高焦混合煤氣管道腐蝕堵塞原因分析★

李 閩，汪的華

（1.武漢商學院機電工程學院，湖北 武漢 430056；2.武漢大學環境與科學學院，湖北 武漢 430072）

隨著鋼鐵產能的不斷提高，高焦爐煤氣等產量逐漸增多，由于具有一定的熱值，將其合理地回收利用是滿足現狀日益嚴格的環保需求。但是煤氣在輸送過程中由于無法進行及時的清理，經常發生過濾器發生嚴重堵塞現象，若清掃不及時將引起單個爐臺熄火，因此，清掃周期不斷縮短，由半個月一次變為每天一次。目前，國內對針對高焦爐煤氣管道堵塞的原因研究較少，已有研究對管道內可能發生的腐蝕反應的機理研究也不深入，若不能及時弄清高焦爐煤氣管道腐蝕堵塞的原因，有可能造成煤氣管道的破損，致使煤氣泄漏，很容易引起爆炸等事故的產生，嚴重威脅到安全生產，因此，弄清高焦爐煤氣管道腐蝕的原因與機理至關重要，對高焦爐煤氣管道工藝設計與管道防腐工藝的改進具有一定的指導意義。

1 高焦爐煤氣管道腐蝕原因及形成機理探討

1.1 高焦爐煤氣管道腐蝕產物分析

冷軋加熱爐用混合煤氣為高爐和焦爐煤氣混合而成。煤氣中主要含有CO、CO2、H2、N2、CH4與CnHm，以及焦油、H2S、NH3、HCN 和萘等雜質。以上雜質中，焦油、萘等含量受溫度影響，含水量亦受溫度影響。在煤氣中的含量均隨溫度降低而降低，當煤氣溫度降低時，其會凝結析出。實驗采集了DN700 混合煤氣切斷閥后下降管底部法蘭端蓋內的粉塵，并對其進行分析。

粉塵樣品中主要含有Fe，S，O，C 元素，另外過濾絲網上攔截的粉塵還含有少量Cl，Ca，Si，Al 等元素。由于管道內沉積的粉塵樣與絲網攔截的粉塵樣中鐵、氧元素含量較高，推測粉塵可能來源于管道內鐵的腐蝕產物與高爐煤氣中帶來的氧化鐵，另外粉塵樣品中S 元素含量較多，由于混合煤氣中硫的唯一來源是焦爐煤氣中的硫化氫，很顯然，硫化氫與鐵反應后生成硫元素而進入沉積物中。

管道內粉塵樣品的XRD 圖譜與S8 的標準圖譜完全一致，說明管道內粉塵樣品中含有S 單質，而過濾絲網上粉塵樣品XRD 圖譜與水合氧化鐵的標準圖譜完全一致，說明過濾絲網上攔截的粉塵主要成分為氧化鐵。

由于EDX 分析僅為微區表面元素含量分析，其結果受樣品均勻程度有關，同時所測結果僅為元素含量，所以為確定樣品中各物質的含量，將管道內沉積粉塵樣品進行XRF 成分分析，結果見表1。

表1 煤氣粉塵成分分析 %

從表1 中可以看出，粉塵樣品中主要由氧化鐵與單質硫所組成，其中氧化鐵質量分數達到60.8%，而在現場取樣中也發現樣品中含有一片片大塊鐵銹，說明管道內存在著大量的腐蝕產物；從表中還看出煤氣粉塵中S 元素的含量也較高，推測管道中腐蝕產物硫化亞鐵在氧氣和水的作用下，發生硫化-氧化的循環反應，生成了單質硫。

為緩解管道堵塞現象，將現場粉塵樣品進行粒徑分析。選用通過篩選法得到粉塵粒徑分布情況與通過情況，如下頁圖1 所示。

從圖1 中可以看到，煤氣粉塵粒徑較細，在選擇80 目網孔時，有88%的煤氣粉塵會被過濾裝置截留下來，而選擇100 目網孔時，有93%的煤氣粉塵會被過濾裝置截留下來，考慮到過濾網及設備的大小，因此考慮選用90 目左右的濾網較為合適。

