焦爐煤氣外管設計

裴玉慶，朱 浩，賀建剛

（山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021）

0 引 言

焦爐煤氣是在煉焦過程中產生的一種可燃氣體，是煉焦工業的副產品。焦爐煤氣主要成分包括CH4、CO、CO2、N2、O2、H2和焦油等。

焦爐煤氣可作為工業與民用燃料（鋼鐵聯合企業在煉鋼、燒結、軋鋼等過程中用焦爐氣做燃料）、發電用的燃料和化工原料。

焦爐煤氣作為民用燃料時，可直接接入城市供氣管網作為居民用氣，但其熱值和潔凈度都不如天然氣。

焦爐煤氣作為化工原料時，經過凈化后的焦爐煤氣被送往下游企業進行進一步利用，焦爐氣制甲醇和化肥由于市場受限及發電上網困難等因素影響，目前較好的利用途徑是焦爐煤氣甲烷化制天然氣以及用于尿素和合成氨生產。

1 焦爐煤氣成分

焦爐煤氣成分組成見表1。

表1 焦爐煤氣成分組成Table 1 Content of coke oven gas

本設計以山西陽煤豐喜肥業（集團） 有限責任公司焦爐煤氣綜合利用年產24 萬t 合成氨、40 萬t尿素及聯產6.3 萬t LNG 項目為背景，擬在山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司廠區外建設焦爐煤氣外管網，本管網共有3 家供氣企業，分別為永祥焦化、東方焦化和晉華焦化。

本工程為焦爐煤氣輸送工程，在輸送過程中，由于溫度變化，焦爐煤氣中的水蒸氣會冷凝液化，需要及時將冷凝液排出，以免影響煤氣輸送。

本設計用煤氣水封槽收集冷凝液，水封槽冬季需采取防凍措施- 通入蒸汽。

2 各企業供氣情況

根據廠區提供的數據，本工程用氣量為80 000 m3/h。

各企業供氣情況詳見表2。

表2 各企業供氣匯總表Table 2 Summary table of company gas supply

3 介質參數

3.1 焦爐煤氣規格

本工程所用焦爐煤氣操作壓力為8～15 kPa，操作溫度為60 ℃，密度為0.4～0.5 kg/Nm3。

焦爐煤氣管道設計壓力為0.195 MPa，設計溫度為80 ℃。

3.2 焦爐煤氣的特點

（1） 焦爐煤氣發熱值高16 720—18 810 kJ/m3，可燃成分較高（90%左右）。

（2） 焦爐煤氣是無色有臭味的氣體。

（3） 焦爐煤氣因含有CO 和少量的H2S 所以有毒。

（4） 焦爐煤氣含氫較多，燃燒速度快，火焰較短。

（5） 焦爐煤氣如果凈化不好，將含有較多的焦油和萘，就會堵塞管道和管件，給調火工作帶來困難。

（6） 著火溫度為600～650 ℃。

3.3 蒸汽規格

蒸汽操作溫度158 ℃，操作壓力0.6 MPa。

4 焦爐煤氣輸送方案

4.1 管道走向

東方焦化廠位于泉稷能源廠區西南方向，其焦爐煤氣管線自東方焦化廠區東部接出，跨過馬路，沿馬路自南向北120 m 后向東220 m 轉向北敷設至振興大街后，在街北沿振興大街自西向東敷設1 100 m，沿泉稷能源廠區東圍墻繼續向北敷設至焦爐氣除焦脫氨裝置附近。

晉華焦化廠位于泉稷能源廠區的東側，兩個廠區距離2 250 m。此段焦爐煤氣管線自晉華焦化廠區西圍墻接出跨過馬路后沿路西向南敷設，途中跨越馬路，沿路東繼續向南至振興大街，沿振興大街北面自東向西敷設，途經一個十字路口，最寬處可達75 m，跨越難度較大，向北50 m 左右位置寬度43 m，跨過馬路再向南折返，然后繼續向西敷設至泉稷能源廠區東圍墻，沿圍墻向北敷設至廠區焦爐氣除焦脫氨裝置附近。

永祥焦化廠位于泉稷能源廠區的東側，兩個廠區東西相鄰。此段焦爐煤氣管線沿廠區圍墻自北向南敷設至泉稷能源廠區焦爐氣除焦脫氨裝置附近。

為了防止管道堵塞，焦爐煤氣管道考慮蒸汽伴熱，蒸汽主管選用DM80 碳鋼管道，與焦爐煤氣管道并排敷設。

焦爐煤氣管道走向簡圖如圖1 所示。

圖1 焦爐煤氣管道走向簡圖Fig.1 Coke oven gas pipeline layout

4.2 管路計算

4.2.1 各廠區供氣管道管徑及壓力損失計算

（1） 永祥焦化- 泉稷能源管路流量：42 050 m3/h；供氣壓力為8～15 kPa 根據計算得出此段管道的管徑取DN1200（φ1220×12.0）

此段管路長790 m，由《燃氣管道計算》軟件可得出：

管道流速：9.5 m/s

管道壓降：259.03 Pa

管道出口壓力：7 740.97～14 740.97 Pa

（2） 東方焦化- 泉稷能源管路流量：19 000 m3/h；供氣壓力為8～15 kPa

計算得出此段管道的管徑取DN800（φ820×10.0）

此段管路長1 800 m，由《燃氣管道計算》軟件可得出：

管道流速：9.7 m/s

管道壓降：1 012.18 Pa

管道出口壓力：6 987.82～13 987.82 Pa

（3） 晉華焦化- 泉稷能源管路流量：19 000 m3/h；供氣壓力為8～15 kPa

計算得出此段管道的管徑取DN800（φ820×10.0）

此段管路長3 110 m，由《燃氣管道計算》軟件可得出：

管道流速：9.7 m/s

管道壓降：1 748.09 Pa

管道出口壓力：6 251.91～13 251.91 Pa

4.2.2 管道補償

焦爐煤氣管道出口溫度60 ℃，固定點距離96 m

蒸汽管道溫度158 ℃，固定點距離48 m

根據管道熱伸長量計算公式△L=αL(t1-t2)

