高爐煤氣管道防腐緩蝕新工藝的應(yīng)用

李海軍

（江蘇申特鋼鐵有限公司，江蘇常州 213000）

引言

高爐干法布袋除塵工藝的不足之處主要體現(xiàn)在不能有效去除高爐煤氣中所含酸性氣體，導(dǎo)致后續(xù)煤氣管道及附屬設(shè)備腐蝕失效，形成煤氣泄漏隱患。尤其是高爐為降低焦比而加大噴煤量，使得高爐冶煉過程中產(chǎn)生含S 元素的酸性氣體；所用燒結(jié)礦為提高其轉(zhuǎn)鼓強度而添加大量含氯助劑（如CaCl2），使高爐冶煉過程中又產(chǎn)生含Cl 元素的酸性氣體。這些酸性氣體無法通過干法布袋除塵工藝脫除，隨高爐煤氣進入煤氣管網(wǎng)，不斷溶解于煤氣因降溫而析出的冷凝水中，從而形成pH 值很低的酸性溶液腐蝕煤氣管道。

江蘇申特鋼鐵有限公司（以下簡稱“申特鋼鐵”）有2座450 m3高爐和1座1250 m3高爐，煤氣基本流程：重力除塵→干法布袋除塵→TRT（溫度90 ℃、壓力15 kPa）→凈煤氣管道。高爐煤氣管網(wǎng)使用年數(shù)已久，煤氣管道腐蝕速率約在2～3 mm/a，泄漏點不斷增加，給煤氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大威脅，因此如何有效進行煤氣管道防腐緩蝕是亟需解決的課題。

1 高爐煤氣管道及附屬設(shè)備腐蝕現(xiàn)狀

1.1 高爐煤氣管道腐蝕情況

為準確掌握高爐煤氣管道腐蝕情況，分別對DN2400 高爐煤氣總管（設(shè)計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行6 年）、DN2000 軋鋼高爐煤氣總管（設(shè)計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行6年）以及DN1600燃氣發(fā)電高爐煤氣總管（設(shè)計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行4年）進行實測，見表1；據(jù)此計算得出管道年平均腐蝕速率見表2。

由表1 可以看出，各區(qū)域高爐煤氣管道壁厚均有很大程度的減薄，尤其是底部減薄相當嚴重，最薄處厚度僅為2.32 mm，并且是在底部包覆過6 mm鋼板的情況下，已嚴重影響煤氣系統(tǒng)安全運行。

表1 高爐煤氣管道管壁厚度實測值 mm

表2 高爐煤氣管道平均腐蝕速率 mm/a

由表2可以看出，3根高爐煤氣總管的下部腐蝕速率遠大于管道上部腐蝕速率：3 根總管的上部管道腐蝕速率為1.02 mm/a，下部管道腐蝕速率達到2.54 mm/a。按此下去，管道底部必須在一年內(nèi)再次進行鋼板包覆處理，否則會因管道太薄而無法作業(yè)。

1.2 不銹鋼膨脹節(jié)腐蝕情況

高爐煤氣管道、眼鏡閥附屬的不銹鋼膨脹節(jié)出現(xiàn)大面積的點狀腐蝕，表面有黃色的物質(zhì)析出[1]。當煤氣管道伸縮量比較大時，在不銹鋼膨脹節(jié)點狀腐蝕嚴重的波峰波谷部位甚至出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，形成線性裂口，造成煤氣泄漏。

2 腐蝕機理分析

高爐煤氣在管道中輸送時，當煤氣溫度下降至露點溫度以下時，會析出冷凝水并沉積于煤氣管道底部，冷凝水通過水封式煤氣排水器溢流外排。水質(zhì)取樣化驗統(tǒng)計見表3。

表3 高爐煤氣冷凝水水質(zhì)化驗結(jié)果

由表3 看出：高爐煤氣冷凝水中含有大量Cl-，并且平均pH 值小于4，呈較強酸性。隨著pH 值的減小，F(xiàn)e2+濃度不斷增加；當pH 值大于5.42 時，總Fe2+濃度明顯下降。Fe2+濃度反映管道腐蝕程度，即PH 值越低酸性腐蝕越強，管道腐蝕越厲害；同時Cl-也會對金屬管道、閥門以及不銹鋼材質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[2]。其化學(xué)反應(yīng)過程如下：

