寶鋼集團CRG氣體管道輸送方案探討

上海燃氣工程設計研究有限公司 沈良

0 前言

原上鋼三廠為世博會建設而被動遷至寶鋼，成立浦鋼公司，并入寶鋼集團，借新址建廠之機，引進 COREX設備生產精品鋼，其產生的副產品是CRG氣體，具有低熱值，除供浦鋼生產外，可輸送至寶鋼作為CCPP發電機組能源，其輸送流量很大，一般情況下，為10.6萬m3/h，浦鋼其他煉鋼設備檢修期間，為24.5萬m3/h。因此如果加以合理利用，能實現很高的經濟效益、節能效益、環境效益。但CRG相對含水量大，露點溫度為35 ℃；含有CO氣體45.23%，具有對人體很強的毒性；CO2氣體含量為33.17%，易與水結合生成碳酸中對鋼管內壁有較強的腐蝕性；H2S氣體含量152 mg/m3，既對人體有較強的毒性，又在潮濕的環境中對鋼管內壁有較強的腐蝕性。因此實現 CRG氣體安全輸送的可行性便被提出，作為調查研究的課題。

1 寶鋼CRG氣體成分及性質

CRG氣體是煉鋼反應時產生的氣體，其成分及性質見表1、表2：

表1 寶鋼CRG氣體性質(1)

表2 寶鋼CRG氣體性質(2)

從表1、表2中得出如下結論：

(1)CRG氣體中因含有大量的CO氣體，使其具有很強的毒性。CRG氣體中 CO平均體積成分為45.23%，遠大于城市燃氣對 CO體積成分控制在10%~20%的限制因此，在輸配中一旦泄漏，極易發生中毒危險，一般來說不應穿越城市輸送。

(2)CRG氣體中H2S體積成分為100×10-6，即質量含量為154 mg/m3，遠大于城市燃氣中H2S質量含量≤20 mg/m3的限制。H2S對眼粘膜和呼吸道有損壞作用，其燃燒產物SO2短時間呼吸，生命就有危險。H2S又是一種活性腐蝕劑，其與氧、水共同作用，對金屬管道內壁、燃具內部產生強烈腐蝕(其程度與H2S含量及CRG壓力成正比)，同時其燃燒產物SO2對爐膛、煙道產生強烈腐蝕。

(3)CRG氣體中CO2平均體積成分為33.17%，作為惰性氣體，降低了燃氣的熱值，也降低了燃燒的熱效率(即排氣廢熱增加)。CO2與水共同作用，對金屬管道內壁、燃具內部產生腐蝕。

(4)CRG氣體的平均密度ρ為1.277 1 kg/m3，接近空氣密度1.293 kg/m3，一旦泄漏，在空氣中積聚，不易散發(相對于密度為0.80 kg/m3左右的人工燃氣和天然氣而言)。增加了發生中毒、燃燒、爆炸的危險性。

(5)CRG氣體的平均爆炸下極限Ll為14.79%，平均爆炸上極限Lh為65.83%，爆炸區域很寬，爆炸的危險性較大。

(6)CRG氣體的高熱值Hs為8.643 MJ/m3，低熱值Ht為8.577 MJ/m3，熱值不高。大管徑、中距離輸送并不是很經濟。

只有對CRG氣體輸送前進行處理以降低其有害性，及輸送管網方案規劃設計的優化，才能通過管廊輸送，使其被充分利用。

2 CRG氣體輸送前的處理

2.1 CRG氣體的脫水

由于 CRG氣體在管廊中是以直埋管道的方式輸送的，管頂埋深為 1.2 m，埋管的環境溫度取1.6~2.0 m深的土壤溫度，為保守起見取1.6 m深的土壤溫度。詳見表3上海市氣象局提供的資料。

