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定、安全運行造成重大影響。因此，對焦爐煤氣管道沉積物形成機理、分布特點、清除方法進行研究是十分必要的。

1 沉積物形成原因

1.1 沉積物組成分析

梅鋼在對運行時長達40年之久的焦爐煤氣管道報廢拆除時發(fā)現(xiàn)大量沉積物附著于管道內(nèi)壁上，沉積物可燃，外觀來看為油狀粘稠物并含有萘的結晶體，伴有典型萘和焦油的氣味。對煤氣管道內(nèi)沉積物采集幾個樣品化驗分析，得到以下結果：

（1）樣品烘干，測定其水分，水分含量為12.59%。

（2）在稱取烘干后的樣品測定其灰分，灰分含量為2.67%。將灰分采用酸進行溶解后再加入硫氰酸鉀，有血紅色物質生成，判斷灰分的組成為鐵的氧化物。

（3）將樣品用N-N二甲酰胺作為溶劑將其溶解，將其中能溶解的部分進行色譜分析，各組分組成見表1。另外還有一部分不能用N-N二甲酰胺溶解，主要為其中的灰分。

表1 煤氣管道沉積物色譜組成分析結果

（4）另取管道沉積物樣品進行金屬物光譜分析，分析結果如表2所示。

表2 煤氣管道沉積物金屬物光譜分析結果

綜合上述煤氣管道沉積物化驗結果，該煤氣管道沉積物主要為水分、鐵的氧化物、萘、焦油等有機物的混合物。

1.2 沉積物形成機理

1.2.1 萘和焦油等有機物的沉積

萘是一種芳香烴類有機物，分子式為C10H8，在常溫下是無色單斜晶體，易升華，能與水蒸汽一起揮發(fā)，不溶于水，易溶于有機溶液。由于萘具有易升華的特性，因此環(huán)境溫度和煤氣溫度的變化對煤氣中萘的含量有著較大的影響，也是導致萘在不同管段形成沉積物的主要原因。

冬季，大氣溫度較低，萘和焦油往往在管道沿線沉積，因此煤氣管道沿線經(jīng)常有萘堵塞現(xiàn)象，過濾器的清洗頻次也相對少些；當大氣溫度逐漸上升時，沉積在輸配管道中的萘升華被煤氣帶至用戶端，嚴重時在用戶側發(fā)生堵塞現(xiàn)象；在春秋季節(jié)晝夜溫差大時更容易出現(xiàn)不規(guī)律的萘含量波動。

焦爐煤氣管道內(nèi)萘和焦油等有機物的沉積物的主要特征為：可燃，外觀上看為油狀粘稠物并含有萘的結晶體，伴有典型萘的氣味。其堵塞部位主要為管道彎頭、閥門、流量計、過濾網(wǎng)等易產(chǎn)生局部阻損位置。隨著萘和焦油的沉積，管道流通面積不斷變小，表現(xiàn)出來的是煤氣阻損不斷增大直至用戶煤氣壓力不能滿足生產(chǎn)需要而影響生產(chǎn)。

1.2.2 鐵銹等無機物的沉積

焦爐產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)過橫管冷卻、脫硫、脫氨、脫萘等凈化處理后H2S含量降至200 mg/m3以下，煤氣中的H2S在水的作用下發(fā)生腐蝕產(chǎn)生FeS、Fe2O3、Fe3O4等沉積物，其形成機理如下：

（1）FeS的形成。H2S遇到煤氣中的冷凝水時變成弱酸，發(fā)生電離反應，其反應式如下：

Fe在H2S酸性介質中被腐蝕，發(fā)生如下反應：

FeS是脆性片狀非保護性物質，它不能使金屬腐蝕速率下降，在管道受到振動時會有大量粉狀和片狀物質脫落，形成堵塞物。

（2）Fe2O3、Fe3O4的形成。煤氣中的 H2S在氧氣不足或溫度較低時，容易生成單質S和水，此外堵塞物中的FeS在氧存在的條件下，可以氧化成Fe3O4，同時也有單質S析出。主要反應如下：

焦爐煤氣管道內(nèi)H2S腐蝕產(chǎn)生的鐵的氧化物在煤氣氣流沖擊下脫離管壁，夾帶在煤氣中，在直管段煤氣流速變慢逐漸形成沉積物，日積月累造成煤氣管道堵塞。梅鋼拆除的焦爐煤氣管道最早輸送未經(jīng)過脫硫處理的高H2S含量的煤氣，且在拆除過程中發(fā)現(xiàn)在煤氣直管段沉積物堵塞較為嚴重，如圖1所示。取樣化驗發(fā)現(xiàn)鐵的氧化物成分較多，正是印證了此腐蝕產(chǎn)物的形成機理[1]。

圖1 現(xiàn)場管道內(nèi)沉積物

2 沉積物清除方法

2.1 在線管道清除方法

多數(shù)鋼廠采用更換管道方式處理煤氣管道堵塞，其缺點是：成本高、周期長、對生產(chǎn)影響大等。在線管道沉積物清除方法是指在不影響煤氣主管網(wǎng)生產(chǎn)前提下，采用物理化學方法清除沉積物，一般有以下四種方案：（1）更換部分管道；（2）用苯清理管道；（3）用蒸汽對管道加熱進行清理；（4）高壓水清理[2]。

宣鋼成功應用“更換部分管道”和“高壓水清理”結合方法，用泵將常壓水升高到100～200 MPa，最高可達300 MPa，利用打入管道的高壓水的壓力，將萘等沉積物從管道壁上清除，在不影響生產(chǎn)情況下，實現(xiàn)清理嚴重堵塞焦爐煤氣管道20 km。