高爐煤氣中強酸性物質(zhì)（S、Cl）來源于以下幾方面：

（1）高爐冶煉過程中為降本增效、降低綜合焦比，要求最大限度的使用煙煤或無煙煤。煙煤中的硫元素經(jīng)爐內(nèi)反應(yīng)生成含硫的酸性氣體存在于高爐煤氣中。

（2）高爐使用進口礦石，在選礦和運輸時使用海水噴灑，導(dǎo)致煉鐵原料中含有大量的Cl元素[3]。

（3）高爐使用的燒結(jié)礦為提高其轉(zhuǎn)鼓強度，添加了大量的含氯助劑（CaCl2）。

這些強酸性物質(zhì)混合在高爐煤氣中，溶解于煤氣冷凝水后形成強酸溶液，在酸性腐蝕、氯離子“破鈍劑”點蝕及高鹽水電化學(xué)腐蝕下，使管道出現(xiàn)大面積均勻腐蝕、焊縫腐蝕、穿孔腐蝕以及不銹鋼膨脹節(jié)腐蝕。

3 常規(guī)煤氣管道防腐措施

目前各大鋼廠對煤氣管道采取的防腐措施和相應(yīng)不足主要有：

（1）提高腐蝕阻力：改進波紋管材質(zhì)，由316L升級為254SMo、825等；煤氣管道及設(shè)備材質(zhì)改為耐腐蝕合金鋼；管道及設(shè)備內(nèi)防腐，隔離內(nèi)壁與腐蝕成分。

該類措施成本過高，通常只適用于新建煤氣管道的控制防腐，對于正在運行的老煤氣系統(tǒng)實施難度較大。

（2）減少酸性物質(zhì)含量：選用酸性成分含量少的鐵礦石、煤粉等原料；燒結(jié)使用低氯助劑、減少或停用脫硫廢水；加堿水洗除酸，降低煤氣中氯、硫含量。

該類措施對原料、生產(chǎn)工藝條件的要求比較苛刻，很難實現(xiàn)?！凹訅A水洗除酸”工藝即在TRT 后加噴堿塔裝置，此工藝雖然可以將煤氣管網(wǎng)中冷凝水的pH 值提高至6～7、脫除部分氯離子緩解煤氣管道腐蝕，但是其脫氯效果不理想。首鋼研究院研究數(shù)據(jù)顯示“加堿水洗除酸”工藝最高脫氯率僅70%，最低脫氯率不足10%，煤氣管道腐蝕問題依然存在[4]。此外煤氣噴堿塔占地面積大、投資高、運行費用大，產(chǎn)生的廢水量大且廢水處理難度大。

（3）阻止液體腐蝕環(huán)境形成：減少爐頂打水降溫，減少冷凝水；直接將高溫煤氣送入管網(wǎng)，煤氣管道保溫，阻止冷凝水析出。

該類措施對生產(chǎn)工藝條件的要求比較苛刻，很難實現(xiàn)。

4 煤氣管道防腐緩蝕新工藝應(yīng)用

為解決高爐煤氣管網(wǎng)普遍存在的腐蝕及積鹽、沉積問題，同時兼顧到設(shè)備占用場地問題，因此嘗試采取投加煤氣管道高效保護劑（FGCI-8298），以達到有效減緩煤氣管網(wǎng)腐蝕、滿足現(xiàn)場安全穩(wěn)定運行要求的目的。

圖1 煤氣管道高效保護劑使用工藝流程示意圖

4.1 緩釋機理

緩蝕劑按保護膜的類型可分為沉淀膜和吸附膜；沉淀膜是緩蝕劑與金屬表面反應(yīng)生成氧化膜或與介質(zhì)中的離子反應(yīng)生成附著管壁的物質(zhì),使金屬的腐蝕減慢；吸附膜是緩蝕劑本身與金屬表面具有吸附功能，在金屬表面生成一種隔離膜，從而使金屬的腐蝕速度減慢。FGCI-8298 包括劑A 和劑B，二者混合時兼具沉淀膜和吸附膜的作用。

FGCI-8298 劑A：淡黃色至棕黑色液體、pH 值≥7.0、20 ℃時密度ρ≥0.900 t/m3，主要用于調(diào)節(jié)煤氣管道內(nèi)冷凝混合酸液pH 值至6～7，緩解酸性腐蝕。