表3 上海土壤1.6 m深度平均溫度(選有代表性的年月)單位；℃

地面土壤下1.6 m深處，每年的2、3月溫度最低，8、9月溫度最高，故其余月份溫度不列入此表。

土壤中任意深度平均溫度式中也可以通過資料中的地面溫度作為邊界條件，按傳熱學中的半無限大物體周期性作用下溫度波計算公式確定：

式中：Ax—土壤中任意深度的溫度波振幅，℃；

Aw—地面溫度波振幅，℃；

a—土壤導熱系數，m2/s；

z—溫度年波動周期z=365×24=8 760，h；

x—離地面深度，m。

CRG氣體經系統除塵后，含水量以35 ℃為露點溫度考慮。埋地燃氣管道10~25 ℃的環境溫度，總是低于 CRG氣體的露點溫度，管道中會有大量的凝析水產生。輸送前，對 CRG氣體進行降溫脫水，盡量減少其含水量。當脫水減少約 70%的含水量，絕對含濕量達到10 g/m3，露點為9 ℃，按最大21.5萬m3/h流量計算時，冷卻脫水所需冷量約2.3萬MJ/h，但無法脫除全部的含水。9℃水露點溫度與1957年3月份土壤下1.6 m深處10.4℃環境溫度的差值為 1.4℃，達不到環境溫度高于水露點溫度5℃的要求，因此CRG氣體需要繼續深冷脫水至露點溫度為 5.4℃，才不會產生凝析水。但這是每年1~4月份才出現的情況，每年的5~12月份土壤下1.6 m深處溫度為14.5~24.3 ℃，可以滿足環境溫度高于 9 ℃的露點溫度 5 ℃的要求。若將管道輸送流量高峰，安排在每年的 5~12月份，則管道中排水器雖然仍舊需要，但由于排水量減少，排水器的總數可大為減少。

2.2 CO的轉化

降低CO濃度的方法有吸收法、合成法和轉化法，通常用轉化法。反應方程式：

由于是放熱反應，故前階段可在較高溫度中進行，而后階段必須在較低溫度中進行。催化劑可選擇鈷鉬系，因為鐵鉻系會被H2S中毒。但是由于轉化反應中通入H2O(過量蒸汽，惰性)，生成CO2(惰性)，轉化反應之后，CRG氣體的熱值降低了(需要通過變壓吸附工藝脫除 CO2而增熱)，同時增加脫水的工作負荷。

2.3 關于CO2和H2S的處理

使用變壓吸附氣體分離技術及裝置。變壓吸附氣體分離技術可以解決化工、石化、冶金、煉油等行業中大量含有CO2、CO、氮氧化合物、硫化物、磷化物、有機物等有害廢氣排放的難題。香港中華燃氣公司使用變壓吸附的方法從垃圾沼氣中脫除CO2濃縮CH4，使得城市生活垃圾變成了城市燃氣。

2.4 生產代用天然氣

前文敘及，寶鋼能源通廊中有氫氣，就地取材通入氫氣，在催化劑的作用下反應：

該工藝可以同時解決CRG氣體中CO和CO2成分過高問題，降低了毒性和腐蝕性，提高了熱值，但也增加了脫水的工作負荷。

關于CRG氣體的含濕量在9 ℃的露點溫度下繼續冷卻除濕，CO2和H2S的處理，CO的轉化，及生產代用天然氣。這些措施雖能提高CRG氣體品質，確保其輸送、應用的安全、經濟、方便，但寶鋼集團受目前生產條件的限制，或經濟效益的影響，難以提供上述工藝。因此寶鋼選擇的方案是：CRG氣體經過脫濕處理后(露點溫度9 ℃)，直接通過管廊中的管道輸送，介質成分按表1確定。

3 輸送方案

3.1 CRG氣體輸送量

羅涇一期工程 CCPP檢修時可送寶鋼股份的CRG氣體總量在24.5萬m3/h(包括設計留有15%的富裕能力來解決產量波動的影響問題)。

脫水設施需要建在浦鋼羅涇廠內，這是因為CRG氣體需要在進入埋地管道前將它的含水量盡量地降低，以使地下管道的排水量盡可能減少。

3.2 管廊路由

從羅涇到寶鋼股份在地理位置上比較近，直線距離最近處只有3.5 km。但為安全起見，應盡量繞開人口稠密地區和交通干道。

沿線以穿越農田為主，管線埋地，過小型河流以圍堰直埋方式穿越，過中、大型河流以頂套管方式穿越。局部穿越市政道路、鄉辦廠區外圍，其與建、構筑物及其它管線的間距，按次高壓(0.8 MPa)城市燃氣的規范標準控制。

管線總長為4.6 km，其中市政道路段為2.4 km。為確保運行安全，擬在市政道路段管線的兩端設置截斷球閥。并建造閥室，設置放散管，球閥的上下游并聯旁通管。對截斷球閥要求，開、關迅速、徹底，內、外密封性能好，針對工作介質有很好的耐腐蝕性。

3.3 CRG氣體管道水力計算

CRG氣體管道末端壓力，即下游調壓器的進口壓力為15 kPa，以此為前提，計算管徑、管道始端壓力、管道根數，進而確定管網輸送方案。各方案水力計算見表4。

表4 各方案水力計算

3.4 CRG氣體管網方案的選擇

從表4各方案水力計算分析：

方案1：單管，管徑為DN1 500，始端壓力p1表壓為140 kPa，末端壓力p2表壓為26 kPa。始、末端壓力同屬中壓B，對始端壓力要求低，減少了動力設備的投資、運行費用。管道單一，便于路由選擇。但管徑大，管道投資大，特別是截斷球閥投資很大。在運行管理中，尤其是在維護、搶修中，安全性差，成本高。不是理想方案。

方案2：單管，管徑為DN1 000，始端壓力較高，p1表壓為506 kPa，屬次高壓B，增加了動力設備的投資、運行費用，壓力高會加劇H2S的應力腐蝕，故應予否定。