計算得出：焦爐煤氣管道熱伸長量為86.4 mm，蒸汽管道熱伸長量為100 mm。本設計采用波紋補償器進行管道補償，根據焦爐煤氣管道的壓力、管徑和熱伸長量，選擇型號為SGE.T.2.5 /800x6-J 的通用型波紋補償器，其軸向補償量可達到110 mm，大于焦爐煤氣管道熱伸長量86.4 mm，滿足補償要求。

根據蒸汽管道的壓力、管徑、熱伸長量，選擇型號為1.6TWY80x27J 的軸向外壓式補償器，其軸向補償量可達到144 mm，大于蒸汽管道的熱伸長量100 mm，滿足使用要求。

5 煤氣排液水封槽

在焦爐煤氣管道下方安裝規格為φ325×250 mm 的集液槽，管道中的水首先集中在集液槽，再通過管道排至煤氣水封槽。煤氣水封槽的設備尺寸為φ426×3 164 mm，共有7 個管口，包括溢流口、冷凝液入口、放空口、新鮮水入口、蒸汽入口、排凈口、人孔等。焦爐煤氣管道排液水封接管見圖2。

6 管道敷設

管道的敷設在保證安全、正常生產及操作，檢修方便的前提下，力求整齊、美觀以創造良好的生產環境，同時要考慮節約材料及投資，管道布置應統一考慮，使管架布置、管道走向更加合理。

永祥焦化- 泉稷廠區的焦爐煤氣管道管徑選用DN1200（φ1220×12），東方焦化- 泉稷廠區和晉華焦化- 泉稷廠區的焦爐煤氣管道管徑選用DN800（φ820×10）。三條線路的蒸汽主管管徑選用DN80（φ89×4.0）。焦爐煤氣管道的排液管管徑選用DN80（φ89×4.0），煤氣管道放空管管徑選用DN150（φ159×4.5）。煤氣排液水封槽的蒸汽支管管徑選用DN25（φ32×3.0），新鮮水管管徑選用DN25（φ32×3.0），溢流管管徑選用DN80（φ89×4.0）。

焦爐煤氣管道架空敷設，蒸汽主管置于焦爐煤氣管道上方。本工程所在地地勢西高東低，北高南低，東西方向地坪標高486.82～506.54，南北方向地坪標高486.94～504.64。管架高度3.5～9.7 m，管線坡度依就地勢，約0.6%。

焦爐煤氣管道材質選用Q235B（SY/T5037-2018），其他管道材質均選用20#（GB/T8163-2018），管道支撐點設置管托，蒸汽主管、蒸汽支管及排液水封需保溫，蒸汽支管保溫厚度40 mm，蒸汽主管保溫厚度50 mm，排液水封保溫厚度60 mm，保溫材料選用陶瓷纖維毯1050 型。

焦爐煤氣管道排液水封接管圖如圖2 所示。

圖2 焦爐煤氣管道排液水封接管圖Fig.2 Condensate discharge piping plan of the water seal of coke oven gas pipeline

每根焦爐煤氣管道的起點和終點均設置了煤氣專用蝶閥和孔板流量計，閥門材質為鑄鋼。在煤氣管道及蒸汽管道最高點設置放空管.煤氣放散管管口應高于煤氣管道2.5 m 以上。焦爐煤氣管道放空管采用雙閘閥設計，閥門材質為鑄鋼。焦爐煤氣管道集液槽詳圖如圖3 所示。

圖3 焦爐煤氣管道集液槽詳圖Fig.3 Sump detailed drawing of coke oven gas pipeline

7 靜電接地

所有煤氣管線，均應有可靠的防靜電的接地保護。連接處采用焊接連接，埋地部分采用焊接連接。管道法蘭和閥門等連接處要做跨接，連接線宜選用6 mm2多股銅芯氯乙烯電線，其長度應留有不小于100 mm 的裕度。接地體采用鍍鋅鋼管G50 L=2.5 m。每隔80～100 m，在管道的相應的位置上（具體位置詳見管道平面布置圖），設置專用的接地連接端頭，作為靜電接地的連接點。每組專設的靜電接地體，其接地電阻值，一般情況應小于100 Ω。扁鋼，軟銅編織線等材料應鍍鋅或涂防腐漆，金屬接地體應選用鍍鋅鋼材。

8 結 語

焦爐煤氣管道的設計首先根據煤氣的流量、流速等確定管徑，再根據管道走向及管徑合理設計管架間距、形式等，根據煤氣的溫度、壓力、熱伸長量選擇合適的補償器，最后根據生產需求和實際情況設置閥門、計量裝置、自動化儀表等部件。