焦炉煤气输配管道堵塞物分析

焦炉煤气输配管道堵塞物分析

焦炉煤气作为一种高热值精炼焦的副产品，广泛应用于加热炉的生产中。由于焦炉煤气含有大分子烃类物质以及硫化物,这些物质易在管道中沉积或在湿环境下对管道造成腐蚀形成锈渣,从而导致管道堵塞,严重时不得不停产进行检修。因此,如何实现焦炉煤气管道畅通、安全运行是一个值得研究的课题。1粗脱硫出口hs质量浓度不超过400m的标准从焦炉出来的煤气叫荒煤气,经过冷却、脱硫、脱氰、脱氨、脱萘等一系列化工单元操作使焦油质量浓度不超过50mg/m3,萘质量浓度不超过350mg/m3,才能送往用户。对于冷轧、硅钢等用户使用的焦炉煤气,还要经过粗脱硫(出口H2S质量浓度不超过200mg/m3)、精脱硫工序的处理,最终煤气中H2S质量浓度降低至15mg/m3以下。从煤气质量上看是优质净煤气,但煤气管道堵塞的问题仍时有发生,为了煤气顺利输送,需要对堵塞物及形成原因进行分析,从而对此类问题加以整改和预防。1.1焦炉煤气运移的影响武钢冷轧总厂及硅钢总厂均有吸附制氢工艺,在运行中出现萘及焦油堵塞的问题较多。萘是一种芳香烃类有机物,分子式为C10H8,在常温下是无色单斜晶体,易升华,能与水蒸气一起挥发,不溶于水,易溶于有机溶剂。由于萘具有易升华的特性,因此环境及煤气温度的变化对煤气中萘含量有着较大的影响。冬季,焦炉煤气输配管道在大气环境中形成冷凝器的效果,萘和焦油往往在管路沿线沉积,因此,在用户端很少出现萘堵现象,过滤网清扫频率也比较低;当出现升温时,沉积在管道中的萘又升华被煤气携带至后工序,过滤网清扫频次增加,严重时形成堵塞;在昼夜温差大的季节更容易出现不规律的萘含量波动。焦油是多种芳香族烃类的混合物,外观呈黑色油状,在温度较高时呈液态,气温下降后变得黏稠,部分焦油可随冷凝水被排放出来。发生萘及焦油堵塞的主要特征为,堵塞物可燃,外观来看为油状可流动黏稠物并含有萘的结晶体,伴有典型萘的气味,堵塞部位主要为管道弯头、阀门、流量计、过滤网等易产生局部阻力损失的部位,当管道中焦油萘的沉积量少时并不影响生产,随着沉积量不断增加逐步造成阀门开关困难、过滤网前后阻力损失增大等现象,如果焦油萘得不到清除,管道通过能力下降并逐步影响生产。1.2焦炉煤气管道的安装冷轧总厂一冷轧镀锌及硅钢总厂二硅钢酸再生焦炉煤气管道出现水堵,严重时煤气无法通过,炉温降低,从炉前低点排出大量积水,现场检查发现冷轧总厂一冷轧镀锌线18号水槽排水管堵塞、二硅钢酸再生煤气管道沿线干法排水器排水管堵塞,排水器无法正常运行。由于荒煤气含有大量的杂质,无法达到用户使用要求,因此需要进行脱氨、脱硫等净化处理,经过净化后的焦炉煤气含有大量水分,其所携带的水分可分为机械水和饱和水,机械水在煤气中以雾态存在,在脱水过程中,机械水较容易被脱出,而饱和水呈气态易被煤气携带至后工序或用户,煤气温度越高,所携带的饱和水含量越高(如图1所示)。在煤气输送过程中,煤气温度下降,饱和水逐渐冷却成液滴,需要通过排水器排出。煤气排水器通常设置在管道的下面,规范要求安装间距为150m,“U”型煤气管道必须在低点安装排水器,以避免冷凝水沉积堵塞管道。若煤气管道中的冷凝水得不到及时排放,水在管道低点逐步沉积,随着水量的增加,煤气通道被堵塞,出现水堵后煤气压力憋高,在煤气压力憋高到一定程度后,水堵被击穿,形成通道,随着煤气压力急剧下降,随后水又重新回到低点再次形成堵塞。因此,可观察到在一段时间内的历史压力曲线呈波浪形,煤气压力时高时低波动频繁,由于含水量增加,煤气中的饱和水含量也相应增加,在煤气燃烧过程中低温水吸收热量,在煤气流量不变的情况下炉温下降,影响生产。1.3s环境下煤气管道存在的无机物焦炉煤气中含有H2S等物质,在湿H2S环境下,煤气管道中存在如下无机物:FeS、Fe2O3、Fe3O4、S等。这些腐蚀产物的形成过程如下。1腐蚀s-h++s1-feH2S遇到煤气中的冷凝水时变成弱酸,发生电离反应,其反应式如下。H2S→H++HS-HS-→H++S2-Fe在H2S酸性介质中被腐蚀,发生如下反应。阳极反应:Fe→Fe2++2e阴极反应:2H++2e→H2化学反应:Fe2++S2-→FeSFeS是脆性片状非保护性物质,它不能使金属腐蚀速率下降,在管道受到振动时会有大量粉状和片状物质脱落,形成堵塞物。2其他腐蚀过程控制煤气中的H2S在氧气不足或温度较低时,容易生成单质S和水,此外,堵塞物中的FeS在氧存在的条件下,可以氧化成Fe3O4,同时也有单质S析出。主要反应如下。