煤氣化鎖斗循環(huán)量與設(shè)備腐蝕分析

李 輝 霍成斌

(中石化齊魯分公司第二化肥廠 山東淄博255400)

0 前言

中石化齊魯分公司第二化肥廠氣化裝置采用GE水煤漿加壓氣化技術(shù)，以煤漿和純氧為原料制取粗水煤氣。煤漿經(jīng)高壓煤漿泵送入工藝燒嘴，來(lái)自空分裝置的氧氣也送入工藝燒嘴，在三流式工藝燒嘴頭部混合后噴入氣化爐，在1 400 ℃左右的高溫下發(fā)生部分氧化反應(yīng)生成粗水煤氣。煤在高溫下熔化產(chǎn)生熔渣，與反應(yīng)生成的粗水煤氣并流經(jīng)渣口及下降管進(jìn)入到激冷室，粗水煤氣被冷卻并為水汽所飽和，出激冷室后飽和氣體送入洗滌塔除去細(xì)粒，再送至變換系統(tǒng)。沉降在激冷室底部的渣及少量沒(méi)有燃盡的炭，經(jīng)破渣機(jī)進(jìn)入鎖斗，經(jīng)過(guò)鎖斗的排渣管線排入渣池。激冷室出來(lái)的黑水經(jīng)閃蒸罐回收熱量后，黑水被送到沉降槽澄清后循環(huán)使用。

1 鎖斗系統(tǒng)流程

沉降在激冷室底部的渣及少量沒(méi)有燃盡的炭，通過(guò)鎖斗安全閥、鎖斗入口閥進(jìn)入鎖斗。鎖斗集渣時(shí)需要借助鎖斗系統(tǒng)循環(huán)水流的夾帶和沖擊。該水流是從鎖斗頂部管線進(jìn)入鎖斗循環(huán)泵，然后經(jīng)泵打回激冷室錐底，水在激冷室錐底和鎖斗之間強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)。渣由激冷室進(jìn)入鎖斗后沉淀在鎖斗底部，從而使渣水分離,渣以此方式在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收集在鎖斗中，然后開(kāi)始排渣。

2 存在問(wèn)題

自原始開(kāi)車以來(lái)，鎖斗循環(huán)水量一直遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值(20 t/h)，實(shí)際鎖斗循環(huán)水量達(dá)70 t/h。因?yàn)殒i斗循環(huán)水的作用是輔助排渣，水量越大，越有利于將沉積在激冷室內(nèi)壁的灰渣被帶至鎖斗，所以對(duì)此超標(biāo)現(xiàn)象沒(méi)有重視。運(yùn)行4年后，鎖斗循環(huán)泵出口管線大小頭、彎頭及三通等部位開(kāi)始頻繁出現(xiàn)減薄、泄漏，威脅裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)，因此，重新審視鎖斗循環(huán)水量超標(biāo)的現(xiàn)象，以期找出兩者的內(nèi)在聯(lián)系。

2.1 鎖斗內(nèi)顆粒的沉降

渣水出鎖斗穩(wěn)流筒后，假設(shè)顆粒在流體中為自由沉降進(jìn)行分析。由于自重較大，大顆粒渣會(huì)順利沉降到鎖斗底部，等待排渣時(shí)排出；小顆粒渣可能會(huì)有部分進(jìn)入鎖斗循環(huán)泵。主要分析進(jìn)入鎖斗循環(huán)線的小顆粒渣。在重力場(chǎng)中，小顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)會(huì)受到做相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體的曳力。根據(jù)顆粒雷諾數(shù)Rep大小，將小顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)區(qū)。當(dāng)Rep<2處于斯托克斯區(qū)，2

顆粒處于斯托克斯定律區(qū)時(shí)，顆粒沉降速度：

(1)