2.2 停役管道清除方法

長期運行的老舊焦爐煤氣管道一般積累有不同程度的煤焦油沉積物，在對此類易燃易爆管道實施拆除時，如若處理不當則會發(fā)生管道內(nèi)煤焦油著火、甚至爆炸事故，造成環(huán)保、安全事故，對企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)、環(huán)保形象造成重大影響。梅鋼成功應用了一種安全環(huán)保的焦煤管道拆除方法拆除了近10 km長管道，其拆除方法主要為三個階段：

拆除準備階段：拆除準備階段主要包括待拆除的焦爐煤氣管道進行有效隔絕停役，用氮氣置換合格（氮氣含量≧98%），在管道的氮氣流出端適當位置用磨光機在管道上切割出第一個矩形天窗，使焦爐煤氣管道接通大氣。

分段拆除階段：是指在焦爐煤氣管道接通大氣后，保持管道內(nèi)氮氣微正壓，按照“（1）搭腳手架支撐；（2）開天窗（間隔 8～10 m）；（3）清理煤焦油（用編織袋回收）；（4）敷設黃沙（清理煤焦油位置）；（5）天窗兩側煤焦油用石棉覆蓋；（6）準備好消防水將黃沙和石棉打濕；（7）在天窗中部動火割管；（8）吊裝；（9）落地后的管道繼續(xù)用磨光機開天窗（間隔2～3 m）；（10）清理煤焦油（用編織袋回收）；（11）回收管道；（12）煤焦油返生產(chǎn)利用；（13）拆除腳手架的順序實施拆除及煤焦油清除，如圖2～圖4所示。

圖2 管道拆除過程中濕石棉布遮蓋防護

圖3 開天窗清理煤焦油等沉積物

圖4 落地管道上開天窗圖

吊裝回收階段：切割好的管段可采用向上吊裝和向下吊裝兩種方法，取決于現(xiàn)場吊裝環(huán)境，一般采用向上吊裝方式回收割除管道，在現(xiàn)場吊裝作業(yè)實施困難時，采用向下吊裝方式回收割除管道。

開天窗作業(yè)控制要點：

（1）為保證開天窗作業(yè)過程中安全，開天窗時須帶氮氣，控制壓力50 Pa左右；

（2）開天窗工具為磨光機，使用磨光機開出長0.5 m，寬0.2D的天窗（D為待拆除管道管徑）；

（3）第一個天窗位置須在開始拆除端，即與氮氣充入點相反。

開天窗作業(yè)的位置及尺寸控制：

如圖5所示，設定矩形天窗中點處法線與動火處管道縱向線的夾角為矩形天窗位置角α，α的大小取決于管道內(nèi)沉積物的量及其分布特點，一般現(xiàn)場分為α=0°和α=45°兩種位置角即可滿足要求。

α=0°多用于管道內(nèi)煤焦油沉積物多情況，A-1所示為天窗位置圖俯視圖，矩形天窗尺寸為長0.5 m，寬0.2D（D為待拆除管道的管徑）；A-2為動火點管道截面圖，矩形天窗的位置角α=0°，管道底部敷設長L=1.57×D，寬d=0.5 m的石棉布，防止動火時焊渣引燃殘余煤焦油。

同理α=45°多用于管道內(nèi)煤焦油沉積物少情況，45°角便于清理煤焦油。

圖5 開天窗作業(yè)位置及尺寸示意圖

第一個天窗開出后，管道接通大氣，繼而實施分段拆除作業(yè)。

分段拆除階段：拆除階段按照“搭腳手架支撐—開天窗—清理煤焦油—火焰割管—吊裝回收—腳手架拆除”順序依次實施，如圖6所示，其控制要點為：

（1）搭設腳手架的主要作用是在拆除有支架支撐的管段后，能夠對剩余管道形成臨時支撐，保證管道不發(fā)生大變形。

（2）開天窗位置視管道內(nèi)煤焦油的積累量及其分布而定，一般應避開煤焦油大量積累區(qū)域開天窗，管道內(nèi)積累煤焦油越多，開天窗位置越向管道頂部靠近。

（3）開天窗目的是清除動火點所在截面向左25 cm向右25 cm區(qū)域煤焦油。

（4）動火切割前在動火處管道底部鋪設濕黃沙，防止焊渣引燃煤焦油，且須在動火處準備好滅火器材和消防水帶。

（5）拆除過程中保證管道內(nèi)0～50 Pa微正壓，保證發(fā)生管道著火時可及時通入氮氣滅火，防止火勢擴大。

（6）對于現(xiàn)場管道兩端均與大氣接通的煤氣管道拆除，需在煤氣管道上間隔5 m左右均勻開天窗清除煤焦油，使在發(fā)生煤氣管道著火時可以將消防水打入管道內(nèi)滅火，防止因管道內(nèi)煤焦油堵塞不能有效滅火情況發(fā)生。

圖6 分段拆除示意圖

3 結語

焦爐煤氣管道長時間運行后，煤氣中萘、焦油等烴類有機物，H2S腐蝕產(chǎn)生的鐵的氧化物逐漸在管道中積累形成沉積物。在含有大量可燃沉積物的焦爐煤氣管道拆除過程中采用“開天窗清除可燃物+氮氣微正壓保護”的安全措施，分段拆除煤氣管道，保證了管道拆除過程中的安全、環(huán)保。