高爐煤氣管道防腐緩蝕新工藝的應用

李海軍

（江蘇申特鋼鐵有限公司，江蘇常州 213000）

引言

高爐干法布袋除塵工藝的不足之處主要體現在不能有效去除高爐煤氣中所含酸性氣體，導致后續煤氣管道及附屬設備腐蝕失效，形成煤氣泄漏隱患。尤其是高爐為降低焦比而加大噴煤量，使得高爐冶煉過程中產生含S 元素的酸性氣體；所用燒結礦為提高其轉鼓強度而添加大量含氯助劑（如CaCl2），使高爐冶煉過程中又產生含Cl 元素的酸性氣體。這些酸性氣體無法通過干法布袋除塵工藝脫除，隨高爐煤氣進入煤氣管網，不斷溶解于煤氣因降溫而析出的冷凝水中，從而形成pH 值很低的酸性溶液腐蝕煤氣管道。

江蘇申特鋼鐵有限公司（以下簡稱“申特鋼鐵”）有2座450 m3高爐和1座1250 m3高爐，煤氣基本流程：重力除塵→干法布袋除塵→TRT（溫度90 ℃、壓力15 kPa）→凈煤氣管道。高爐煤氣管網使用年數已久，煤氣管道腐蝕速率約在2～3 mm/a，泄漏點不斷增加，給煤氣系統的安全穩定運行帶來了極大威脅，因此如何有效進行煤氣管道防腐緩蝕是亟需解決的課題。

1 高爐煤氣管道及附屬設備腐蝕現狀

1.1 高爐煤氣管道腐蝕情況

為準確掌握高爐煤氣管道腐蝕情況，分別對DN2400 高爐煤氣總管（設計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行6 年）、DN2000 軋鋼高爐煤氣總管（設計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行6年）以及DN1600燃氣發電高爐煤氣總管（設計壁厚10 mm、管道底部包焊鋼板厚度6 mm、運行4年）進行實測，見表1；據此計算得出管道年平均腐蝕速率見表2。

由表1 可以看出，各區域高爐煤氣管道壁厚均有很大程度的減薄，尤其是底部減薄相當嚴重，最薄處厚度僅為2.32 mm，并且是在底部包覆過6 mm鋼板的情況下，已嚴重影響煤氣系統安全運行。

表1 高爐煤氣管道管壁厚度實測值 mm

表2 高爐煤氣管道平均腐蝕速率 mm/a

由表2可以看出，3根高爐煤氣總管的下部腐蝕速率遠大于管道上部腐蝕速率：3 根總管的上部管道腐蝕速率為1.02 mm/a，下部管道腐蝕速率達到2.54 mm/a。按此下去，管道底部必須在一年內再次進行鋼板包覆處理，否則會因管道太薄而無法作業。

1.2 不銹鋼膨脹節腐蝕情況

高爐煤氣管道、眼鏡閥附屬的不銹鋼膨脹節出現大面積的點狀腐蝕，表面有黃色的物質析出[1]。當煤氣管道伸縮量比較大時，在不銹鋼膨脹節點狀腐蝕嚴重的波峰波谷部位甚至出現拉裂現象，形成線性裂口，造成煤氣泄漏。

2 腐蝕機理分析

高爐煤氣在管道中輸送時，當煤氣溫度下降至露點溫度以下時，會析出冷凝水并沉積于煤氣管道底部，冷凝水通過水封式煤氣排水器溢流外排。水質取樣化驗統計見表3。

表3 高爐煤氣冷凝水水質化驗結果

由表3 看出：高爐煤氣冷凝水中含有大量Cl-，并且平均pH 值小于4，呈較強酸性。隨著pH 值的減小，Fe2+濃度不斷增加；當pH 值大于5.42 時，總Fe2+濃度明顯下降。Fe2+濃度反映管道腐蝕程度，即PH 值越低酸性腐蝕越強，管道腐蝕越厲害；同時Cl-也會對金屬管道、閥門以及不銹鋼材質產生電化學腐蝕[2]。其化學反應過程如下：

