宝钢集团CRG气体管道输送方案探讨

上海燃气工程设计研究有限公司 沈良

0 前言

原上钢三厂为世博会建设而被动迁至宝钢，成立浦钢公司，并入宝钢集团，借新址建厂之机，引进 COREX设备生产精品钢，其产生的副产品是CRG气体，具有低热值，除供浦钢生产外，可输送至宝钢作为CCPP发电机组能源，其输送流量很大，一般情况下，为10.6万m3/h，浦钢其他炼钢设备检修期间，为24.5万m3/h。因此如果加以合理利用，能实现很高的经济效益、节能效益、环境效益。但CRG相对含水量大，露点温度为35 ℃；含有CO气体45.23%，具有对人体很强的毒性；CO2气体含量为33.17%，易与水结合生成碳酸中对钢管内壁有较强的腐蚀性；H2S气体含量152 mg/m3，既对人体有较强的毒性，又在潮湿的环境中对钢管内壁有较强的腐蚀性。因此实现 CRG气体安全输送的可行性便被提出，作为调查研究的课题。

1 宝钢CRG气体成分及性质

CRG气体是炼钢反应时产生的气体，其成分及性质见表1、表2：

表1 宝钢CRG气体性质(1)

表2 宝钢CRG气体性质(2)

从表1、表2中得出如下结论：

(1)CRG气体中因含有大量的CO气体，使其具有很强的毒性。CRG气体中 CO平均体积成分为45.23%，远大于城市燃气对 CO体积成分控制在10%~20%的限制因此，在输配中一旦泄漏，极易发生中毒危险，一般来说不应穿越城市输送。

(2)CRG气体中H2S体积成分为100×10-6，即质量含量为154 mg/m3，远大于城市燃气中H2S质量含量≤20 mg/m3的限制。H2S对眼粘膜和呼吸道有损坏作用，其燃烧产物SO2短时间呼吸，生命就有危险。H2S又是一种活性腐蚀剂，其与氧、水共同作用，对金属管道内壁、燃具内部产生强烈腐蚀(其程度与H2S含量及CRG压力成正比)，同时其燃烧产物SO2对炉膛、烟道产生强烈腐蚀。

(3)CRG气体中CO2平均体积成分为33.17%，作为惰性气体，降低了燃气的热值，也降低了燃烧的热效率(即排气废热增加)。CO2与水共同作用，对金属管道内壁、燃具内部产生腐蚀。

(4)CRG气体的平均密度ρ为1.277 1 kg/m3，接近空气密度1.293 kg/m3，一旦泄漏，在空气中积聚，不易散发(相对于密度为0.80 kg/m3左右的人工燃气和天然气而言)。增加了发生中毒、燃烧、爆炸的危险性。

(5)CRG气体的平均爆炸下极限Ll为14.79%，平均爆炸上极限Lh为65.83%，爆炸区域很宽，爆炸的危险性较大。

(6)CRG气体的高热值Hs为8.643 MJ/m3，低热值Ht为8.577 MJ/m3，热值不高。大管径、中距离输送并不是很经济。

只有对CRG气体输送前进行处理以降低其有害性，及输送管网方案规划设计的优化，才能通过管廊输送，使其被充分利用。

2 CRG气体输送前的处理

2.1 CRG气体的脱水

由于 CRG气体在管廊中是以直埋管道的方式输送的，管顶埋深为 1.2 m，埋管的环境温度取1.6~2.0 m深的土壤温度，为保守起见取1.6 m深的土壤温度。详见表3上海市气象局提供的资料。

