唐應(yīng)彪

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司 洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

在煤氣化過(guò)程中會(huì)生成硫化物、氮化物和氯化物等腐蝕性介質(zhì)，對(duì)煤氣化裝置的設(shè)備和管道產(chǎn)生嚴(yán)重危害，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。水煤漿氣化技術(shù)已成為煤氣化技術(shù)的典型代表，具有對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)、碳轉(zhuǎn)化率高和整體熱利用率高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。水煤漿氣化工藝采用煤、氧氣(或空氣)為原料，經(jīng)氣化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為CO和H2為主要組分的粗合成氣[6]。針對(duì)某公司的水煤漿氣化裝置，通過(guò)工藝流程、腐蝕性介質(zhì)和腐蝕流程分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行了腐蝕調(diào)研，分析了生產(chǎn)中暴露的腐蝕、結(jié)垢和堵塞問(wèn)題，并從選材推薦和腐蝕監(jiān)測(cè)檢測(cè)方面提出了相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。

1 水煤漿氣化裝置工藝流程

水煤漿氣化裝置主要包括水煤漿制備單元、氣化單元、合成氣洗滌單元、黑水閃蒸單元和黑水沉降單元等。

1.1 水煤漿制備單元

原煤中加入添加劑后進(jìn)入磨煤機(jī)M-1001與水混合，開(kāi)始磨煤，制得的水煤漿通過(guò)溢流的方式經(jīng)滾筒篩脫除不符合粒度分布要求的煤粒后，進(jìn)入煤漿槽T-1301，由煤漿泵提供動(dòng)力送入氣化單元。

1.2 水煤漿氣化單元

水煤漿和氣化劑(氧氣)以噴射的形式進(jìn)入氣化爐F-1301的燃燒室，在壓力為6.5 MPa，溫度為1 300 ℃的條件下發(fā)生反應(yīng)，生成粗合成氣。在氣化爐的激冷室，熔渣被冷卻固化后送入鎖斗V-1305，再進(jìn)入渣池V-1308；粗合成氣中的大部分固體顆粒被除去后進(jìn)入洗滌塔C-1301。由氣化爐底部出來(lái)的黑水進(jìn)入高壓閃蒸罐V-1401。

1.3 合成氣洗滌單元

合成氣進(jìn)入洗滌塔C-1301下部經(jīng)過(guò)初步洗滌后，所含的大部分固體顆粒被脫除。在洗滌塔內(nèi)部，合成氣繼續(xù)上升，與灰水、變換冷凝液進(jìn)行逆流接觸，經(jīng)過(guò)深度洗滌后去變換工段。洗滌塔底部黑水經(jīng)流量調(diào)節(jié)后去高壓閃蒸罐V-1401。

1.4 黑水閃蒸單元

來(lái)自氣化爐F-1301、洗滌塔C-1301的黑水進(jìn)入高壓閃蒸罐V-1401閃蒸濃縮。頂部的閃蒸蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝冷卻后進(jìn)入高壓閃蒸分離器V-1405，分離出的不凝氣去火炬系統(tǒng)，冷凝液進(jìn)入灰水槽T-1401。高壓閃蒸罐V-1401底部的濃縮黑水送入真空閃蒸罐V-1404繼續(xù)閃蒸濃縮，頂部的閃蒸蒸汽經(jīng)冷凝冷卻后進(jìn)入真空閃蒸分離器V-1402，分離出來(lái)的閃蒸蒸汽放空，底部的冷凝液送至灰水槽T-1401。

1.5 黑水沉降單元

真空閃蒸罐V-1404底部的黑水送至沉降槽T-1402，為了加速黑水的沉降，在黑水中加入絮凝劑。沉降槽上部的澄清水溢流到灰水槽T-1401，底部沉降的細(xì)渣送往后續(xù)過(guò)濾裝置。灰水槽T-1401中的一部分灰水送入除氧器V-1407除氧后返回洗滌塔C-1301循環(huán)利用，另一部分灰水去廢水處理處進(jìn)行凈化處理。

