粉煤氣化排渣系統(tǒng)管道設(shè)計淺析

楊　柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司　西安　710075

粉煤氣化排渣系統(tǒng)管道設(shè)計淺析

楊柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司西安710075

摘要結(jié)合具體項目，介紹粉煤氣化渣水管道的運行現(xiàn)狀，分析渣水管道運行的基本特點及設(shè)計難點，并對材料選擇及管道布置設(shè)計給出了合理建議。

關(guān)鍵詞渣水管道布置選材磨損堵塞

隨著粉煤氣化技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，氣化爐作為各種氣化工藝的核心設(shè)備，其設(shè)計雖然各不相同，但除渣系統(tǒng)設(shè)置卻大致相同，此系統(tǒng)主要負責(zé)熔渣的冷卻、粉碎及排放，是影響裝置連續(xù)、平穩(wěn)運行的關(guān)鍵因素之一。渣水管道輸送的介質(zhì)相對普通介質(zhì)來講較為特殊，為含有爐渣及未燃燒煤組成的細渣，運行過程中管道極易腐蝕、磨損以及堵塞，嚴重時會將管道及管件磨損穿孔。因此氣化爐無論是材料的選擇或是管道布置，均應(yīng)根據(jù)其自身特殊性，進行合理設(shè)計，以避免頻繁更換管道及閥門，保證裝置長周期運行。

1排渣系統(tǒng)流程簡介

氣化爐底部的高溫熔渣首先通過破渣機依次進入渣收集器，渣鎖斗，并定時將渣水排放至撈渣機，再通過撈渣機撈出送至渣場。當(dāng)收渣時，渣收集器上部的渣水通過渣池循環(huán)水泵經(jīng)水力旋流器，進入循環(huán)灰水冷卻器利用循環(huán)水移走熔融爐渣帶入的熱量，進入氣化爐進行循環(huán)使用，排渣時灰水泵使水在渣收集器與渣鎖斗之間循環(huán)。排渣系統(tǒng)流程見圖1。

2渣水管道的特性

2.1物料參數(shù)

渣水管道內(nèi)物料為固液兩相，主要物料介質(zhì)為細渣與循環(huán)水。細渣成分一般為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等，粒度分布為95%<5mm、80%<2mm、60%<1mm、30%<0.5mm，100%<0.1mm，物料顆粒密度為2000～2600kg/m3，堆密度為1500kg/m3，操作溫度為78℃，操作壓力為3.53MPa，設(shè)計溫度為150℃，設(shè)計壓力為5.8MPa。

圖1　排渣系統(tǒng)流程

2.2磨損性及沉積性

磨損性是指由渣水產(chǎn)生的摩擦力作用導(dǎo)致材料破壞，通常含固體顆粒易出現(xiàn)上稀下濃的狀態(tài)，對管壁磨損嚴重，加劇材料的破壞。沉積性是指渣水在水平管內(nèi)流動時，若部分固體顆粒得不到來自液體的動力，會停止運動而沉積于管底，影響渣水的輸送，這在單相流輸送的管道內(nèi)不會發(fā)生，而在渣水管道中是必須要考慮的。

2.3磨損性及沉積性與流速的關(guān)系

渣水管道若流速偏低，流動性較差，則產(chǎn)生沉積，減小管道的流通面，直至堵塞整個管道，若沉積物長期不清理會導(dǎo)致硬化、結(jié)塊，最終使整個管道報廢。若流速過高，固體顆粒對管道內(nèi)壁產(chǎn)生嚴重的磨損或沖蝕，大大增加管道阻力，不僅加劇管道磨損，還增加了輸送動力的消耗。在工程設(shè)計中，一般多是控制管道的實際輸送速度稍大于臨界流速(使固體顆粒能剛好保持懸浮狀態(tài)而不發(fā)生沉降的流速)，考慮到以上因素，通過核算并根據(jù)以往工程經(jīng)驗，將渣水管線流速范圍確定為1.0～1.5m/s。

