鋼鐵廠焦爐煤氣輸送中對設備的影響

張立秋，郭景民，王海順

（河鋼集團安全生產監督部，河北 石家莊 050023）

鋼鐵廠焦爐煤氣是煉焦用煤在高溫煉焦生產過程中的副產品，即煙煤隔絕空氣條件下在焦爐炭化室內加熱至950℃～1050℃的整修結焦過程中釋放出的氣態產物經凈化而得到的氣體產品。某鋼廠外供的工業焦爐煤氣是中灤焦化公司一期焦爐的副產品，經過脫焦油、脫硫、洗氨、洗苯和精脫硫進入工業煤氣柜，再經過加壓機輸送至用戶。工業焦爐煤氣在輸送過程中會對設備產生影響，這主要體現在對設備的堵塞和腐蝕。

1 現狀描述

某鋼廠焦爐煤氣的基本成分如下表1：

表1 某鋼廠焦爐煤氣的基本成分表

根據行業標準，外供工業煤氣質量指標如下表2：

表2 外供工業煤氣質量指標表

某鋼廠工業焦爐煤氣在實際輸送過程中對設備的影響主要體現在兩個方面。

1.1 煤氣雜質對煤氣設備的堵塞

（1）粉末堵塞。在某鋼廠外供工業煤氣和切割煤氣時多次出現設備堵塞現象，清理出來的堵塞物為黑褐色粉末，化驗結果為單質硫和鐵的氧化物及固體碳，形成原因是煤氣管道發生電化學腐蝕的產物。

（2）萘及焦油堵塞。管道中出現的萘是芳烴有機物。室溫下為無色單斜晶體，易升華，易隨水蒸氣揮發。它不溶于水，但易溶于有機試劑。當溫度相對較低時，焦爐煤氣的輸送和分配管道經常在大氣環境中形成冷凝器效應。諸如萘和焦油之類的物質很容易沿管道沉積，因此在用戶側很少發生萘阻塞現象[1]。當溫度升高時，在管道中沉淀的萘升華，并被氣體攜帶到隨后的過程中。過濾器清潔的頻率增加，甚至發生堵塞。在晝夜溫差大的季節，萘的含量波動很大,焦油是多種芳香烴的混合物，呈現黑油狀，在高溫下為液體，在低溫下為粘性。萘和焦油封堵設備的主要特征是：封堵物會燃燒，外觀是油狀，可流動的粘稠物質，伴有含有萘的晶體，并且還帶有萘的氣味。被阻塞的零件主要是彎頭，閥門和燃燒器以及其他容易造成局部阻力損失的零件。當萘和焦油沉積物繼續增加時，可能會導致閥門切換困難。如果不及時處理萘和焦油，很容易導致管道的通過能力下降，影響生產活動。

焦油是由許多具有不同物理和化學性質的物質組成的混合物。焦油具有很高的粘性，容易粘附灰塵，而且不容易將兩者分開。在焦爐煤氣加壓過程中，如果采用活塞式加壓機，往往會在加壓機停機再啟時，無法電動啟車或手動盤車現象。這是由于焦油使加壓機吸、排氣閥的閥片粘接，致使閥片不能動作，導致無法正常啟車。更甚者，焦油將活塞與氣缸內壁粘接，活塞不能往復運行，這也是無法正常啟車的原因。每次拆機檢修時都會發現氣閥、活塞、缸體內壁有緊固的粘接物，很難清理。

圖1 職工正在清理管道內堵塞物圖

圖2 加壓機氣閥內粘接物

（3）煤氣冷凝水堵塞。由于焦爐氣體中含有大量的水分，因此水分主要通過主冷卻器和最終冷卻塔的冷凝而除去，除去后的氣體仍將具有大量的水分。焦爐煤氣攜帶的水主要是機械水和飽和蒸汽水等。機械水主要以薄霧的形式存在，易于去除，而飽和蒸汽則易于攜帶到后續工藝中。水含量越高，氣體溫度越低，將產生一定量的冷凝水。當冷凝水積聚到一定高度時，會影響氣體的通過并形成水堵，導致氣壓下降增加。當壓降增加到一定程度時，水塊破裂形成一條通道，而當水回到低點時，又形成水塊。因此，可以觀察到一段時間內的歷史壓力曲線是波形的，并且氣體的壓力有時高有時低。當水含量增加時，低溫水會在氣體燃燒過程中吸收熱量，因此爐溫會在一定程度上降低，這會影響正常的生產操作。

1.2 焦爐煤氣對管道、設備的腐蝕

（1）對焦爐煤氣管道的化學腐蝕。凈化氣體中的諸如H2S，HCN，CO2，O2，萘，甲苯不溶物和碳之類的雜質或多或少地保留在氣體中。當環境溫度低于氣體露點時，會在氣管壁上引起冷凝。在嚴重的情況下，冷凝水會在燃氣管的下部產生并積聚。煤氣中的H2S，HCN 和CO2等腐蝕性氣體將與冷凝水共存，生成氫硫酸，氫氰酸，碳酸，并通過酸對焦爐煤氣管道產生化學腐蝕。

電化學腐蝕是在冷凝水主要為電化學腐蝕的區域中發生的腐蝕。焦爐煤氣管道中存在一定量的冷凝水，因此煉焦爐煤氣管道內壁的腐蝕主要是電化學腐蝕。也就是說，由于焦爐氣體中的腐蝕性介質是離子導體，因此除了化學反應之外，還流動有電子，從而產生從高電位到低電位的電流。

