烟气置换在煤气储气柜拆除工程中的 技术研究与应用
2015/12/28 13:45:14 点击： 文章来源：www.jshhcc.com
引 言
2011 年 11 月上海煤气第一管线工程有限公司（以下简称公司）承接并实施了上海“十二五”期间首个煤气储气柜拆除项目——杨高路煤气储配站拆除工程。此次拆除的杨高路煤气储配站建于 1980~1995 年间，有公称容积 20 万 m3的螺旋导轨湿式储气柜 4 座，钢水池，塔身为五节。由于天然气在上海的普及，人工煤气正在逐步退出历史舞台，因此人工煤气储气柜及其附属设备都需要依次拆除。杨高路煤气储配站坐落于浦东中心区域，拆除难度及其社会影响都相当大。为确保安全，杜绝燃爆隐患，对气柜内原气体，公司采用烟气置换方式，严格控制气柜内混合气体组分，杜绝爆炸性混合气体形成的可能，实现安全置换与项目拆除的有序推进。目前，利用烟气置换，已顺利完成了柜内原气体的置换任务。由于杨高路 4 座储气柜气体置换方法相同，本文就着重介绍烟气置换在 4 号储气柜气体置换中的应用。
1 置换介质的对比分析
1.1 常用置换方式的介绍
常用的置换方法有两种，一种是采用空气来直接置换气柜内介质，另一种是间接置换，即用惰性气体置换。两种方法各有优缺点。直接置换就是用空气直接置换气柜内的介质，但煤气与空气混合，极易形成易燃易爆的混合气体，遇明火或火花即可爆炸。直接置换危险性大，置换时间长，技术要求很高，一般很少采用。根据 1982 年城乡建设环境保护部颁发的《城市人工煤气安全管理暂行规定》，新建和开顶修理的气柜，宜用惰性气体（如氮气、烟气等）置换柜内的空气或煤气。故本次置换不采纳直接置换的方案。间接置换就是采用惰性气体作为置换介质，置换储气柜中的煤气。由于混合气体中惰性气体含量的增加，会缩小可燃气体的爆炸范围，整个置换过程气柜中不易形成爆炸性的混合气体，是一种较为安全可靠的置换方法而被经常采用。常用作置换介质的惰性气体有氮气、水蒸气、烟气等。
1.2 三种置换介质的比较
1.2.1 氮气置换
气体质量稳定、不燃烧、安全可靠，不会形成爆炸性的混合气体，置换的成功率高，是燃气行业以前普遍采用的、传统的置换方法。但如果大容积置换，将耗用大量氮气，发生费用很高，工作量大，既不经济又费事。杨高路储配站需要置换的是气柜弓顶内约1.4 万 m3的煤气，4 座气柜合计置换量约 5.6万 m3。如采用氮气置换，以被置换体积的 3.2倍计算，需氮气约 18 万 m3。即需要 6 m3规格的充氮钢瓶 3 万多瓶，按氮气价格 3~4 元/m3计算，需要 65 万元左右的氮气购置费，还不包括由此产生的装卸费、运输费、人工费等。全部
考虑的话，需近百万元的置换费用。因此，氮气置换更适宜于管道等小容积的置换。
1.2.2 蒸汽置换
以水蒸气为媒介进行置换。由于蒸汽具有一定温度和压力，不仅能驱排气体，还能使残存柜内的油脂液体排出，置换效果好。不足之处是在气温低的季节，特别是在蒸汽进入气柜
时冷凝速度快，难以彻底置换气柜中的煤气，同时现场要有蒸汽来源，否则水蒸气的产生与传输不太容易实现。故蒸汽置换更适合用于工矿厂区内有蒸汽来源的地方。
2011 年 11 月上海煤气第一管线工程有限公司（以下简称公司）承接并实施了上海“十二五”期间首个煤气储气柜拆除项目——杨高路煤气储配站拆除工程。此次拆除的杨高路煤气储配站建于 1980~1995 年间，有公称容积 20 万 m3的螺旋导轨湿式储气柜 4 座，钢水池，塔身为五节。由于天然气在上海的普及，人工煤气正在逐步退出历史舞台，因此人工煤气储气柜及其附属设备都需要依次拆除。杨高路煤气储配站坐落于浦东中心区域，拆除难度及其社会影响都相当大。为确保安全，杜绝燃爆隐患，对气柜内原气体，公司采用烟气置换方式，严格控制气柜内混合气体组分，杜绝爆炸性混合气体形成的可能，实现安全置换与项目拆除的有序推进。目前，利用烟气置换，已顺利完成了柜内原气体的置换任务。由于杨高路 4 座储气柜气体置换方法相同，本文就着重介绍烟气置换在 4 号储气柜气体置换中的应用。
