高炉煤气管道防腐缓蚀新工艺的应用

李海军

（江苏申特钢铁有限公司，江苏常州 213000）

引言

高炉干法布袋除尘工艺的不足之处主要体现在不能有效去除高炉煤气中所含酸性气体，导致后续煤气管道及附属设备腐蚀失效，形成煤气泄漏隐患。尤其是高炉为降低焦比而加大喷煤量，使得高炉冶炼过程中产生含S 元素的酸性气体；所用烧结矿为提高其转鼓强度而添加大量含氯助剂（如CaCl2），使高炉冶炼过程中又产生含Cl 元素的酸性气体。这些酸性气体无法通过干法布袋除尘工艺脱除，随高炉煤气进入煤气管网，不断溶解于煤气因降温而析出的冷凝水中，从而形成pH 值很低的酸性溶液腐蚀煤气管道。

江苏申特钢铁有限公司（以下简称“申特钢铁”）有2座450 m3高炉和1座1250 m3高炉，煤气基本流程：重力除尘→干法布袋除尘→TRT（温度90 ℃、压力15 kPa）→净煤气管道。高炉煤气管网使用年数已久，煤气管道腐蚀速率约在2～3 mm/a，泄漏点不断增加，给煤气系统的安全稳定运行带来了极大威胁，因此如何有效进行煤气管道防腐缓蚀是亟需解决的课题。

1 高炉煤气管道及附属设备腐蚀现状

1.1 高炉煤气管道腐蚀情况

为准确掌握高炉煤气管道腐蚀情况，分别对DN2400 高炉煤气总管（设计壁厚10 mm、管道底部包焊钢板厚度6 mm、运行6 年）、DN2000 轧钢高炉煤气总管（设计壁厚10 mm、管道底部包焊钢板厚度6 mm、运行6年）以及DN1600燃气发电高炉煤气总管（设计壁厚10 mm、管道底部包焊钢板厚度6 mm、运行4年）进行实测，见表1；据此计算得出管道年平均腐蚀速率见表2。

由表1 可以看出，各区域高炉煤气管道壁厚均有很大程度的减薄，尤其是底部减薄相当严重，最薄处厚度仅为2.32 mm，并且是在底部包覆过6 mm钢板的情况下，已严重影响煤气系统安全运行。

表1 高炉煤气管道管壁厚度实测值 mm

表2 高炉煤气管道平均腐蚀速率 mm/a

由表2可以看出，3根高炉煤气总管的下部腐蚀速率远大于管道上部腐蚀速率：3 根总管的上部管道腐蚀速率为1.02 mm/a，下部管道腐蚀速率达到2.54 mm/a。按此下去，管道底部必须在一年内再次进行钢板包覆处理，否则会因管道太薄而无法作业。

1.2 不锈钢膨胀节腐蚀情况

高炉煤气管道、眼镜阀附属的不锈钢膨胀节出现大面积的点状腐蚀，表面有黄色的物质析出[1]。当煤气管道伸缩量比较大时，在不锈钢膨胀节点状腐蚀严重的波峰波谷部位甚至出现拉裂现象，形成线性裂口，造成煤气泄漏。

2 腐蚀机理分析

高炉煤气在管道中输送时，当煤气温度下降至露点温度以下时，会析出冷凝水并沉积于煤气管道底部，冷凝水通过水封式煤气排水器溢流外排。水质取样化验统计见表3。

表3 高炉煤气冷凝水水质化验结果

由表3 看出：高炉煤气冷凝水中含有大量Cl-，并且平均pH 值小于4，呈较强酸性。随着pH 值的减小，Fe2+浓度不断增加；当pH 值大于5.42 时，总Fe2+浓度明显下降。Fe2+浓度反映管道腐蚀程度，即PH 值越低酸性腐蚀越强，管道腐蚀越厉害；同时Cl-也会对金属管道、阀门以及不锈钢材质产生电化学腐蚀[2]。其化学反应过程如下：

高炉煤气中强酸性物质（S、Cl）来源于以下几方面：

（1）高炉冶炼过程中为降本增效、降低综合焦比，要求最大限度的使用烟煤或无烟煤。烟煤中的硫元素经炉内反应生成含硫的酸性气体存在于高炉煤气中。

（2）高炉使用进口矿石，在选矿和运输时使用海水喷洒，导致炼铁原料中含有大量的Cl元素[3]。

（3）高炉使用的烧结矿为提高其转鼓强度，添加了大量的含氯助剂（CaCl2）。

这些强酸性物质混合在高炉煤气中，溶解于煤气冷凝水后形成强酸溶液，在酸性腐蚀、氯离子“破钝剂”点蚀及高盐水电化学腐蚀下，使管道出现大面积均匀腐蚀、焊缝腐蚀、穿孔腐蚀以及不锈钢膨胀节腐蚀。

3 常规煤气管道防腐措施

目前各大钢厂对煤气管道采取的防腐措施和相应不足主要有：

（1）提高腐蚀阻力：改进波纹管材质，由316L升级为254SMo、825等；煤气管道及设备材质改为耐腐蚀合金钢；管道及设备内防腐，隔离内壁与腐蚀成分。

该类措施成本过高，通常只适用于新建煤气管道的控制防腐，对于正在运行的老煤气系统实施难度较大。

（2）减少酸性物质含量：选用酸性成分含量少的铁矿石、煤粉等原料；烧结使用低氯助剂、减少或停用脱硫废水；加碱水洗除酸，降低煤气中氯、硫含量。

该类措施对原料、生产工艺条件的要求比较苛刻，很难实现。“加碱水洗除酸”工艺即在TRT 后加喷碱塔装置，此工艺虽然可以将煤气管网中冷凝水的pH 值提高至6～7、脱除部分氯离子缓解煤气管道腐蚀，但是其脱氯效果不理想。首钢研究院研究数据显示“加碱水洗除酸”工艺最高脱氯率仅70%，最低脱氯率不足10%，煤气管道腐蚀问题依然存在[4]。此外煤气喷碱塔占地面积大、投资高、运行费用大，产生的废水量大且废水处理难度大。

