煤氣化裝置中氧氣管道的設計探討

江珍珍，劉 焱，王盤峰

(中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223)

設計技術

煤氣化裝置中氧氣管道的設計探討

江珍珍，劉 焱，王盤峰

(中國五環工程有限公司，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計要點，從工藝流程、燃爆因素、流速要求、材料選擇、管道布置及施工驗收等方面，對氧氣管道的安全設計進行探討，并結合實際案例闡述了煤氣化裝置氧氣管道的布置特點及優化措施。

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，近十年來國內大型現代煤化工項目的建設如火如荼，為了清潔、高效地利用煤炭資源，幾乎所有項目的核心都是氣化裝置。在煤氣化裝置運行過程中，不少裝置都發生過氧氣管線燃爆的事故，為裝置的安全、穩定運行埋下了隱患。在近幾年的煤氣化項目中，供應商和設計院都在不斷優化氧氣管道的設計，以降低氧氣系統發生危險的可能性。

筆者擬結合煤氣化裝置的工程設計經驗，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、施工驗收、事故案例等方面來探討氧氣管道的設計，以降低燃爆可能，確保氧氣系統管道的安全、穩定運行。

1 氧氣系統工藝流程

1.1 工藝流程

某項目來自空分裝置的常溫高壓氧氣經管廊，送至煤氣化裝置的氧氣預熱器，進預熱器前引一股氧氣供開工燒嘴使用；預熱器后的管線送入氣化爐的4個煤燒嘴，氧氣與煤粉在氣化爐內進行燃燒反應生成粗合成氣(CO+H2)供下游使用。氧氣在預熱前主管和進燒嘴前均設置有放空管線及潔凈高壓氮氣清掃管線。氧氣系統工藝流程見圖1。

圖1 氧氣系統工藝流程

1.2 工藝參數

上述氧氣系統工藝流程中涉及到的氧氣管道的溫度、壓力等工藝參數見表1。

表1 氧氣管道工藝參數

2 氧氣管道的燃爆因素

2.1 氧氣的性質及危險性

氧氣是強氧化劑、助燃氣體，能與可燃或還原物質發生猛烈反應。按照GB50016—2014《建筑設計防火規范》中表3.1.1生產的火災危險性分類，氧氣的火災危險性為乙類[1]。

2.2 燃爆“三要素”

燃爆的“三要素”為可燃物、助燃物、著火源。根據燃爆機理來分析，氧氣管道中助燃物(即氧氣)一直存在；可燃物為管道本身(管道材質一般是碳鋼或不銹鋼，因含碳，在純氧狀態下也可燃，而且鐵燃燒時釋放出大量熱量，溫度上升極快)；著火源有多種，例如：油脂引燃、啟閉閥門時的摩擦、高速運動的物質微粒(如鐵銹、灰塵、焊渣、雜質顆粒等)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、靜電感應和雷擊、氧氣流速過快導致局部溫度過高等[2]。因此，氧氣系統設計的原則是控制各個要素，特別是控制著火源(即激發能量)，使燃爆風險處于一定的可接受范圍內。

對于控制著火源來說，顆粒沖擊是工業上認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，二是控制沖擊區域，即通過控制截面流速、設置直管段和采用豁免材料來減少沖擊區域的影響。[3]

3 氧氣管道的設計

3.1 氧氣管道流速要求

GB16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》中規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》中規定的最高流速見圖2。

圖2 氧氣管線中壓力與流速的關系示意

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

2014年7月1日實施的新版GB50030—2013《氧氣站設計規范》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，本次修訂是根據現行國家標準GB16912《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》和歐洲工業氣體協會(EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSO-CIATION)IGC DOC 13/ 02/E《氧氣管道系統》(OXYGEN PIPELINE SYSTEMS)作出的規定[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 氧氣管道材質選擇

氧氣管道的材質選擇可按照GB50030—2013《氧氣站設計規范》中表11.0.9進行選擇。對于煤氣化裝置中氧氣管道而言，其設計壓力在3.0～10.0 MPa(a)的范圍內，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，而對于沖擊區域且流速超過不銹鋼允許最大流速時(例如限流孔板后10D、節流閥后高流速區)，應選用銅及銅合金、鎳及鎳基合金。由于銅及銅合金其自身特性(易發生化學反應、強度較弱)，它應用的場合較窄：銅易與氨反應，因而合成氨工程中禁止使用銅及銅合金；國內外工程公司經驗及相關規定也明確指出，在易燃、易爆、有毒介質及高溫、高壓條件下，管線應盡量不使用銅及銅合金(考慮到銅及銅合金強度較弱，一旦發生破裂，將造成嚴重事故)[7]。煤氣化氧氣管線屬于易燃、壓力較高場合，不應使用銅及銅合金，應選用鎳及鎳基合金。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%)，并不能當作豁免材料使用，而應與不銹鋼材料一樣需滿足p×v值的要求。