1 置换介质的对比分析
1.1 常用置换方式的介绍
常用的置换方法有两种，一种是采用空气来直接置换气柜内介质，另一种是间接置换，即用惰性气体置换。两种方法各有优缺点。直接置换就是用空气直接置换气柜内的介质，但煤气与空气混合，极易形成易燃易爆的混合气体，遇明火或火花即可爆炸。直接置换危险性大，置换时间长，技术要求很高，一般很少采用。根据 1982 年城乡建设环境保护部颁发的《城市人工煤气安全管理暂行规定》，新建和开顶修理的气柜，宜用惰性气体（如氮气、烟气等）置换柜内的空气或煤气。故本次置换不采纳直接置换的方案。间接置换就是采用惰性气体作为置换介质，置换储气柜中的煤气。由于混合气体中惰性气体含量的增加，会缩小可燃气体的爆炸范围，整个置换过程气柜中不易形成爆炸性的混合气体，是一种较为安全可靠的置换方法而被经常采用。常用作置换介质的惰性气体有氮气、水蒸气、烟气等。
1.2 三种置换介质的比较
1.2.1 氮气置换
气体质量稳定、不燃烧、安全可靠，不会形成爆炸性的混合气体，置换的成功率高，是燃气行业以前普遍采用的、传统的置换方法。但如果大容积置换，将耗用大量氮气，发生费用很高，工作量大，既不经济又费事。杨高路储配站需要置换的是气柜弓顶内约1.4 万 m3的煤气，4 座气柜合计置换量约 5.6万 m3。如采用氮气置换，以被置换体积的 3.2倍计算，需氮气约 18 万 m3。即需要 6 m3规格的充氮钢瓶 3 万多瓶，按氮气价格 3~4 元/m3计算，需要 65 万元左右的氮气购置费，还不包括由此产生的装卸费、运输费、人工费等。全部
考虑的话，需近百万元的置换费用。因此，氮气置换更适宜于管道等小容积的置换。
1.2.2 蒸汽置换
以水蒸气为媒介进行置换。由于蒸汽具有一定温度和压力，不仅能驱排气体，还能使残存柜内的油脂液体排出，置换效果好。不足之处是在气温低的季节，特别是在蒸汽进入气柜
时冷凝速度快，难以彻底置换气柜中的煤气，同时现场要有蒸汽来源，否则水蒸气的产生与传输不太容易实现。故蒸汽置换更适合用于工矿厂区内有蒸汽来源的地方。
1.2.3 烟气置换
以燃气作为燃烧源，在烟气炉中和空气充分燃烧，经过冷却、水汽分离后所得的混合介质为媒介进行的置换。由于烟气质量好、数量多、运送便捷、费用低，较氮气更有优势，因此在现场有烟气炉和燃烧源的前提下，烟气置换是既经济又安全的置换方法，更适宜大容积设备、且现场具备燃料供应的介质置换。
以燃气作为燃烧源，在烟气炉中和空气充分燃烧，经过冷却、水汽分离后所得的混合介质为媒介进行的置换。由于烟气质量好、数量多、运送便捷、费用低，较氮气更有优势，因此在现场有烟气炉和燃烧源的前提下，烟气置换是既经济又安全的置换方法，更适宜大容积设备、且现场具备燃料供应的介质置换。
1.2.4 汇总
三种置换介质适用性比较见表 1。
1.3 现场置换介质的确定
置换是一项危险的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故，造成严重损失。同时，还应考虑经济性，否则将造成置换工作量大，费用高。鉴于对上述各类置换介质的分析，结合杨高路煤气储气柜的实际情况：① 置换气体的需求量大，② 具备烟气发生器炉，③ 置换场地宽敞，④ 场外有中压气源，⑤ 气柜已停止使用等，因此选用烟气作为置换介质综合评价最为安全、经济、合理。