圖1 不同篩號下粉塵通過率

1.2 管道堵塞物形成機理分析

綜合以上測試結果可知，混合煤氣管道粉塵中存在著大量的氧化鐵與單質硫。混合煤氣中硫的唯一來源是焦爐煤氣中的硫化氫，因此，大量的單質硫應來源于硫化氫的氧化還原反應。

大量研究報道[1-6]，由于焦爐煤氣中存在著硫化氫等酸性介質，且煤氣在管道內的流速逐漸減緩，溫度降低，使得管道中析出大量的冷凝水，在這種潮濕的硫化氫環境下，焦爐煤氣管道易發生嚴重的電化學腐蝕，生成FeS，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。電化學腐蝕具體反應如下：

同時，生成的腐蝕產物硫化亞鐵在管道內水和氧氣作用下，易反應生成了單質硫與氧化鐵，反應如下：

因此，推測二冷軋混合煤氣管道粉塵中的氧化鐵與單質硫是由于管道內發生的硫化氫腐蝕所造成的。

但是從XRF 測試結果中我們可知，煤氣粉塵中含有60%的氧化鐵與32%的單質硫（均為質量分數），同時現場取樣時發現管道內能沉積大量的粉塵堵塞管道，現場操作人員反應清掃后隔天仍有大量粉塵產生堵塞管道，而腐蝕發生的過程是極其緩慢的過程，隨著時間的增長，腐蝕產物逐漸增多，使得腐蝕介質與管道內壁接觸減少，腐蝕減緩，因此，管道內大量的氧化鐵與單質硫不僅僅是來自于硫化氫腐蝕反應所產生，還應發生了其他反應使得管道內存在大量的氧化鐵與單質硫。

寶鋼張興良等人[6]采集高爐煤氣管道粉塵進行成分分析，結果表明高爐煤氣灰塵中氧化鐵的含量（質量分數）占71.4%，因此，結合寶鋼實驗結果可以推測混合煤氣管道粉塵中大量的氧化鐵一部分來自于高爐煤氣粉塵。

Jayanti 等人[7]研究表明，混合煤氣粉塵中的氧化鐵一部分來自于腐蝕產物，一部分來自于高爐煤氣粉塵中的氧化鐵，氧化鐵在硫化氫的氧化反應中起到了一定的催化作用，使得煤氣中的硫化氫不斷氧化生成單質硫，此反應稱之為沼鐵礦反應。在溫度為30～38 ℃，氧和水分存在下，對此反應的進行極為有利。其主要反應如下：

武鋼二冷軋混合煤氣管道粉塵主要有氧化鐵與單質硫所組成，其結果與Jayanti 等人的實驗結果一致。因此，可以推測武鋼二冷軋混合煤氣管道中的硫化氫氧化生成硫沉積物的機理應包含如下兩種：一是煤氣中的硫化氫與管道發生電化學腐蝕，生成氧化鐵與單質硫；二是腐蝕產物與煤氣粉塵中的氧化鐵進一步參與硫化氫的氧化反應，催化反應生成單質硫沉積在管道中，由于氧化鐵由管道腐蝕產物及煤氣中的粉塵所提供，所以反應是煤氣在管道中輸送的同時進行的。

當焦爐煤氣中硫化氫含量較高，管道腐蝕不斷發生，產生氧化鐵等腐蝕產物，同時在來自混合煤氣中氧化鐵粉塵連續供給的情況下，硫的沉積反應會按上述兩種機理持續進行，導致管道沿線產生了大量的單質硫與氧化鐵，隨著氣流速率逐漸減緩，逐漸沉積在管道不同部位，堵塞管道，尤其是在管道最遠端處沉積著大量的粉塵。

2 結論及建議

高焦爐煤氣管道堵塞的主要原因是由于管道在硫化氫和煤氣冷凝水構成的腐蝕環境下發生電化學腐蝕所引起的，煤氣中的冷凝水、停留時間及合適的溫度為堵塞物生成提供了條件，反應生成了大量的單質硫與氧化鐵沉積在管道各個部位，造成管道的堵塞。

為減少煤氣管道中堵塞物的產生，建議從以下幾個方面進行控制：

1）應從源頭盡量減少硫化氫的含量，減少腐蝕反應及沼鐵礦反應的發生；

2）由于腐蝕反應及沼鐵礦反應發生都需要在潮濕的環境下，所以盡可能的減少管道中的冷凝水析出，對管道進行合理的保溫，及時排除產生的冷凝水，減少電化學反應的發生；

3）應在煤氣流速較低，遠端用戶端前進行煤氣粉塵過濾，過濾網建議采用0.15 mm 左右孔徑，盡量減少氧化鐵粉塵的沉積；

4）停氣檢修時應及時對管道內部進行清理，并對管道內壁進行防腐涂層涂刷及修補工作。