2 腐蝕性介質(zhì)分析

水煤漿氣化裝置的主要原料是煤，在煤氣化的操作條件下，煤中所含的硫、氯、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，生成硫化物、氯化物和氮化物等有害介質(zhì)，并混入合成氣、黑水和灰水等工藝介質(zhì)中，造成設(shè)備和管道發(fā)生腐蝕。對(duì)裝置的工藝介質(zhì)進(jìn)行分析，黑水和灰水中腐蝕性介質(zhì)的組成及含量見(jiàn)表1。

表1 腐蝕性介質(zhì)分析

從表1來(lái)看，黑水和灰水環(huán)境的腐蝕具有如下特點(diǎn)：①黑水和灰水呈弱酸性，其中的氯離子含量較高，均超過(guò)500 μg/g，該環(huán)境下奧氏體不銹鋼設(shè)備和管道具有較高的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。②黑水的固含量較高，需重點(diǎn)關(guān)注黑水管道的沖蝕磨損風(fēng)險(xiǎn)。③在水煤漿氣化單元和合成氣洗滌單元中，黑水里的CO2含量較高，若黑水中鈣、鎂含量較高，且黑水pH值較高，顯堿性時(shí)，設(shè)備和管道易發(fā)生結(jié)垢。④黑水和灰水中H2S含量較低，小于50 μg/g，其濕硫化氫損傷風(fēng)險(xiǎn)較低；濕硫化氫損傷風(fēng)險(xiǎn)較高部位集中在黑水閃蒸單元的酸性氣設(shè)備和管道等部位。⑤黑水和灰水中甲酸含量較高，大于1 000 μg/g，黑水和灰水環(huán)境中甲酸對(duì)金屬材料的腐蝕產(chǎn)生一定的影響。

3 水煤漿氣化裝置腐蝕流程分析

基于黑水和灰水中腐蝕性介質(zhì)的組成及含量，分析不同部位易發(fā)生的腐蝕類(lèi)型，為材料選擇、腐蝕監(jiān)測(cè)檢測(cè)方案的制定提供幫助。腐蝕流程分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 腐蝕流程分析結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕調(diào)研情況

4.1 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕狀況

4.1.1磨煤機(jī)腐蝕

磨煤機(jī)腐蝕、跑漿漏漿問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，其襯板和筒體腐蝕減薄，其材質(zhì)為65Mn，螺栓頭與襯板、襯板與襯板之間存在縫隙腐蝕。在磨料磨損、化學(xué)腐蝕和高能量沖擊磨損三者共同作用下，縫隙腐蝕加速，導(dǎo)致磨煤機(jī)設(shè)備襯板減薄、漏漿問(wèn)題突出。

4.1.2激冷環(huán)堵塞

激冷環(huán)是氣化爐最重要且最易損壞的部件之一，其主要作用在于為高溫工藝氣及熔渣激冷提供激冷水。激冷水中固體顆粒和鈣鎂含量較高，在流經(jīng)進(jìn)水孔時(shí)容易因結(jié)垢而堵塞，同時(shí)對(duì)激冷環(huán)環(huán)管內(nèi)壁造成嚴(yán)重的沖蝕磨損。

4.1.3閃蒸罐的沖蝕磨損

高壓閃蒸罐內(nèi)部沖蝕磨損嚴(yán)重，罐壁明顯減薄，其腐蝕形貌見(jiàn)圖1。高壓閃蒸罐內(nèi)部壓力較高，介質(zhì)成分復(fù)雜，富含氣體、液體以及炭黑顆粒，對(duì)罐壁以及進(jìn)口短節(jié)沖蝕磨損嚴(yán)重。

圖1 高壓閃蒸罐內(nèi)部沖蝕磨損

4.1.4高壓閃蒸角閥泄漏

高壓閃蒸角閥筒體側(cè)因沖蝕磨損而多次發(fā)生泄漏。黑水流經(jīng)閃蒸角閥時(shí)形成偏流，導(dǎo)致閥座局部沖蝕嚴(yán)重，閥芯表面硬質(zhì)材料磨損嚴(yán)重。因此，對(duì)閃蒸角閥流通量進(jìn)行重新核算，并對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，將閥體材料升級(jí)為316+碳化鎢耐磨材料，投入生產(chǎn)運(yùn)行后其使用情況良好，閥座、閥芯沖蝕磨損減輕，角閥使用壽命明顯提高。

