摘 要：首先介紹了煤直接液化加熱爐的相關(guān)工藝技術(shù)參數(shù)，分析了加熱爐發(fā)生偏流時的現(xiàn)象以及危害。然后就加熱爐發(fā)生偏流的原因做了詳細分析并根據(jù)實際操作經(jīng)驗提出了可行的應(yīng)急處置措施。

關(guān)鍵詞：煤直接液化;加熱爐;偏流;處置方法

引言

國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司煤直接液化裝置（以下稱煤液化裝置）是世界首套商業(yè)化運行煤直接液化裝置，該裝置由煤漿制備部分、反應(yīng)部分、常減壓蒸餾部分和公用工程部分組成。[1] 煤液化裝置油煤漿加熱爐F201（以下簡稱加熱爐）是反應(yīng)部分的核心設(shè)備之一。油煤漿加熱爐F201 在開停工過程中尤其是在低負荷（60%以下）時容易發(fā)生四根爐管表面溫度差別大、四根爐管出口溫度不一致的偏流現(xiàn)象，為防止偏流現(xiàn)象造成加熱爐爐管損壞以及油煤漿在爐管內(nèi)結(jié)焦，有必要對該裝置油煤漿加熱爐的偏流問題進行分析和預防。

1 油煤漿加熱爐簡介

煤液化裝置反應(yīng)部分油煤漿加熱爐共有三臺，三臺油煤漿加熱爐F201A/B/C為雙爐膛雙面輻射箱式加熱爐，其主要作用是將反應(yīng)進料進行升溫加熱以達到起始反應(yīng)溫度。三臺加熱爐為并聯(lián)。加熱的工藝介質(zhì)全部放在輻射室。三臺爐子的煙氣集中去余熱鍋爐和空氣預熱器。每臺加熱爐設(shè)置兩個輻射室，每個輻射室設(shè)置兩個管程。介質(zhì)中含有約50%（w %）的固體顆粒，為防止沖蝕，限制管內(nèi)流速，同時采用大半徑彎管，爐管呈水平放置。

2 加熱爐偏流的現(xiàn)象

加熱爐爐管發(fā)生偏流后會有明顯的現(xiàn)象，DCS操作畫面有多個參數(shù)發(fā)生明顯變化。操作人員可以根據(jù)參數(shù)變化趨勢及時發(fā)現(xiàn)爐管偏流現(xiàn)象并作出有效處置。

1）加熱爐管壁溫度快速上升

加熱爐爐管發(fā)生偏流后，單只爐管的管壁溫度會快速上升。每支爐管管壁溫度有A-L共計12個熱偶顯示點。爐管發(fā)生偏流后，最靠近入口的A點溫度會最先快速上升，其余的熱偶點也會在短時間內(nèi)明顯升高。

2）加熱爐分支出口溫度快速上升

加熱爐爐管發(fā)生偏流后，由于該分支爐管內(nèi)的介質(zhì)流量會大幅減少，該分支爐管的出口介質(zhì)溫度會快速上升。

3）加熱爐出口總管溫度波動大

加熱爐爐管發(fā)生偏流后，四根爐管的介質(zhì)流量會重新分配。由于每根爐管的傳熱效率不同所以該加熱爐出口總管溫度會發(fā)生明顯的波動。

4）加熱爐管壁溫度高報警

為保證加熱爐的正常安全運行，操作系統(tǒng)設(shè)置了加熱爐管壁溫度高報警。當單支爐管發(fā)生偏流后，管壁溫度升高超過溫度報警設(shè)定值后操作畫面會發(fā)出聲音報警。

3 加熱爐偏流的危害

3.1 爐管內(nèi)局部結(jié)焦

加熱爐爐管發(fā)生偏流后，如果不及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整可能會導致爐管內(nèi)局部結(jié)焦甚至是大范圍結(jié)焦。因為當單支爐管發(fā)生偏流后，該分支內(nèi)的介質(zhì)流量會減小，爐管內(nèi)油煤漿的流速會減小，液固混合相的流動狀態(tài)會發(fā)生變化，液固混合相的層流狀態(tài)會加劇。油煤漿中的固體顆粒由于流速減慢會加劇沉積，爐管管壁溫度快速上升會導致靠近爐管內(nèi)壁的煤粉沉積物溫度快速上升進而發(fā)生熱解、聚合、結(jié)焦。如果不及時調(diào)整加熱爐瓦斯量和偏流分支爐管的進料就可能會導致爐管內(nèi)局部結(jié)焦甚至大面積結(jié)焦。爐管發(fā)生結(jié)焦后會影響該爐膛的溫度控制和油煤漿處理量，從而影響整個裝置的生產(chǎn)負荷。