式中：ut—顆粒沉降速度，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

dp—顆粒直徑，mm；

ρp—顆粒密度，kg/m3；

ρ—流體密度，kg/m3；

μ—流體黏度，mPa·s。

顆粒處于阿侖區(qū)時(shí)，顆粒沉降速度：

(2)

顆粒處于牛頓定律區(qū)時(shí)，顆粒沉降速度：

(3)

校驗(yàn)顆粒雷諾數(shù)Rep可以驗(yàn)證假設(shè)的顆粒流動(dòng)形態(tài)是否正確。

(4)

鎖斗循環(huán)水泵入口在鎖斗頂部，鎖斗內(nèi)的流體有一個(gè)向上流動(dòng)的速度來(lái)補(bǔ)充鎖斗循環(huán)水，小顆粒沉降速度ut必須大于流體向上的流動(dòng)速度u才有可能沉降到鎖斗底部。流體向上流動(dòng)的速度u通過(guò)質(zhì)量守恒計(jì)算，即一定時(shí)間內(nèi)鎖斗循環(huán)線的水量與通過(guò)鎖斗某一水平截面的水量相等；再以該速度計(jì)算出沉降至鎖斗底部小顆粒的最小直徑dp。

鎖斗循環(huán)水溫度為50 ℃，通過(guò)文獻(xiàn)查得該溫度下水的密度為988 kg/m3，黏度為0.549 mPa·s，煤渣密度2 100 kg/m3，鎖斗循環(huán)水流量70 t/h，鎖斗水平截面直徑2 m。

(5)

假設(shè)顆粒沉降處于斯托克斯定律區(qū)，

(6)

要滿足ut>u，由式(5)和式(6)聯(lián)立可得出：

顆粒直徑dp>0.075 35 mm。

校驗(yàn)Rep，

=0.85

Rep<2，計(jì)算有效，即直徑>0.075 mm小顆粒有可能沉降到鎖斗底部，而小于該尺寸的顆粒大部分會(huì)進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線。

若將鎖斗循環(huán)水流量降至設(shè)計(jì)值(20 t/h)，由式(1)和式(5)可得出進(jìn)入鎖斗循環(huán)線的小顆粒直徑會(huì)減小到0.040 mm以下?？梢?jiàn)鎖斗循環(huán)量越大，進(jìn)入鎖斗循環(huán)管線的顆粒粒度越大。

上述討論是對(duì)單個(gè)顆粒的自由沉降，實(shí)際顆粒的沉降還會(huì)受到一些因素的干擾。相鄰不同直徑的顆粒沉降速度不同，互相間就會(huì)產(chǎn)生作用力，使小顆粒沉降速度加快，大顆粒沉降速度減緩，即使直徑>0.075 mm的顆粒也有機(jī)會(huì)進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線。由于渣水的密度和黏度較純水大，由式(1)可定性得到實(shí)際顆粒沉降速度會(huì)進(jìn)一步放緩的結(jié)論。隨著鎖斗收渣時(shí)間延長(zhǎng)，鎖斗底部顆粒濃度逐漸升高，新沉降的顆粒下沉?xí)脫Q部分流體帶動(dòng)其他顆粒向上運(yùn)動(dòng)，這也會(huì)造成部分已經(jīng)沉降的顆粒進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線，顆粒濃度越高，此影響越大。由此可見(jiàn)，在實(shí)際的沉降過(guò)程中，直徑>0.075 mm的顆粒也有機(jī)會(huì)進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線，并且隨著收渣時(shí)間的延長(zhǎng)，越到收渣后期進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線的大顆粒越多。

2.2 鎖斗循環(huán)線腐蝕

鎖斗循環(huán)線的腐蝕類型為典型的沖刷磨損腐蝕。沖刷磨損腐蝕的特點(diǎn)是金屬表面與流體之間由于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起金屬損傷，破壞了金屬表面能夠提供保護(hù)的表面膜，表面膜的減薄或去除加速了金屬腐蝕過(guò)程，因而沖刷磨損腐蝕是流體的沖刷與腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。沖刷磨損腐蝕一般在彎頭、肘管、三通、泵、閥、葉輪等改變流體方向、速度和增大紊流的部位比較嚴(yán)重。