煤氣化裝置進煤燒嘴前加入蒸汽的氧氣管道，從距離燒嘴最近的節流調節閥開始，管線采用了因科鎳合金825，之所以沒有延續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(如調節閥、開關閥、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符合以下規定：①設計壓力＞0.1 MPa(g)的氧氣管道上，不得采用閘閥；②設計壓力≥0.1 MPa(g)且公稱直徑≥150 mm的氧氣管道上的手動閥門，宜設旁通閥；③設計壓力＞1.0 MPa(g)，公稱直徑≥150 mm的氧氣管道上經常操作的閥門，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。其中起節流作用的閥門不能按低流速來設計，若選用不銹鋼材質則存在較大的著火風險，特別是對于清潔度不能保證的場合(例如放空閥)，應該選用鎳基合金方能保證安全。

3.2.3 氧氣管道管件選用

氧氣管道的彎頭嚴禁采用褶皺彎頭，當采用標準的無縫對焊彎頭時，應采用長半徑彎頭。

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

氧氣管道的三通宜采用標準的鋼制對焊無縫三通。

氧氣管道上的法蘭應按現行國家或行業標準選用；煤氣化氧氣管道工作壓力為3.0＜p≤10.0 MPa(g)，應選用鎳基合金墊片。

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定，例如殼牌煤氣化工藝包規定，所有不銹鋼材質的氧氣管道最小壁厚為5.8 mm。而對于鎳基合金材質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，其間宜設長度不小于5倍管道公稱直徑，且不應小于1.5 m的直管段；②氧氣管道上的異徑管應逐級變徑；③氧氣管道與其他管道之間的最小凈距應滿足現行標準規范的要求；④氧氣管道嚴禁穿過生活間、辦公室，不宜穿過不使用氧氣的房間；⑤氧氣管道應設置導除靜電的接地裝置。

氧氣管道布置時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；避免死區以及微粒聚集；沖擊區增設穩流段；放空應滿足GB50160—2008《石油化工企業設計防火規范》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 氧氣管道的施工驗收

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

氧氣管道的安裝、焊接和施工、驗收應滿足下列要求：①焊接不銹鋼氧氣管道應采用氬弧焊打底；②管道的切割和坡口加工應采用機械方法；③管道預制長度不宜過長，應能便于檢查管道內外表面的安裝、焊接、清潔度質量；④管道的焊縫檢查應采用射線檢測，當采用水壓試驗時，若設計壓力p＞4.0 MPa(g)，則射線照相比例應為100%，焊縫質量評定(GB/T3323)應不低于Ⅱ級；⑤氧氣管道安裝后應按照現行標準規范進行壓力及泄漏性試驗。

5 氧氣管道事故案例

案例1：某廠經氧氣預熱器出口至煤燒嘴的氧氣總管發生燃爆事故，見圖6。

圖6 某廠去煤燒嘴的氧氣總管發生燃爆

氧氣預熱器后的氧氣總管在設計時應避免出現盲端(管帽或者法蘭蓋)和袋形，以防臟物積聚產生顆粒沖擊引發燃爆。從總管上抽取的去煤燒嘴的4個支管宜從總管頂部或水平抽頭，以防臟物落入支管。施工安裝時應按規范要求進行焊接、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生燃燒事故，見圖7。

圖7 某廠氧氣放空管線發生燃燒

由于氧氣放空管線直接排放至大氣，其清潔度較難保證，供應商對氧氣放空管線做了優化設計，氧氣放空流程優化見圖8。

圖8 氧氣放空流程優化

氧氣放空優化對比見表3。

表3 氧氣放空優化對比分析

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和滯留臟物的機會；②將手動操作的閥門改為DCS操作的氣動閥，降低了現場操作人員的人身危險；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，采用鎳基合金材質，控制了顆粒沖擊的區域，降低了燃爆風險。

6 結語

氧氣系統的安全、穩定運行對于整個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，按照標準規范和供應商的要求并結合工程實例，闡述如何合理地進行氧氣管道的設計，在滿足經濟性的前提下最大限度保證安全，為煤化工氧氣管道的設計提供了借鑒和參考。

[1]GB50016—2014，建筑設計防火規范[S].

[2]杜本超.氧氣管道設計[J].制冷與空調，2013(2)：57-60.

[3]陳韌.節流閥前后氧氣管道安全設計的探討[J].深冷技術，2013 (7)：17-22.

[4]GB16912—2008，深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程[S].

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

[6]GB50030—2013，氧氣站設計規范[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年畢業于湖北大學化學工程與工藝專業，高級工程師，現主要從事化工工程項目的工藝管道設計工作。