4.1.5閃蒸罐前緩沖桶磨蝕

低壓閃蒸罐前緩沖桶為T(mén)形三通結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為碳鋼，其磨蝕較為嚴(yán)重，目前對(duì)該三通的易磨蝕部位進(jìn)行了局部加厚處理，通過(guò)焊接鋼板來(lái)增加磨蝕余量，從而延長(zhǎng)其壽命。高壓閃蒸罐前緩沖桶也為T(mén)形三通結(jié)構(gòu)，其磨蝕相對(duì)較輕，目前對(duì)該三通也進(jìn)行了局部加厚處理。

低壓閃蒸罐前緩沖桶底部法蘭蓋的黑水及固體顆粒沖蝕也非常嚴(yán)重，在法蘭蓋上可見(jiàn)沖蝕形成溝狀痕跡。高壓閃蒸罐前緩沖桶底部法蘭蓋采用三層廢舊耐磨鋼棒進(jìn)行堆焊，堆焊后高度約20 cm，其沖蝕仍然十分嚴(yán)重。

4.1.6管道磨蝕、結(jié)垢與堵塞

黑水及灰水管道失效以磨蝕和結(jié)垢為主，并易于堵塞，彎管部位因沖蝕磨損壁厚減薄最為嚴(yán)重。當(dāng)管道中黑水流量減小，流速降低時(shí)，水中的固體顆粒在設(shè)備、管道內(nèi)壁結(jié)垢速度加快，造成管道嚴(yán)重堵塞。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道腐蝕問(wèn)題，應(yīng)對(duì)管道腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行在線定點(diǎn)測(cè)厚，預(yù)測(cè)管道壁厚減薄趨勢(shì)，并及時(shí)更換減薄的管線管件；對(duì)于管道堵塞的問(wèn)題，管段應(yīng)多設(shè)置可拆卸法蘭，及時(shí)對(duì)管線和設(shè)備進(jìn)行疏通清理。

4.2 腐蝕調(diào)研分析

從現(xiàn)場(chǎng)腐蝕調(diào)研結(jié)果可以看出，水煤漿氣化裝置的腐蝕具有如下特點(diǎn)：①黑水和灰水中含有大量的腐蝕性介質(zhì)，會(huì)對(duì)金屬設(shè)備及管道產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，如CO2腐蝕、濕H2S損傷、氯離子點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等。②黑水和灰水系統(tǒng)的局部高流速部位沖蝕磨損問(wèn)題比較突出。沖蝕磨損與電化學(xué)腐蝕相互作用，相互促進(jìn)。沖蝕磨損主要發(fā)生在高壓閃蒸角閥、管道彎管、大小頭和三通處，這些部位因沖蝕磨損而壁厚減薄嚴(yán)重。③黑水和灰水系統(tǒng)管道極易結(jié)垢，垢層致密、堅(jiān)硬，容易造成管道堵塞。結(jié)垢主要發(fā)生在氣化爐激冷環(huán)、洗滌塔、高壓閃蒸罐等設(shè)備及其相關(guān)的黑水和灰水管道。

5 防護(hù)對(duì)策

5.1 選材推薦

根據(jù)水煤漿氣化工藝特點(diǎn)，設(shè)備和管道的選材應(yīng)考慮操作溫度、操作壓力以及工藝介質(zhì)的狀態(tài)、流速、流態(tài)等條件，并充分考慮苛刻條件下腐蝕性介質(zhì)對(duì)設(shè)備和管道的影響。