沖刷磨損腐蝕的影響因素較多，除材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、表面粗糙度、耐腐蝕性能等外，還有介質(zhì)的溫度、pH、溶氧量、各種活性離子的濃度、黏度、密度、固相和氣相在液相中的含量、固相顆粒的粒度和硬度、過(guò)流部件的形狀、流體的流速和流態(tài)等因素。本文只分析、討論幾個(gè)容易調(diào)整的影響因素。

(1)流速。在多數(shù)情況下，流速增大，腐蝕速度加快。在某一流速范圍內(nèi)變化不顯著，當(dāng)流速超過(guò)某個(gè)臨界值后，沖刷磨損腐蝕速度急劇上升。

(2)第2相。存在固體顆粒的雙相流比單相流造成的沖刷腐蝕更嚴(yán)重，并使臨界流速下降。流體攜帶的固體顆粒直徑越大、流體固含量越高，沖刷磨損腐蝕越嚴(yán)重。

鎖斗循環(huán)水流量比設(shè)計(jì)值高出2.5倍，鎖頭循環(huán)水流量達(dá)到70 t/h，鎖斗循環(huán)泵出口管線外徑114 mm，壁厚11 mm，渣水固含量約3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

渣水密度ρ′=97%ρ+3%ρp

=1 021(kg/m3)

鎖斗循環(huán)水流速雖然在一般管道液體流速范圍內(nèi)(<3 m/s)，但由于其中含固體顆粒，因此，對(duì)于防沖刷磨損腐蝕而言，該流速還是偏大。若將鎖斗循環(huán)水流量降至設(shè)計(jì)值，不難得出鎖斗循環(huán)泵出口管線渣水流速會(huì)降至0.82 m/s，可大大減輕管線沖刷磨損腐蝕。

3 結(jié)論與對(duì)策

(1)鎖斗循環(huán)水流量增大，導(dǎo)致進(jìn)入鎖斗循環(huán)水管線的固體顆粒粒度增大和循環(huán)水流速加快，固體顆粒粒度增大和渣水流速加快均使沖刷磨損腐蝕加??；尤其在鎖斗收渣階段后期，鎖斗循環(huán)水中固含量急劇增加、固體顆粒多，使管線沖刷磨損腐蝕加劇。

(2)為減輕管線腐蝕，可采取的措施：①縮短鎖斗收渣時(shí)間，避免收渣后期鎖斗循環(huán)水含固量劇增。目前，為減少鎖斗閥開(kāi)關(guān)次數(shù)、延長(zhǎng)其使用壽命，將鎖斗收渣時(shí)間定為40 min，今后可改為原設(shè)計(jì)的30 min；氣化爐負(fù)荷升高或煤質(zhì)原因?qū)е略吭龆鄷r(shí)，還可進(jìn)一步適當(dāng)縮短收渣時(shí)間。②降低鎖斗循環(huán)水流量，可采用切削循環(huán)水泵葉輪、加裝限流孔板或調(diào)節(jié)閥等方法，以降低鎖斗循環(huán)水流速和減小鎖斗循環(huán)水內(nèi)固體顆粒粒度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值的工藝指標(biāo)，短期內(nèi)不一定會(huì)出現(xiàn)不良后果，但這并不代表此指標(biāo)是正常的。就本文分析的鎖斗循環(huán)水流量超標(biāo)而言，其不良后果直到運(yùn)行4年后才開(kāi)始顯現(xiàn)。應(yīng)該重新審視每一個(gè)超標(biāo)的工藝指標(biāo)，分析其可能影響的方面，將各項(xiàng)工藝指標(biāo)都控制在合理的范圍內(nèi)是裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。