三种置换介质适用性比较见表 1。
1.3 现场置换介质的确定
置换是一项危险的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故，造成严重损失。同时，还应考虑经济性，否则将造成置换工作量大，费用高。鉴于对上述各类置换介质的分析，结合杨高路煤气储气柜的实际情况：① 置换气体的需求量大，② 具备烟气发生器炉，③ 置换场地宽敞，④ 场外有中压气源，⑤ 气柜已停止使用等，因此选用烟气作为置换介质综合评价最为安全、经济、合理。
2 置换工艺
2.1 被置换介质的成分及总量
置换前，对储气柜中气体成分、含量进行测量、记录。在放散口取样（其中甲烷的组成需通过计算得出），取得的数据将作为原始资料，与置换过程中产生的数据进行比对，便于
掌控置换进度。表 2 列出了置换前气柜内气体组成情况。
2.2 置换介质的总量及费用
2.2.1 需要烟气总量杨高路储配站被置换介质合计总量约 5.6万 m3，所需的置换介质用量一般为被置换介质容积的三倍以上。现以被置换介质体积的3.2倍计算，需烟气总量 V=3.2×5.6=18 万 m3。2.2.2 完全燃烧需要的理论空气量
2.2.1 需要烟气总量杨高路储配站被置换介质合计总量约 5.6万 m3，所需的置换介质用量一般为被置换介质容积的三倍以上。现以被置换介质体积的3.2倍计算，需烟气总量 V=3.2×5.6=18 万 m3。2.2.2 完全燃烧需要的理论空气量
烟气炉中燃烧反应计量方程式：
2CO +O2= 2CO2（+N2）
2H2+O2= 2H2O（+N2）
CH4+2O2= CO2+ 2H2O（+N2）
2CO +O2= 2CO2（+N2）
2H2+O2= 2H2O（+N2）
CH4+2O2= CO2+ 2H2O（+N2）
人 工 煤 气 的 主 要 成 分 就 是 一 氧 化 碳(CO)、氢气和甲烷，在烟气炉中与空气燃烧，生成的烟气是一种混合气体，组成有二氧化碳、二氧化硫、剩余氧气、氮气、水蒸气、
一氧化碳等。如果将空气的成分按体积分数计算，大约是氮气为 78%、氧气为 21%（氮气比氧气约为 4∶1）、稀有气体（混合物）约为 1%。
2.2.3 烟气置换发生的费用
整个完全燃烧过程中，需要大量的空气助燃，1 m3的人工煤气大约需要 4 m3的空气，根据上述成分和化学方程式可得，1 m3人工煤气完全燃烧产生的烟气量=（4.9%+0.3%+15%）+（9.8%+48.8%+21.2%×3）+（3.59-0.717）+（α-1）×3.59 m3/m3=4.656~5.015 m3/m3，即可产出约 5m3的燃烧产物（烟气），数量相当
大，作为置换介质充足。
一氧化碳等。如果将空气的成分按体积分数计算，大约是氮气为 78%、氧气为 21%（氮气比氧气约为 4∶1）、稀有气体（混合物）约为 1%。
从上述化学方程式可以看出，各可燃物与其燃烧产物之间的量值比例关系。人工煤气与空气燃烧，消耗的一氧化碳和空气的体积比约为 2∶5（氧气和空气的体积比约为 1∶5）。同
样，氢气和空气的体积比也约为 2∶5、甲烷和空气的体积比约为 1∶10。根据上述成分和化
学方程式可得，1 m3人工煤气完全燃烧的理论需氧量=（1/2×9.8%+1/2×48.8%+2×21.2%）=0.717 m3/m3，折合空气量 3.59 m3/m3；考虑完全燃烧过剩空气系数 α=1.1~1.2，1 m3人工煤气完全燃烧所需空气量为 3.95~4.31 m3/m3。样，氢气和空气的体积比也约为 2∶5、甲烷和空气的体积比约为 1∶10。根据上述成分和化