3.2 管壁超溫影響爐管使用壽命

油煤漿加熱爐的金屬材質(zhì)是TP347H（1Cr19Ni11Nb），該合金材質(zhì)為高碳含鈮Cr-Ni奧氏體不銹鋼，具有良好的耐晶間腐蝕、耐連多硫酸晶間應(yīng)力腐蝕。允許抗氧化溫度為750℃，在酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)中其耐行性與含Ti的18-8奧氏體不銹鋼相仿，常用于大型鍋爐的爐管和再熱器管。

1）爐管金屬材質(zhì)的高溫力學性能降低

當爐管發(fā)生偏流后如果金屬材質(zhì)長時間在高溫區(qū)域使用，其高溫力學性能會降低。

通過下圖表3發(fā)現(xiàn)，當溫度在600℃--700℃之間時，金屬的屈服強度在波動，而抗拉強度則隨著溫度的升高下降明顯。通過表4可以發(fā)現(xiàn)在500℃--700℃之間時金屬的許用應(yīng)力隨著溫度的升高快速下降。許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)過適當修正的材料的失效應(yīng)力除以安全系數(shù)。通過上述分析可以判斷爐管偏流越是嚴重，爐管超溫越高則對金屬材質(zhì)的高溫力學性能影響越大。

2）爐管金屬蠕變極限降低

金屬材料在一定溫度和長時間受力狀態(tài)下，即使所受應(yīng)力小于其屈服強度，但隨著時間的增長，也會慢慢產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。管式加熱爐的蠕變極限一般指的是在一定工作溫度下，在規(guī)定的使用時間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量的總變形的應(yīng)力值。通過下圖應(yīng)力不變時溫度對蠕變曲線的影響可以發(fā)現(xiàn)當金屬溫度越高時其形變量越大，所以當溫度越高時爐管發(fā)生一定量總形變所需的應(yīng)力值越低，也就客觀降低了爐管的連續(xù)使用時間。

3）爐管金屬材質(zhì)σ脆性增加

含鉻16.5%以上的鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，在590--930℃溫度區(qū)間長期工作，會生成Fe--Cr化合物。這種化合物又硬又脆，無磁性，稱之為σ相。因σ相的存在而使材料脆化的現(xiàn)象稱之為“脆性”。下圖表5是奧氏體不銹鋼生成σ相的溫度范圍。所以加熱爐管要避免在此范圍內(nèi)長期使用。

4）加熱爐爐管抗氧化性能降低

金屬材質(zhì)隨著溫度增加其氧化速度會加快，氧化層脫落會減少爐管的有效厚度。TP347H的允許抗氧化溫度為750℃，其抗氧化極限溫度為850-900攝氏度。

4 加熱爐偏流的原因

4.1 進料量偏低

根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗總結(jié)，系統(tǒng)進料量偏低是造成加熱爐爐管偏流的主要原因。當裝置在開停工期間以及煤制氫停一套時裝置需要大幅度降負荷，根據(jù)經(jīng)驗當系統(tǒng)進料負荷降至58%以下時，加熱爐發(fā)生偏流的幾率大幅增加。

煤液化油煤漿加熱爐內(nèi)的介質(zhì)為氣液固三項流，由于煤粉顆粒較細且分布均勻，為了便于討論本節(jié)按照經(jīng)典的氣液兩相水平管討論爐管內(nèi)的介質(zhì)變化。

水平管內(nèi)氣液兩相流的流型可以分為六類。在低液速范圍內(nèi)，隨著氣速的增加依次分為以下三種流型。[2]

（1）分層流。在氣速、液速都很低時，氣液兩相之間的作用微弱，液體在管道下部流動，氣體在管道上部流動。兩相都是連續(xù)的，界面是平滑的。

（2）波狀流。當氣速再增大時，波紋變成大波。有時掀起的的波尖可以舔到管子的拱頂。氣液兩相仍然是連續(xù)的，只是兩相間的相互作用增強了。

（3）環(huán)--霧狀流。在氣速更加增大時，液層的深度越來越淺，已不足以掀起大波，而是被氣流沖散到管壁上，形成上下不對稱的環(huán)形液膜，也有一部分液體被吹散至氣流中形成霧沫。在氣速更高的條件下，液膜可能不再存在，這就是單純的霧狀流。