H2S+O2→S+H2OFeS+O2→Fe3O4+SFe+O2+H2O→Fe(OH)2Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3Fe(OH)3→Fe2O3+H2O从上面的反应式可以看出,水的存在是管道发生腐蚀的必要条件,在潮湿的弱酸环境下,金属耐腐蚀性很大程度上取决于金属表面的保护膜,一般直接氧化形成的保护膜有很好的保护作用,但腐蚀产物所形成的膜则起不到保护作用。H2S对低碳钢在焦炉煤气中腐蚀行为存在非常显著的影响,H2S质量浓度为150mg/m3时,电极过程的控制步骤出现明显的转化,即H2S质量浓度大于150mg/m3时为阳极过程控制,腐蚀结果表现为低碳钢表面形成致密的保护膜,阻碍了腐蚀的进一步发展;H2S质量浓度小于150mg/m3时为阴极过程控制,锈蚀物容易剥落。冷轧及硅钢焦炉煤气中H2S质量浓度小于15mg/m3,在此种环境下发生的腐蚀为阴极过程控制,产生的锈蚀物在管壁上附着不牢固,当煤气出现气流波动时,锈蚀物很容易被冲刷下来,夹带在煤气中,当煤气流速减缓时渐渐沉积,造成煤气管道堵塞。生产过程中,通过对管道分段拆卸后检查发现,堵塞较多出现在流速较慢(煤气流速低于3m/s时)、管道沿线中水平高度较低的位置,采用蒸汽吹扫等方法无法实现管道疏通,只能对管道进行拆卸清理,发现堵塞物主要为铁锈状无机物。2解决方法1优化脱硫系统及脱硫槽为了避免管道堵塞,从煤气来源方面,首先需要做好脱焦油、脱萘、脱硫等净化工作,避免将大量杂质带入后工序导致杂质沉积和管道腐蚀。武钢焦炉煤气分别来自焦化一、二、三回收,荒煤气在回收系统中净化。净化后,煤气焦油质量浓度≤50mg/m3、萘质量浓度≤200mg/m3;H2S含量则不尽相同,其中一回收H2S质量浓度≤7000mg/m3,二回收H2S质量浓度≤500mg/m3,三回收H2S质量浓度≤200mg/m3。焦化厂脱除焦油、萘的净化工艺的稳定运行对避免焦油萘在煤气管道中的沉积起着决定性的作用,而燃气厂粗脱硫、精脱硫系统的稳定运行,降低了煤气中的H2S含量,可减缓煤气管道的腐蚀。由于焦化一回收送出的煤气中H2S含量较高,不能满足用户需要,因此,燃气厂通过粗脱硫对H2S进行再次脱除,质量标准要求H2S质量浓度≤200mg/m3,部分用户要求H2S含量需要进一步降低,如冷轧、硅钢采用的是精脱硫煤气,脱硫后H2S质量浓度≤15mg/m3。粗脱硫采用的是湿法脱硫工艺,精脱硫采用的是干法脱硫工艺,以上2种工艺均是对H2S进行脱除。当用户管道堵塞情况发生后,在脱硫槽出口增设过滤网进行定性试验,经过2周的运行,发现过滤网上积满焦油和萘的片状晶体。针对这种情况,由于干法脱硫的脱硫剂是铺设在脱硫槽内的笼屉中,在一定程度上对焦油和萘有过滤作用,因此,将脱硫槽运行方式进行调整,将备用状态的脱硫槽投入在线运行,增加煤气流动通道降低煤气流速,使杂质尽可能在脱硫槽中沉降,并缩短脱硫剂更换周期,由原来的每24个月更换1次脱硫剂缩短到18个月更换1次。但要从根本上解决萘和焦油堵塞的问题,还需要增设脱萘、脱焦设施,并争取将萘的质量浓度降低到100mg/m3以下,目前较为成熟的如变温吸附脱萘脱焦油法等。建立科学规范的化验取样管理体系,对煤气质量严格监控,出现异常趋势时及时指导净化工序生产,并通知后工序或用户做好预防应对;定期对煤气管道进行检查,并对管道中的沉积物进行化验,针对杂质的沉积形成周期,确定工序质量指标设定情况进行检查、判断和调整。2加强煤气管道的定期清洗维护尽可能脱除煤气中的机械水,降低煤气温度从而降低饱和水的含量;排水器正常工作是避免冷凝水沉积堵塞管道的主要措施,一方面要合理设计管道坡度及冷凝水排水器分布,对运行排水器进行定期维护检查,避免大量水聚集形成管道水堵,尤其是干式排水器需要定期放水,否则冷凝水夹带的杂质造成排污管堵塞导致冷凝水无法及时排出;冷凝水及时排放也降低了管道湿度,避免形成湿H2S环境发生电化学腐蚀;对于新安装的管道应进行防腐保护,可避免煤气直接与管道接触而产生腐蚀以防煤气管道堵塞。2.3加强设备的定期清扫维护运行过程中,煤气中的杂质不可能100%的脱除,长时间运行后,煤气管道中逐渐有焦油、萘等杂质逐渐沉积,如不及时检查清扫,则杂质会越积越多,由于煤气通道减小,固体颗粒更容易沉积,这样就形成了恶性循环。因此,需要建立煤气管道及过滤设备定期清扫维护制度,如在年修期间对管道进行检查,如有沉积情况,则采取蒸汽吹扫、人工或机械清扫等方式清除管道中沉积的焦油、萘等杂质;对系统中脱萘的过滤网进行定期清扫,尤其是在日温差较大的季节,增加过滤网清扫频率可避免管道堵塞;对煤气管道沿线的