2.2.3 烟气置换发生的费用
整个完全燃烧过程中，需要大量的空气助燃，1 m3的人工煤气大约需要 4 m3的空气，根据上述成分和化学方程式可得，1 m3人工煤气完全燃烧产生的烟气量=（4.9%+0.3%+15%）+（9.8%+48.8%+21.2%×3）+（3.59-0.717）+（α-1）×3.59 m3/m3=4.656~5.015 m3/m3，即可产出约 5m3的燃烧产物（烟气），数量相当
大，作为置换介质充足。
杨高路储配站置换介质烟气合计总量约18 万 m3，就需约4万m3的人工煤气参与，人工煤气按 1.25 元/m3计算，置换成本约为 1.25元/m3×4 万 m3=5 万元，远远低于氮气置换所产生的费用，节省了大量的人力、物力及财力。
2.3 烟气炉的选型与配置
2.3.1 烟气炉的配置
场外的中压燃气经过稳压器、过滤器进入烟气炉，为烟气炉提供燃烧气源。燃气在炉中点火与氧气充分燃烧后，经过冷却、水汽分离、产生的烟气取样合格后进入气柜进行置换。采用 2 台烟气炉合并进气，提供充足的燃烧气源。烟气炉构造见图 1。
2.3.2 烟气炉的选型
烟气炉风机的流量约为1100~2 100 m3/h，烟气炉的产出量测得约为 500~700 m3/h，2台烟气炉合并进气。进气管中留有旁通法兰。一台备用烟气炉放置在场，作为备用炉。烟气炉安装就位，烟气炉合并进气前、后情况见图 2。
2.3.1 烟气炉的配置
场外的中压燃气经过稳压器、过滤器进入烟气炉，为烟气炉提供燃烧气源。燃气在炉中点火与氧气充分燃烧后，经过冷却、水汽分离、产生的烟气取样合格后进入气柜进行置换。采用 2 台烟气炉合并进气，提供充足的燃烧气源。烟气炉构造见图 1。
2.3.2 烟气炉的选型
烟气炉风机的流量约为1100~2 100 m3/h，烟气炉的产出量测得约为 500~700 m3/h，2台烟气炉合并进气。进气管中留有旁通法兰。一台备用烟气炉放置在场，作为备用炉。烟气炉安装就位，烟气炉合并进气前、后情况见图 2。
2.4 置换标准
可燃气体与空气在一定浓度范围均匀混合，遇火源会发生爆炸，这个浓度范围称爆炸极限。上海人工煤气的爆炸极限为 5%~75%。只有在这两个浓度之间，才有爆炸的危险。低于爆炸下限，遇到明火，既不会爆炸，也不会燃烧；高于爆炸极限，遇到明火，虽然不会爆炸，但接触空气却能燃烧。
可燃气体与空气在一定浓度范围均匀混合，遇火源会发生爆炸，这个浓度范围称爆炸极限。上海人工煤气的爆炸极限为 5%~75%。只有在这两个浓度之间，才有爆炸的危险。低于爆炸下限，遇到明火，既不会爆炸，也不会燃烧；高于爆炸极限，遇到明火，虽然不会爆炸，但接触空气却能燃烧。
为保证进入气柜中的烟气与煤气混合后不达到爆炸极限，就应控制烟气中氧气的含量。因此，在实际操作中，考虑到气体混合的不均匀和分析的误差，为了确保储气柜置换的安全
性，远离爆炸极限上限（75%），故控制烟气中的 O2≤2%。置换终点以气柜中混合气体CO≤0.5%（采用化学实验）且测爆试验合格为最终目标。
② 烟气炉就位安装于图 3 所示位置处，烟气投气管从气柜侧水封井前面接入，燃气管从场外接入。
③ 正式置换开始，调节进口燃气量与风量，在放散口取样，当出口烟气中 O2含量小于 2% 后，关闭烟气炉放散阀门，同时开启烟气炉与气柜连接阀门，将烟气经管道送入煤气柜进行置换操作。