（3）阻止液体腐蚀环境形成：减少炉顶打水降温，减少冷凝水；直接将高温煤气送入管网，煤气管道保温，阻止冷凝水析出。

该类措施对生产工艺条件的要求比较苛刻，很难实现。

4 煤气管道防腐缓蚀新工艺应用

为解决高炉煤气管网普遍存在的腐蚀及积盐、沉积问题，同时兼顾到设备占用场地问题，因此尝试采取投加煤气管道高效保护剂（FGCI-8298），以达到有效减缓煤气管网腐蚀、满足现场安全稳定运行要求的目的。

图1 煤气管道高效保护剂使用工艺流程示意图

4.1 缓释机理

缓蚀剂按保护膜的类型可分为沉淀膜和吸附膜；沉淀膜是缓蚀剂与金属表面反应生成氧化膜或与介质中的离子反应生成附着管壁的物质,使金属的腐蚀减慢；吸附膜是缓蚀剂本身与金属表面具有吸附功能，在金属表面生成一种隔离膜，从而使金属的腐蚀速度减慢。FGCI-8298 包括剂A 和剂B，二者混合时兼具沉淀膜和吸附膜的作用。

FGCI-8298 剂A：淡黄色至棕黑色液体、pH 值≥7.0、20 ℃时密度ρ≥0.900 t/m3，主要用于调节煤气管道内冷凝混合酸液pH 值至6～7，缓解酸性腐蚀。

FGCI-8298 剂B：淡黄色至棕黑色液体、pH 值≤9.0、20 ℃时密度ρ≥0.900 t/m3，是一种具有吸附功能的缓蚀剂。

4.2 高效保护剂使用工艺

高效保护剂由装药桶底部经“过滤排污装置”净化，通过阻垢泵（一用一备、可调节输出流量）加压至0.4～0.5 MPa，经过安装在煤气管道中心位置的不锈钢喷枪雾化、顺气流喷出，充分与高炉煤气接触。

脉冲阻尼器安装在阻垢泵出口，从阻垢泵出来的脉动流体进入阻尼器后，由于气体具有可压缩性，脉冲瞬时吸收，系统可获得稳定的液流和压力,减缓管路振动，降低噪声，提高管路的安全性。该系统不采用计算机自动控制，加药量根据管道的最大煤气流量计算。工艺流程如图1所示。

工艺特点：

（1）工艺设备占地面积小，单个加药点只需要5 m2；

（2）投资小，工期短，设备可以根据需求灵活搬迁再利用；

（3）工艺过程不产生废水，无废水处理费用；

（4）药剂使用可根据煤气量灵活调节，运行费用低；

（5）设备使用、维护方便，可在线进行喷枪清理、更换。

4.3 使用和效果

为检测FGCI-8298的效果以及单一加药点对煤气管道的有效保护距离，选择了一段煤气流量较为稳定且腐蚀较为严重的高炉煤气管道进行挂片失重试验。

在东区DN2200 高炉煤气总管9#平台至轧钢末端约750 m 煤气管道段进行试用。在此段管道上的6#、7#、8#、9#、10#排水器处悬挂标准挂片，另外在加药点前2#排水器处悬挂标准挂片作为对比点。取样、挂片检测位置如图2所示。

图2 取样、挂片检测位置示意图

试用周期共60 天，煤气流量200000 m3/h 左右，FGCI-8298剂浓度为500 mg/L、加药量7 L/h。得出各检测点平均pH 值、Cl-浓度和挂片的腐蚀速率及缓蚀率，腐蚀速率及缓蚀率的计算参照《GBT18175-2014 水处理剂缓蚀性能的测定-旋转试片法》标准进行，结果如表4所示。

表4 各检测点平均pH值、Cl-浓度、挂片腐蚀速率及缓蚀率计算结果

由表4 看出，高效保护剂的使用对煤气管道起到了较好的防护作用。结合表3 和表4 知加药点后CL-浓度均有大幅下降，平均脱氯率达到了71.42%。对沿线各排水器取冷凝水化验，平均pH 值全部大于6.0，有效降低了冷凝水对煤气管道的酸性腐蚀，平均缓蚀率达到了77.55%，达到了预期效果。从表4 以及图2 可知，高效保护剂的有效传输距离大于750 m。

在试用成功的基础上，以高效保护剂的有效传输距离750 m 为依据，申特钢铁在全厂范围内设置了4 个加药点，全面保护高炉煤气管网。使用煤气管道高效保护剂后，波纹膨胀节没有再次出现穿孔腐蚀现象，煤气管道的焊缝腐蚀漏水漏气现象明显减少。该工艺技术的使用，不仅为煤气系统的安全运行提供了保证，同时大大降低了煤气管道及附属设施的维护费用。

5 小结

高炉煤气冷凝水的酸性腐蚀、氯离子点蚀以及高盐水电化学腐蚀是造成煤气管道腐蚀的主要原因，向煤气管道喷加FGCI-82 缓蚀剂可以提高煤气冷凝水的pH 值，在煤气管道表面产生吸附隔离膜，从而减慢金属的腐蚀速度。本工艺方案较常规防腐方案具有占地小、成本低等优势，在申特钢铁得到全面应用，有效延长了煤气管道使用寿命，安全、环保效益显著。