表3 上海土壤1.6 m深度平均温度(选有代表性的年月)单位；℃

地面土壤下1.6 m深处，每年的2、3月温度最低，8、9月温度最高，故其余月份温度不列入此表。

土壤中任意深度平均温度式中也可以通过资料中的地面温度作为边界条件，按传热学中的半无限大物体周期性作用下温度波计算公式确定：

式中：Ax—土壤中任意深度的温度波振幅，℃；

Aw—地面温度波振幅，℃；

a—土壤导热系数，m2/s；

z—温度年波动周期z=365×24=8 760，h；

x—离地面深度，m。

CRG气体经系统除尘后，含水量以35 ℃为露点温度考虑。埋地燃气管道10~25 ℃的环境温度，总是低于 CRG气体的露点温度，管道中会有大量的凝析水产生。输送前，对 CRG气体进行降温脱水，尽量减少其含水量。当脱水减少约 70%的含水量，绝对含湿量达到10 g/m3，露点为9 ℃，按最大21.5万m3/h流量计算时，冷却脱水所需冷量约2.3万MJ/h，但无法脱除全部的含水。9℃水露点温度与1957年3月份土壤下1.6 m深处10.4℃环境温度的差值为 1.4℃，达不到环境温度高于水露点温度5℃的要求，因此CRG气体需要继续深冷脱水至露点温度为 5.4℃，才不会产生凝析水。但这是每年1~4月份才出现的情况，每年的5~12月份土壤下1.6 m深处温度为14.5~24.3 ℃，可以满足环境温度高于 9 ℃的露点温度 5 ℃的要求。若将管道输送流量高峰，安排在每年的 5~12月份，则管道中排水器虽然仍旧需要，但由于排水量减少，排水器的总数可大为减少。

2.2 CO的转化

降低CO浓度的方法有吸收法、合成法和转化法，通常用转化法。反应方程式：

由于是放热反应，故前阶段可在较高温度中进行，而后阶段必须在较低温度中进行。催化剂可选择钴钼系，因为铁铬系会被H2S中毒。但是由于转化反应中通入H2O(过量蒸汽，惰性)，生成CO2(惰性)，转化反应之后，CRG气体的热值降低了(需要通过变压吸附工艺脱除 CO2而增热)，同时增加脱水的工作负荷。

2.3 关于CO2和H2S的处理

使用变压吸附气体分离技术及装置。变压吸附气体分离技术可以解决化工、石化、冶金、炼油等行业中大量含有CO2、CO、氮氧化合物、硫化物、磷化物、有机物等有害废气排放的难题。香港中华燃气公司使用变压吸附的方法从垃圾沼气中脱除CO2浓缩CH4，使得城市生活垃圾变成了城市燃气。

2.4 生产代用天然气

前文叙及，宝钢能源通廊中有氢气，就地取材通入氢气，在催化剂的作用下反应：

该工艺可以同时解决CRG气体中CO和CO2成分过高问题，降低了毒性和腐蚀性，提高了热值，但也增加了脱水的工作负荷。

关于CRG气体的含湿量在9 ℃的露点温度下继续冷却除湿，CO2和H2S的处理，CO的转化，及生产代用天然气。这些措施虽能提高CRG气体品质，确保其输送、应用的安全、经济、方便，但宝钢集团受目前生产条件的限制，或经济效益的影响，难以提供上述工艺。因此宝钢选择的方案是：CRG气体经过脱湿处理后(露点温度9 ℃)，直接通过管廊中的管道输送，介质成分按表1确定。

3 输送方案

3.1 CRG气体输送量

罗泾一期工程 CCPP检修时可送宝钢股份的CRG气体总量在24.5万m3/h(包括设计留有15%的富裕能力来解决产量波动的影响问题)。

脱水设施需要建在浦钢罗泾厂内，这是因为CRG气体需要在进入埋地管道前将它的含水量尽量地降低，以使地下管道的排水量尽可能减少。

3.2 管廊路由

从罗泾到宝钢股份在地理位置上比较近，直线距离最近处只有3.5 km。但为安全起见，应尽量绕开人口稠密地区和交通干道。

沿线以穿越农田为主，管线埋地，过小型河流以围堰直埋方式穿越，过中、大型河流以顶套管方式穿越。局部穿越市政道路、乡办厂区外围，其与建、构筑物及其它管线的间距，按次高压(0.8 MPa)城市燃气的规范标准控制。

管线总长为4.6 km，其中市政道路段为2.4 km。为确保运行安全，拟在市政道路段管线的两端设置截断球阀。并建造阀室，设置放散管，球阀的上下游并联旁通管。对截断球阀要求，开、关迅速、彻底，内、外密封性能好，针对工作介质有很好的耐腐蚀性。

3.3 CRG气体管道水力计算

CRG气体管道末端压力，即下游调压器的进口压力为15 kPa，以此为前提，计算管径、管道始端压力、管道根数，进而确定管网输送方案。各方案水力计算见表4。

表4 各方案水力计算

3.4 CRG气体管网方案的选择

从表4各方案水力计算分析：

方案1：单管，管径为DN1 500，始端压力p1表压为140 kPa，末端压力p2表压为26 kPa。始、末端压力同属中压B，对始端压力要求低，减少了动力设备的投资、运行费用。管道单一，便于路由选择。但管径大，管道投资大，特别是截断球阀投资很大。在运行管理中，尤其是在维护、抢修中，安全性差，成本高。不是理想方案。