④ 调节柜顶及阀门处放散阀，使柜内压力保持在 30~50 mmH2O 左右。严禁储气柜产生零压或负压。
⑤ 参与置换的工作人员采取轮班制，4 小时一次，进行不间断巡视，随时掌握烟气炉的燃烧情况和置换进程。一座气柜的整个置换过程持续约 48 小时。
⑥ 在柜顶所有放散口取样和检测，测爆由专职人员进行取样检测和测爆试验，由检测人员制定检测表格记录并分析。化学试验、测爆试验均达到合格后，方可进行气柜顶板的开顶工作。
性，远离爆炸极限上限（75%），故控制烟气中的 O2≤2%。置换终点以气柜中混合气体CO≤0.5%（采用化学实验）且测爆试验合格为最终目标。
2.5 烟气置换流程
① 关闭站内所有阀门，向气柜的水封井内注水隔绝气柜和管道的通路，如遇水封井前
阀门有泄漏现象，则在阀门外侧处加装盲板。① 关闭站内所有阀门，向气柜的水封井内注水隔绝气柜和管道的通路，如遇水封井前
② 烟气炉就位安装于图 3 所示位置处，烟气投气管从气柜侧水封井前面接入，燃气管从场外接入。
③ 正式置换开始，调节进口燃气量与风量，在放散口取样，当出口烟气中 O2含量小于 2% 后，关闭烟气炉放散阀门，同时开启烟气炉与气柜连接阀门，将烟气经管道送入煤气柜进行置换操作。
④ 调节柜顶及阀门处放散阀，使柜内压力保持在 30~50 mmH2O 左右。严禁储气柜产生零压或负压。
⑤ 参与置换的工作人员采取轮班制，4 小时一次，进行不间断巡视，随时掌握烟气炉的燃烧情况和置换进程。一座气柜的整个置换过程持续约 48 小时。
⑥ 在柜顶所有放散口取样和检测，测爆由专职人员进行取样检测和测爆试验，由检测人员制定检测表格记录并分析。化学试验、测爆试验均达到合格后，方可进行气柜顶板的开顶工作。
⑦ 气柜开顶。在气柜顶板边缘处开设8 个方孔，沿四周均布。每个方孔的尺寸3 m×2 m，泄爆面积大于 10%。
⑧ 柜顶开顶过程中，烟气炉继续工作，保持气柜正压。
① 要远离爆炸上限（75%），始终不形成爆炸，烟气中氧的含量必须小于 5%；
② 要满足完全燃烧。在实际条件下，供给燃烧需要的空气往往大于燃烧实际需要的空气量。这样，实际的空气量与燃烧理论需要的空气量的比值即过剩空气系数 α。一般α=1.1~1.2，即增加 10%~20% 的富余空气参加燃烧，以确保完全燃烧。因此，O2含量不能太低，否则燃烧不完全。要能同时满足上述两个条件，将烟气中O2含量控制在 ≤2% 最为合适。
2.6.2 置换终点以气柜内混合气体 CO≤0.5%为最终目标的分析
从表 3 中可以看出，气柜内气体，CO 含量的检测是最为方便、快捷、且可实时监测。CH4和 H2是用燃烧法进行计算，不方便检测；N2空气中都是，无法检测；CO2含量太低，与大气中含量接近；O2会有小部分带入气柜，数据不准确。
⑧ 柜顶开顶过程中，烟气炉继续工作，保持气柜正压。
2.6 分析与控制
2.6.1 烟气中 O2含量 ≤2% 的分析假设，烟气中氧气 O2含量（5%）1：5 空气（25%）人工煤气（75%）烟气中氧气O2含量（2%）1：5 空气（10%）人工煤气（90%）① 要远离爆炸上限（75%），始终不形成爆炸，烟气中氧的含量必须小于 5%；
② 要满足完全燃烧。在实际条件下，供给燃烧需要的空气往往大于燃烧实际需要的空气量。这样，实际的空气量与燃烧理论需要的空气量的比值即过剩空气系数 α。一般α=1.1~1.2，即增加 10%~20% 的富余空气参加燃烧，以确保完全燃烧。因此，O2含量不能太低，否则燃烧不完全。要能同时满足上述两个条件，将烟气中O2含量控制在 ≤2% 最为合适。
2.6.2 置换终点以气柜内混合气体 CO≤0.5%为最终目标的分析