FGCI-8298 劑B：淡黃色至棕黑色液體、pH 值≤9.0、20 ℃時密度ρ≥0.900 t/m3，是一種具有吸附功能的緩蝕劑。

4.2 高效保護劑使用工藝

高效保護劑由裝藥桶底部經(jīng)“過濾排污裝置”凈化，通過阻垢泵（一用一備、可調(diào)節(jié)輸出流量）加壓至0.4～0.5 MPa，經(jīng)過安裝在煤氣管道中心位置的不銹鋼噴槍霧化、順氣流噴出，充分與高爐煤氣接觸。

脈沖阻尼器安裝在阻垢泵出口，從阻垢泵出來的脈動流體進入阻尼器后，由于氣體具有可壓縮性，脈沖瞬時吸收，系統(tǒng)可獲得穩(wěn)定的液流和壓力,減緩管路振動，降低噪聲，提高管路的安全性。該系統(tǒng)不采用計算機自動控制，加藥量根據(jù)管道的最大煤氣流量計算。工藝流程如圖1所示。

工藝特點：

（1）工藝設(shè)備占地面積小，單個加藥點只需要5 m2；

（2）投資小，工期短，設(shè)備可以根據(jù)需求靈活搬遷再利用；

（3）工藝過程不產(chǎn)生廢水，無廢水處理費用；

（4）藥劑使用可根據(jù)煤氣量靈活調(diào)節(jié)，運行費用低；

（5）設(shè)備使用、維護方便，可在線進行噴槍清理、更換。

4.3 使用和效果

為檢測FGCI-8298的效果以及單一加藥點對煤氣管道的有效保護距離，選擇了一段煤氣流量較為穩(wěn)定且腐蝕較為嚴重的高爐煤氣管道進行掛片失重試驗。

在東區(qū)DN2200 高爐煤氣總管9#平臺至軋鋼末端約750 m 煤氣管道段進行試用。在此段管道上的6#、7#、8#、9#、10#排水器處懸掛標準掛片，另外在加藥點前2#排水器處懸掛標準掛片作為對比點。取樣、掛片檢測位置如圖2所示。

圖2 取樣、掛片檢測位置示意圖

試用周期共60 天，煤氣流量200000 m3/h 左右，F(xiàn)GCI-8298劑濃度為500 mg/L、加藥量7 L/h。得出各檢測點平均pH 值、Cl-濃度和掛片的腐蝕速率及緩蝕率，腐蝕速率及緩蝕率的計算參照《GBT18175-2014 水處理劑緩蝕性能的測定-旋轉(zhuǎn)試片法》標準進行，結(jié)果如表4所示。

表4 各檢測點平均pH值、Cl-濃度、掛片腐蝕速率及緩蝕率計算結(jié)果

由表4 看出，高效保護劑的使用對煤氣管道起到了較好的防護作用。結(jié)合表3 和表4 知加藥點后CL-濃度均有大幅下降，平均脫氯率達到了71.42%。對沿線各排水器取冷凝水化驗，平均pH 值全部大于6.0，有效降低了冷凝水對煤氣管道的酸性腐蝕，平均緩蝕率達到了77.55%，達到了預(yù)期效果。從表4 以及圖2 可知，高效保護劑的有效傳輸距離大于750 m。

在試用成功的基礎(chǔ)上，以高效保護劑的有效傳輸距離750 m 為依據(jù)，申特鋼鐵在全廠范圍內(nèi)設(shè)置了4 個加藥點，全面保護高爐煤氣管網(wǎng)。使用煤氣管道高效保護劑后，波紋膨脹節(jié)沒有再次出現(xiàn)穿孔腐蝕現(xiàn)象，煤氣管道的焊縫腐蝕漏水漏氣現(xiàn)象明顯減少。該工藝技術(shù)的使用，不僅為煤氣系統(tǒng)的安全運行提供了保證，同時大大降低了煤氣管道及附屬設(shè)施的維護費用。

5 小結(jié)

高爐煤氣冷凝水的酸性腐蝕、氯離子點蝕以及高鹽水電化學(xué)腐蝕是造成煤氣管道腐蝕的主要原因，向煤氣管道噴加FGCI-82 緩蝕劑可以提高煤氣冷凝水的pH 值，在煤氣管道表面產(chǎn)生吸附隔離膜，從而減慢金屬的腐蝕速度。本工藝方案較常規(guī)防腐方案具有占地小、成本低等優(yōu)勢，在申特鋼鐵得到全面應(yīng)用，有效延長了煤氣管道使用壽命，安全、環(huán)保效益顯著。