方案2：单管，管径为DN1 000，始端压力较高，p1表压为506 kPa，属次高压B，增加了动力设备的投资、运行费用，压力高会加剧H2S的应力腐蚀，故应予否定。

方案3：双管，管径均为DN900，始端压力p1表压为310 kPa，末端压力p2表压为22 kPa。始端压力属中压A，末端压力属中压B，由输送量的变化所引起的下游调压器进口压力波动不太大，对始端压力要求不高，动力设备的投资和运行管理费用不是很大。优点是在运行管理中，双路之间，便于调度，在维护、抢修中，可以单路停气，提高了可靠性。缺点是管道二路，不便于路由选择。管径较小，截断球阀口径较小，但管道总长加倍，截断球阀等设备数量加倍，投资较大，需要进一步优化。

方案4：双管，管径分别为DN800、DN900，始端压力p1表压均为370 kPa，末端压力p2表压均为31 kPa。除具有方案3的全部优点外，更有经济性，可作为推荐方案。

3.5 CRG气体管道工程的特别措施

3.5.1 排水设施

由于CRG气体脱水冷却处理后露点温度9 ℃，含湿量约10 g/m3，按最大流量24.5万m3/h计算，总含水量为2 450 kg/h，露点温度和地下1.6 m深处土壤历年最低温度差值小于5℃，必需设置集水器。由于集水器自身具有较易产生CRG气体泄漏的安全隐患，故应严格控制其数量，同时为减少工程土方量，集水器两侧的管段向下坡度为：顺气流方向为0.1%，逆气流方向为0.2%。附近必须设置CO探测器，防止泄漏。运行时，使用专用的车载抽水机(农田处则使用专用的便携式抽水机)，以达到防火、防爆、防中毒的安全要求。集水器的型号以0.4 MPa煤气管钢制集水器为基础，进行改造，使抽水杆下端吸水口与燃气管内CRG气体有水封相隔，以减少抽水时CRG气体的泄漏。

3.5.2 安全保护措施

(1)警示措施。管道上方400 mm处设置警示带，警示带上印有警示字样和符号(并能指示管道方位)，能耐土壤环境腐蚀。DN1 000~DN1 500管道上方敷设四条，DN800~DN900管道上方敷设三条。

(2)防护措施。警示带下方100 mm处安放钢筋混凝土盖板，宽度超出管道两侧各200 mm。

(3)监视措施。随警示带敷设被包覆的金属导线，一旦地处野外的金属导线被破坏，其断路或短路信号便能显示在调度控制室内，能及时判断其方位，以利快速反应。

3.6 管材

3.6.1 规格

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

3.6.2 材质

选用X46型压力管线钢材，优先使用宝钢产品。

3.6.3 防腐架空管外壁：环氧富锌漆二度，氯化橡胶漆二度。D824×12、D924×12埋地钢管外壁：加强级三层结构聚乙烯(挤出覆工艺)。

D1 028×14、D1 532×16埋地钢管外壁：加强级三层结构聚乙烯(缠绕包覆工艺)。

钢管内壁：液态环氧喷涂，以防止因二氧化碳溶解于水形成碳酸所产生的酸性腐蚀，以及硫化氢作用所产生的应力腐蚀。

阴极保护：使用牺牲阳极装置4组/km。

3.7 CRG气体加臭

根据上文对CRG气体性质的分析，按其引发的危害频率来判断，中毒为其第一危害，燃烧为其第二危害，爆炸为其第三危害，故以中毒为控制要素。

表5 空气中CO对人体的危害

因此，空气中CO浓度达到0.02%时为警觉点，空气中CRG浓度达到0.044%,CRG中的加臭剂应能为人所嗅觉。

由于四氢噻吩(THT)具有性质稳定，其燃烧产物无毒、无害等特点，是理想的加臭剂。THT的嗅觉浓度为 0.08 mg/(m3空气)，CRG中加臭浓度：0.08/(0.044%)=181.8 mg/(m3CRG)，因CRG在城市市政范围内管道输送2.4 km，不是供城镇居民使用，故加臭剂量无需放大安全倍数(城市煤气管网中按2.5倍放量)，取200 mg/(m3CRG)即可。

4 结语

能源的有效利用和环境的清洁保持是我们当代发展的重要制约因素，这也是本文研究的出发点。但是安全可靠和经济效益同样是我们从事工程研究、设计人员必须重视的两个方面。根据工程所处的地理环境和我们目前可使用的科学手段，很难同时满足这些要求。因此笔者希望，能有更多的科技人员参与类似课题的研究，将能源的综合利用领域拓展至更广的范围，打开能源工程建设的这一死结。