气柜内混合气体置换前后成分分析见表 3。
从表 3 中可以看出，气柜内气体，CO 含量的检测是最为方便、快捷、且可实时监测。CH4和 H2是用燃烧法进行计算，不方便检测；N2空气中都是，无法检测；CO2含量太低，与大气中含量接近；O2会有小部分带入气柜，数据不准确。
气柜开顶前，柜内可燃气体浓度必须要控制在爆炸下限（5%）以下。置换前气柜内 CO 含量 9.8%，浓度稀释 10 倍后，气柜内混合气体CO≤1%，可燃气体浓度约占8%；浓度稀释 20~25 倍后，气柜内混合气体CO≤0.5%，可燃气体浓度约占4%，达到置换终点，且测爆试验合格，具备开顶条件。
2.6.3 开顶前气柜内 CO 含量的控制杨高路 4 号湿式气柜的顶部共有 9 个放散管，其中圆顶中心 1 个，其余 8 个均匀分布在圆顶边缘。放散阀开启度的大小与 CO 测爆值高低相关，放散口的 CO 含量高，说明该处是置换死角，放散阀的开启度就应该大些。对放散管进行取样、检测、分析，对有关数据进行整理，结果汇总于表 4。
从表 4 可看出，放散管取气体试样的CO含量已小于 0.5%，说明气柜中的气体基本达到置换终点。经化学测试符合开顶要求，且CO 测爆试验合格，具备开顶条件。气柜开顶过程中，烟气发生器继续工作，保持气柜内正压。
从表 4 可看出，放散管取气体试样的CO含量已小于 0.5%，说明气柜中的气体基本达到置换终点。经化学测试符合开顶要求，且CO 测爆试验合格，具备开顶条件。气柜开顶过程中，烟气发生器继续工作，保持气柜内正压。
2.6.4 其他特殊情况的控制
置换中，若烟气炉发生断电、断水或故障，会造成置换中断，这时气柜内气体压力很小，很容易造成气柜吸顶。因此，必须备有一台烟气炉。如果烟气炉遇到断水、断电情况，应及时抢修，同时立即关闭所有放散阀门，如果气柜高度不够，则充一部分气体进柜，使气柜达到安全高度。
置换中，若烟气炉发生断电、断水或故障，会造成置换中断，这时气柜内气体压力很小，很容易造成气柜吸顶。因此，必须备有一台烟气炉。如果烟气炉遇到断水、断电情况，应及时抢修，同时立即关闭所有放散阀门，如果气柜高度不够，则充一部分气体进柜，使气柜达到安全高度。
3 结 论
用烟气炉产生的烟气进行储气柜的气体置换，不仅具有投资少、时间短和操作简单等特点，而且可排除混合气体燃爆的可能性，确保煤气柜的安全稳定运行。由于这次置换采用了
烟气置换，烟气置换的燃烧气源人工煤气成本价约 5 万元，远远低于若采用氮气置换所发生的费用，节省了大量人力、物力及财力，取得了良好社会效益和经济效益。由于杨高路储气
柜的成功置换，掌握了大量翔实可靠的置换参数，积累了经验，这为上海在未来五年内全面完成 18 个 50 岁高龄“煤气包”的拆除工作，加速推进人工煤气向天然气转换，实现城市用气向绿色、低碳方向发展打好基础。
用烟气炉产生的烟气进行储气柜的气体置换，不仅具有投资少、时间短和操作简单等特点，而且可排除混合气体燃爆的可能性，确保煤气柜的安全稳定运行。由于这次置换采用了
烟气置换，烟气置换的燃烧气源人工煤气成本价约 5 万元，远远低于若采用氮气置换所发生的费用，节省了大量人力、物力及财力，取得了良好社会效益和经济效益。由于杨高路储气
柜的成功置换，掌握了大量翔实可靠的置换参数，积累了经验，这为上海在未来五年内全面完成 18 个 50 岁高龄“煤气包”的拆除工作，加速推进人工煤气向天然气转换，实现城市用气向绿色、低碳方向发展打好基础。
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