在中等液速范圍內(nèi)，隨著氣速的增加，依次形成以下幾種流型。

（4）長泡流。在低氣速時，氣體以長形氣泡的形式緊貼著管道上壁向前移動。

（5）液節(jié)流。氣速再增大，長泡增大，其截面積甚至接近整個管子的面積，液體被分成一節(jié)一節(jié)的向前移動，從而形成液節(jié)流。

（6）分散氣泡流。在高速流動的液體中，氣體被分散成小氣泡，比較均勻的分布在整個管子截面上。其液相是連續(xù)的。

在正常生產(chǎn)操作條件下，為了避免結(jié)焦，流速最小應(yīng)該能夠保證環(huán)--霧流和霧狀流。根據(jù)下圖2 Baker水平管流型判別圖來看，縱坐標By正比于氣相質(zhì)量速度，橫坐標Bx正比于液相和氣相質(zhì)量速度之比。在開停工期間或者煤制氫停一套時，系統(tǒng)負荷大幅度降低，爐前的配氫量一般不做調(diào)整，也就是縱坐標By不變，但是橫坐標液相和氣相質(zhì)量流速之比會減少，根據(jù)圖形判斷，管道內(nèi)的流型很可能由環(huán)霧流和霧狀流變成液節(jié)流甚至是分層流，這樣隨著爐管內(nèi)的流型的變化，傳熱系數(shù)和傳熱效率會發(fā)生很大改變，爐管的壁溫可能很快升高。進而發(fā)生偏流的現(xiàn)象。

4.2 爐前配氫量波動

如果在煤制氫大幅波動期間或者配氫閥門跳動很可能導致單根爐管的配氫量發(fā)生較大改變，進而可能影響爐管內(nèi)介質(zhì)的流動形態(tài)，從而產(chǎn)生偏流現(xiàn)象。

4.3 爐前分支進料SCHUF閥閥位波動

爐前四個分支的流量控制閥門是SCHUF閥，當SCHUF油波動或者閥位調(diào)整以后會導致各個分支的液體流量重新分配，有的分支的液體流量減小以后可能會誘發(fā)爐管發(fā)生偏流現(xiàn)象。

5 加熱爐偏流的處置方法

5.1 調(diào)整爐前各分支爐管進料分配

當某分支爐管發(fā)生偏流以后，可以開大該分支爐前控制SCHUF閥門，適當關(guān)小其余三根爐管的SCHUF閥門，但是盡量不要關(guān)閉太小。在關(guān)至15%以下時要派操作人員去現(xiàn)場檢查SCHUF閥門的填料狀態(tài)，防止因閥門開度過小導致SCHUF閥門填料泄漏。也可以減少另外兩臺爐子的進料量，將該列加熱爐的進料負荷適當提高，以增加液相的質(zhì)量流速。

5.2 調(diào)整爐前配氫量

當某根爐管發(fā)生偏流時可以嘗試調(diào)整該根爐管的配氫量，可以加大該根爐管的配氫注入量以增加液相的流速和管內(nèi)的流動形態(tài)，但是調(diào)整幅度不宜過大，以免導致其他三根爐管再發(fā)生大的波動。

5.3 調(diào)整爐膛燃料氣量

當某根爐管發(fā)生偏流時，要迅速減小該爐膛的燃料氣燃燒量，以減小爐管的管壁溫度上升速度，減小爐管內(nèi)的局部結(jié)焦可能性。

5.4 使用高壓緊急沖洗油進行沖洗

如果某根爐管發(fā)生偏流以后，通過調(diào)整爐前配氫量和分支SCHUF閥門的閥位以及減少燃料氣量以后，爐管的偏流狀態(tài)不見好轉(zhuǎn)，管壁溫度仍然快速上升。應(yīng)當立即聯(lián)系機組崗位將高壓緊急沖洗油泵升壓，向該列加熱爐注入高壓緊急沖洗油。注入沖洗油的目的是：一是降低管壁溫度，二是提高該列爐子的液相流量從而改變偏流爐管的流動狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗高壓緊急沖洗油的使用方法是大流量短時間，防止因為沖洗油注入過多從而影響后期反應(yīng)溫度的控制。

參考文獻

[1]韓來喜，杜海勝 煤直接液化真空度波動原因分析及改造[J].煤化工，2013（6）

[2]錢家麟主編 ?管式加熱爐（第二版），中國石化出版社 ? ?2003

作者簡介：

刁瑞峰（1989--），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，主要從事煤直接液化工藝技術(shù)。