從圖3 可以看出，電化學腐蝕電路由4 部分組成：陽極，陰極，電解液和外部電路。電解質溶液是酸性或中性的水溶液。電子通過外部電路從陽極金屬A 流向陰極金屬B。氫離子在陰極吸收電子以形成氫氣。陽極金屬失去電子，產生金屬離子，直接導致金屬損壞。焦爐煤氣中的腐蝕性氣體（例如H2S，HCN，CO2）與冷凝水共存，生成氫硫酸，氫氰酸，碳酸，并在水溶液中電離形成電解質（電介質溶液）。

圖3 電化學腐蝕機理

在焦爐煤氣管道的內壁表面和電介質鍵合之間的界面處發生電化學腐蝕，FeS 生成并沉積在管道壁上。反應公式如下：

硫化亞鐵（FeS）是焦爐煤氣管道內壁上電化學腐蝕的產物。

焦爐煤氣中含有少量的氧氣（通常＜1%）。當它與管道的內壁接觸時，它將發生氧化反應以生成氫氧化亞鐵，然后該氫氧化亞鐵將繼續與氣體中的氧氣反應以生成氫氧化鐵。這導致管壁腐蝕。

少量的萘，焦油和甲苯不溶物殘留在焦爐氣中。管道中的焦爐氣隨環境溫度變化，或多或少的冷凝水，萘，焦油殘渣，甲苯不溶物和其他物質沉積并存儲在管道底部，這些固體物質會影響管道中冷凝水的排放，導致焦爐氣中的H2S，HCN 和CO2與水共存，產生氫硫酸，氫氰酸和碳酸，然后會發生電化學腐蝕。從對焦爐煤氣管道腐蝕和堵塞的實際觀察來看，兩者之間的相關性很強，焦爐煤氣管道嚴重堵塞，腐蝕嚴重，腐蝕面積也較大，FeS 也越高，更多地暴露于大氣中，越容易自燃。相反，從焦爐煤氣鼓風機到萘洗滌塔的焦爐煤氣管道幾乎沒有固體沉積物，腐蝕程度也很輕。

（2）對氣柜密封油的影響。煤氣中的水、硫化氫、氨、苯等雜質對氣柜密封油性能有極大的影響，可在短時間內使密封油乳化變質。主要體現在密封油破乳化性和氧化安定性降低，運動粘度下降，閃點下降，凝點升高。使密封油起不到封住煤氣的作用，存在極大的安全隱患。2012 年發生在煤氣摻混站的煤氣柜密封油槽泄漏，導致崗位人員煤氣中毒死亡的事故，直接原因就是由于密封油乳化結冰造成的。另外，氣柜密封油更換一次需要上百萬元的費用，大大增加了煤氣柜運行成本。

圖4 煤氣管道的腐蝕

2 技術方案

（1）嚴格控制焦爐煤氣質量指標。在煤氣凈化工序中嚴格控制焦爐煤氣質量指標，尤其關注焦油、萘含量是否超標，避免雜質超標導致的設備堵塞和腐蝕的現象的發生。定期對管道中積聚的焦油、萘進行蒸汽吹掃，利用高壓蒸汽的吹掃，使融化的雜質通過煤氣管道排液管排出管道。在使用蒸汽吹掃過程中要注意控制壓力，切勿壓力過高，以防止吹掃過快導致萘的堆積，最終影響管道的通暢。在清理工作中，要注意清理的管段與運行管段之間可靠切斷。脫水器下液管的清理前要關閉閥門并加盲板，可采用蒸汽加鐵條通堵的辦法，并用清水沖洗。

（2）及時脫出煤氣中的機械水。要除去煤氣中的機械水，需要降低煤氣溫度，以確保減少飽和水含量。其次，在鋪設管道時，應合理設置管道的坡度，以確保冷凝水順利通過冷凝缸排出。崗位人員必須定期將冷凝水排到冷凝水箱中，建立抽水帳號，并詳細記錄抽水位置，抽水日期等，以便對燃氣管道的運行和管理進行核實；再次，新安裝的管道應進行防腐處理，以免氣體與管道直接接觸而引起腐蝕甚至阻塞氣體管道。

（3）加強設備的定期清潔。在年度維修期間，應對管道進行全面檢查。如果有沉淀，可以使用蒸汽吹掃和手動清潔。尤其在晝夜溫差大的季節，要注意定期清洗系統中的除萘濾池，以免管道堵塞；燃氣管道及輔助設備必要的防腐處理，如果發現防腐層脫落，應及時進行修補，以防止因腐蝕沉積而造成的管道堵塞。

（4）管道防腐。從以上分析可以看出，為防止煤氣管道的腐蝕和堵塞，首先要改善煤氣生產的凈化工藝，提高脫萘和脫硫（氰化物）的效率，并減少煤氣中腐蝕性成分的含量。其次，采用隔離方法，在燃氣管道內壁涂上一層防腐蝕層，以隔離鐵基體與腐蝕性介質之間的接觸。同時，要求防腐層的表面光滑，與管道的坡度一致，并設置適當量的水封以促進冷凝水和結晶萘的流動。使用防腐蝕涂料時，關鍵是選擇和使用防腐蝕涂料，在燃氣管道內壁上使用防腐涂料時，必須滿足以下條件。①由于煤氣流對管道內壁有一定的沖擊和摩擦，因此要求涂層對管道具有很強的附著力，耐腐蝕性和沖擊力。②由于煤氣體管道中存在腐蝕性氣體，因此要求涂層的化學性能穩定且耐酸和氧腐蝕。③由于冷凝物會在氣體中沉淀，因此要求涂層具有抗水浸性能。④涂層必須光滑，以減少冷凝水和固體沉淀物的流動阻力，并保持管道暢通。