高爐煤氣中強酸性物質（S、Cl）來源于以下幾方面：

（1）高爐冶煉過程中為降本增效、降低綜合焦比，要求最大限度的使用煙煤或無煙煤。煙煤中的硫元素經爐內反應生成含硫的酸性氣體存在于高爐煤氣中。

（2）高爐使用進口礦石，在選礦和運輸時使用海水噴灑，導致煉鐵原料中含有大量的Cl元素[3]。

（3）高爐使用的燒結礦為提高其轉鼓強度，添加了大量的含氯助劑（CaCl2）。

這些強酸性物質混合在高爐煤氣中，溶解于煤氣冷凝水后形成強酸溶液，在酸性腐蝕、氯離子“破鈍劑”點蝕及高鹽水電化學腐蝕下，使管道出現大面積均勻腐蝕、焊縫腐蝕、穿孔腐蝕以及不銹鋼膨脹節腐蝕。

3 常規煤氣管道防腐措施

目前各大鋼廠對煤氣管道采取的防腐措施和相應不足主要有：

（1）提高腐蝕阻力：改進波紋管材質，由316L升級為254SMo、825等；煤氣管道及設備材質改為耐腐蝕合金鋼；管道及設備內防腐，隔離內壁與腐蝕成分。

該類措施成本過高，通常只適用于新建煤氣管道的控制防腐，對于正在運行的老煤氣系統實施難度較大。

（2）減少酸性物質含量：選用酸性成分含量少的鐵礦石、煤粉等原料；燒結使用低氯助劑、減少或停用脫硫廢水；加堿水洗除酸，降低煤氣中氯、硫含量。

該類措施對原料、生產工藝條件的要求比較苛刻，很難實現。“加堿水洗除酸”工藝即在TRT 后加噴堿塔裝置，此工藝雖然可以將煤氣管網中冷凝水的pH 值提高至6～7、脫除部分氯離子緩解煤氣管道腐蝕，但是其脫氯效果不理想。首鋼研究院研究數據顯示“加堿水洗除酸”工藝最高脫氯率僅70%，最低脫氯率不足10%，煤氣管道腐蝕問題依然存在[4]。此外煤氣噴堿塔占地面積大、投資高、運行費用大，產生的廢水量大且廢水處理難度大。

（3）阻止液體腐蝕環境形成：減少爐頂打水降溫，減少冷凝水；直接將高溫煤氣送入管網，煤氣管道保溫，阻止冷凝水析出。

該類措施對生產工藝條件的要求比較苛刻，很難實現。

4 煤氣管道防腐緩蝕新工藝應用

為解決高爐煤氣管網普遍存在的腐蝕及積鹽、沉積問題，同時兼顧到設備占用場地問題，因此嘗試采取投加煤氣管道高效保護劑（FGCI-8298），以達到有效減緩煤氣管網腐蝕、滿足現場安全穩定運行要求的目的。

圖1 煤氣管道高效保護劑使用工藝流程示意圖

4.1 緩釋機理

緩蝕劑按保護膜的類型可分為沉淀膜和吸附膜；沉淀膜是緩蝕劑與金屬表面反應生成氧化膜或與介質中的離子反應生成附著管壁的物質,使金屬的腐蝕減慢；吸附膜是緩蝕劑本身與金屬表面具有吸附功能，在金屬表面生成一種隔離膜，從而使金屬的腐蝕速度減慢。FGCI-8298 包括劑A 和劑B，二者混合時兼具沉淀膜和吸附膜的作用。

FGCI-8298 劑A：淡黃色至棕黑色液體、pH 值≥7.0、20 ℃時密度ρ≥0.900 t/m3，主要用于調節煤氣管道內冷凝混合酸液pH 值至6～7，緩解酸性腐蝕。