方案3：雙管，管徑均為DN900，始端壓力p1表壓為310 kPa，末端壓力p2表壓為22 kPa。始端壓力屬中壓A，末端壓力屬中壓B，由輸送量的變化所引起的下游調壓器進口壓力波動不太大，對始端壓力要求不高，動力設備的投資和運行管理費用不是很大。優點是在運行管理中，雙路之間，便于調度，在維護、搶修中，可以單路停氣，提高了可靠性。缺點是管道二路，不便于路由選擇。管徑較小，截斷球閥口徑較小，但管道總長加倍，截斷球閥等設備數量加倍，投資較大，需要進一步優化。

方案4：雙管，管徑分別為DN800、DN900，始端壓力p1表壓均為370 kPa，末端壓力p2表壓均為31 kPa。除具有方案3的全部優點外，更有經濟性，可作為推薦方案。

3.5 CRG氣體管道工程的特別措施

3.5.1 排水設施

由于CRG氣體脫水冷卻處理后露點溫度9 ℃，含濕量約10 g/m3，按最大流量24.5萬m3/h計算，總含水量為2 450 kg/h，露點溫度和地下1.6 m深處土壤歷年最低溫度差值小于5℃，必需設置集水器。由于集水器自身具有較易產生CRG氣體泄漏的安全隱患，故應嚴格控制其數量，同時為減少工程土方量，集水器兩側的管段向下坡度為：順氣流方向為0.1%，逆氣流方向為0.2%。附近必須設置CO探測器，防止泄漏。運行時，使用專用的車載抽水機(農田處則使用專用的便攜式抽水機)，以達到防火、防爆、防中毒的安全要求。集水器的型號以0.4 MPa煤氣管鋼制集水器為基礎，進行改造，使抽水桿下端吸水口與燃氣管內CRG氣體有水封相隔，以減少抽水時CRG氣體的泄漏。

3.5.2 安全保護措施

(1)警示措施。管道上方400 mm處設置警示帶，警示帶上印有警示字樣和符號(并能指示管道方位)，能耐土壤環境腐蝕。DN1 000~DN1 500管道上方敷設四條，DN800~DN900管道上方敷設三條。

(2)防護措施。警示帶下方100 mm處安放鋼筋混凝土蓋板，寬度超出管道兩側各200 mm。

(3)監視措施。隨警示帶敷設被包覆的金屬導線，一旦地處野外的金屬導線被破壞，其斷路或短路信號便能顯示在調度控制室內，能及時判斷其方位，以利快速反應。

3.6 管材

3.6.1 規格

管徑×壁厚：D824×12、D924×12、D1 028×14、D1 532×16。

3.6.2 材質

選用X46型壓力管線鋼材，優先使用寶鋼產品。

3.6.3 防腐架空管外壁：環氧富鋅漆二度，氯化橡膠漆二度。D824×12、D924×12埋地鋼管外壁：加強級三層結構聚乙烯(擠出覆工藝)。

D1 028×14、D1 532×16埋地鋼管外壁：加強級三層結構聚乙烯(纏繞包覆工藝)。

鋼管內壁：液態環氧噴涂，以防止因二氧化碳溶解于水形成碳酸所產生的酸性腐蝕，以及硫化氫作用所產生的應力腐蝕。

陰極保護：使用犧牲陽極裝置4組/km。

3.7 CRG氣體加臭

根據上文對CRG氣體性質的分析，按其引發的危害頻率來判斷，中毒為其第一危害，燃燒為其第二危害，爆炸為其第三危害，故以中毒為控制要素。

表5 空氣中CO對人體的危害

因此，空氣中CO濃度達到0.02%時為警覺點，空氣中CRG濃度達到0.044%,CRG中的加臭劑應能為人所嗅覺。

由于四氫噻吩(THT)具有性質穩定，其燃燒產物無毒、無害等特點，是理想的加臭劑。THT的嗅覺濃度為 0.08 mg/(m3空氣)，CRG中加臭濃度：0.08/(0.044%)=181.8 mg/(m3CRG)，因CRG在城市市政范圍內管道輸送2.4 km，不是供城鎮居民使用，故加臭劑量無需放大安全倍數(城市煤氣管網中按2.5倍放量)，取200 mg/(m3CRG)即可。

4 結語

能源的有效利用和環境的清潔保持是我們當代發展的重要制約因素，這也是本文研究的出發點。但是安全可靠和經濟效益同樣是我們從事工程研究、設計人員必須重視的兩個方面。根據工程所處的地理環境和我們目前可使用的科學手段，很難同時滿足這些要求。因此筆者希望，能有更多的科技人員參與類似課題的研究，將能源的綜合利用領域拓展至更廣的范圍，打開能源工程建設的這一死結。