黑水和灰水中溶解有Cl-、CO2、H2S、HCN和HCOOH等，應(yīng)考慮Cl-點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題，并考慮CO2、H2S、HCN與HCOOH腐蝕以及濕H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題。除考慮腐蝕外，還應(yīng)考慮固體顆粒對(duì)材料的沖蝕磨損，適當(dāng)增大材料的腐蝕余量，特殊情況下需要進(jìn)行局部材料升級(jí)?？蛇x用陶瓷襯里或硬質(zhì)合金等材料以減緩磨損；同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減緩固體顆粒對(duì)設(shè)備或管道的磨損，如改變管道走向時(shí)可選大曲率半徑彎管等。此外，在裝置運(yùn)行期間，定期進(jìn)行壁厚監(jiān)測(cè)，及時(shí)更換管道，尤其是選用碳鋼材料時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管道壁厚的監(jiān)測(cè)。

基于上述分析，并結(jié)合設(shè)備和管道的用材情況與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出主要設(shè)備和管道推薦用材方案，分別見(jiàn)表3和表4。

表3 主要設(shè)備推薦用材

表4 主要管道推薦用材

5.2 腐蝕監(jiān)測(cè)檢測(cè)

通過(guò)腐蝕監(jiān)測(cè)檢測(cè)，可以評(píng)價(jià)設(shè)備和管道的使用狀態(tài)、預(yù)測(cè)設(shè)備和管道的使用壽命、監(jiān)測(cè)腐蝕控制措施的使用效果，對(duì)腐蝕產(chǎn)生的隱患進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)反饋設(shè)備腐蝕信息，為水煤漿氣化裝置的選材和防腐措施優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

5.2.1現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)水煤漿氣化裝置工藝流程和主要設(shè)備結(jié)構(gòu)，結(jié)合裝置腐蝕流程分析，制定裝置現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片方案。掛片材質(zhì)為掛片部位設(shè)備的在役材料，并根據(jù)實(shí)際情況增加高等級(jí)材料和低等級(jí)材料；每種材質(zhì)需要2～3個(gè)平行掛片，由于每個(gè)部位的掛片數(shù)量較多，可使用掛片架形式進(jìn)行安裝?，F(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片的具體位置見(jiàn)表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片的具體位置

5.2.2定點(diǎn)測(cè)厚方案

采用超聲波定點(diǎn)測(cè)厚技術(shù)對(duì)水煤漿氣化裝置進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，定點(diǎn)測(cè)厚布點(diǎn)應(yīng)根據(jù)腐蝕性介質(zhì)、工藝流程、腐蝕流程分析來(lái)確定具體位置，重點(diǎn)關(guān)注管線沖刷腐蝕嚴(yán)重部位、氣液兩相交界部位、介質(zhì)流速>20 m/s或者<1 m/s的部位以及停滯區(qū)或冷凝部位等。

水煤漿氣化裝置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)管線部位：氣化爐合成氣至洗滌塔的管線、洗滌塔底部至高壓閃蒸罐的黑水管線、氣化爐至高壓閃蒸罐的黑水管線、高壓閃蒸罐至真空閃蒸罐的黑水管線、高壓閃蒸分離器至灰水槽的冷凝液管線、高壓閃蒸罐至高壓閃蒸分離器的酸性氣管線、真空閃蒸罐頂部至真空閃蒸分離器的酸性氣管線。

6 結(jié)束語(yǔ)

水煤漿氣化裝置在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備和管道的腐蝕問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。黑水和灰水等工藝介質(zhì)呈弱酸性，其中的氯離子和固體顆體等腐蝕性介質(zhì)含量較高，會(huì)對(duì)金屬設(shè)備及管道產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，如氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、固體顆粒沖蝕磨損等?；诠に嚵鞒谭治龊臀锪现懈g性介質(zhì)的組成及含量分析，開(kāi)展了腐蝕流程分析和腐蝕規(guī)律研究。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行腐蝕調(diào)研，分析了生產(chǎn)中暴露的腐蝕、結(jié)垢和堵塞問(wèn)題，并從選材推薦和腐蝕監(jiān)測(cè)檢測(cè)方面提出了相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策，保障了裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了煤化工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。