FGCI-8298 劑B：淡黃色至棕黑色液體、pH 值≤9.0、20 ℃時密度ρ≥0.900 t/m3，是一種具有吸附功能的緩蝕劑。

4.2 高效保護劑使用工藝

高效保護劑由裝藥桶底部經“過濾排污裝置”凈化，通過阻垢泵（一用一備、可調節輸出流量）加壓至0.4～0.5 MPa，經過安裝在煤氣管道中心位置的不銹鋼噴槍霧化、順氣流噴出，充分與高爐煤氣接觸。

脈沖阻尼器安裝在阻垢泵出口，從阻垢泵出來的脈動流體進入阻尼器后，由于氣體具有可壓縮性，脈沖瞬時吸收，系統可獲得穩定的液流和壓力,減緩管路振動，降低噪聲，提高管路的安全性。該系統不采用計算機自動控制，加藥量根據管道的最大煤氣流量計算。工藝流程如圖1所示。

工藝特點：

（1）工藝設備占地面積小，單個加藥點只需要5 m2；

（2）投資小，工期短，設備可以根據需求靈活搬遷再利用；

（3）工藝過程不產生廢水，無廢水處理費用；

（4）藥劑使用可根據煤氣量靈活調節，運行費用低；

（5）設備使用、維護方便，可在線進行噴槍清理、更換。

4.3 使用和效果

為檢測FGCI-8298的效果以及單一加藥點對煤氣管道的有效保護距離，選擇了一段煤氣流量較為穩定且腐蝕較為嚴重的高爐煤氣管道進行掛片失重試驗。

在東區DN2200 高爐煤氣總管9#平臺至軋鋼末端約750 m 煤氣管道段進行試用。在此段管道上的6#、7#、8#、9#、10#排水器處懸掛標準掛片，另外在加藥點前2#排水器處懸掛標準掛片作為對比點。取樣、掛片檢測位置如圖2所示。

圖2 取樣、掛片檢測位置示意圖

試用周期共60 天，煤氣流量200000 m3/h 左右，FGCI-8298劑濃度為500 mg/L、加藥量7 L/h。得出各檢測點平均pH 值、Cl-濃度和掛片的腐蝕速率及緩蝕率，腐蝕速率及緩蝕率的計算參照《GBT18175-2014 水處理劑緩蝕性能的測定-旋轉試片法》標準進行，結果如表4所示。

表4 各檢測點平均pH值、Cl-濃度、掛片腐蝕速率及緩蝕率計算結果

由表4 看出，高效保護劑的使用對煤氣管道起到了較好的防護作用。結合表3 和表4 知加藥點后CL-濃度均有大幅下降，平均脫氯率達到了71.42%。對沿線各排水器取冷凝水化驗，平均pH 值全部大于6.0，有效降低了冷凝水對煤氣管道的酸性腐蝕，平均緩蝕率達到了77.55%，達到了預期效果。從表4 以及圖2 可知，高效保護劑的有效傳輸距離大于750 m。

在試用成功的基礎上，以高效保護劑的有效傳輸距離750 m 為依據，申特鋼鐵在全廠范圍內設置了4 個加藥點，全面保護高爐煤氣管網。使用煤氣管道高效保護劑后，波紋膨脹節沒有再次出現穿孔腐蝕現象，煤氣管道的焊縫腐蝕漏水漏氣現象明顯減少。該工藝技術的使用，不僅為煤氣系統的安全運行提供了保證，同時大大降低了煤氣管道及附屬設施的維護費用。

5 小結

高爐煤氣冷凝水的酸性腐蝕、氯離子點蝕以及高鹽水電化學腐蝕是造成煤氣管道腐蝕的主要原因，向煤氣管道噴加FGCI-82 緩蝕劑可以提高煤氣冷凝水的pH 值，在煤氣管道表面產生吸附隔離膜，從而減慢金屬的腐蝕速度。本工藝方案較常規防腐方案具有占地小、成本低等優勢，在申特鋼鐵得到全面應用，有效延長了煤氣管道使用壽命，安全、環保效益顯著。