3渣水管道設(shè)計

3.1氯離子對材料選擇的影響

渣水中主要含有硫化氫、氯離子，渣和水，當(dāng)選用不銹鋼材質(zhì)時，尤其應(yīng)注意氯離子的濃度。隨著反應(yīng)過程中水系統(tǒng)的循環(huán)利用，氯離子不斷累積，濃度不斷增大，是對設(shè)備及管道造成腐蝕的主要因素。影響氯離子濃度的幾點因素：①煤質(zhì)；②新鮮水；③氣化后工藝的影響：氣化后工藝一般有兩種流程，廢鍋和激冷流程。廢鍋流程，即先采用循環(huán)煤氣激冷，然后進一步對合成氣進行冷卻；激冷流程，即采用水激冷的方式對合成氣進行直接冷卻。與廢鍋流程相比，激冷工藝黑水量高，離子濃度明顯低，一般來講激冷工藝不高于500mg/L，而廢鍋工藝可高達3000mg/L。

根據(jù)氣化工藝的操作條件及氯離子濃度，選擇合適的材料，對于氯離子較高的工況，建議選用抗氯離子腐蝕性強，同時又具有很高機械強度和優(yōu)良耐腐蝕性能的雙相鋼。與普通奧氏體不銹鋼相比，其最大優(yōu)勢為解決了氯離子環(huán)境中常發(fā)生的點腐蝕，通常用抗點蝕當(dāng)量數(shù)FPREN來計算：

FPREN=WCr+3.3(WMo+0.5WW)+16WN

式中，WCr、WMo、WW、WN分別代表合金中鉻、鉬、鎢、氮的質(zhì)量分數(shù)。FPREN值越高，抗點蝕能力越強。由于奧氏體不銹鋼與雙相鋼元素組分存在差異，尤其是FPREN值起關(guān)鍵作用的N含量，因此雙相鋼較奧氏體不銹鋼抗點腐蝕能力要高很多,但為保證鋼材性能，一般規(guī)定N含量≥0.15%。

在工程設(shè)計中，首先應(yīng)從源頭入手，盡量降低氯離子的含量，比如通過增加循環(huán)水量來降低氯離子含量等手段，再根據(jù)實際工況條件，綜合考慮其安全性、經(jīng)濟性選用合適的材料，但選用雙相鋼材料時，應(yīng)注意以下兩點：

(1)在高氯離子環(huán)境中，無論從安全性、使用壽命以及減少運行成本都具有很大優(yōu)勢，但雙相鋼造價較高，而且目前主要依靠國外市場，采購周期相對較長，設(shè)計時應(yīng)提前規(guī)劃管道走向，減少后期設(shè)計改動量，盡早提供準(zhǔn)確的材料數(shù)量用于采購，以免影響項目工期。

(2)由于氣化工況較為惡劣，雙相鋼雖然耐腐蝕能力較強，但并不意味著不會腐蝕， 故應(yīng)定期進行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道壁厚存在減薄的情況時，應(yīng)視情況更換受損管道。

3.2陶瓷襯里管道

陶瓷襯里管是在碳鋼管道中內(nèi)襯2.5～5mm厚的陶瓷，內(nèi)襯層由陶瓷層(Al2O3，F(xiàn)e2O3)和過渡層組成，過渡層把陶瓷層與鋼管內(nèi)壁牢牢的粘結(jié)成一體。陶瓷的高硬性與鋼管的高韌性、高塑性相結(jié)合，具有良好的耐磨、耐蝕，耐高溫、耐壓和高強度等特點，其價格是無縫鋼管的3倍，但其使用壽命卻比無縫鋼管長30倍，適合用于磨蝕嚴重的管線中。

在排渣流程中，水力旋流器用來維持渣的含固量在1%～1.5%(wt)之間，含固量小于此值的渣水進入循環(huán)灰水冷卻器，大于此值的渣水(灰漿)去酸漿處理。為了控制灰漿管的流量以及減壓排放，在此管線上設(shè)置了限流孔板，導(dǎo)致通過限流孔板后，流速變高，流型發(fā)生變化，對管道的磨蝕極為嚴重，故為降低管道的檢修頻率，保證安全生產(chǎn)，考慮使用耐磨性較好的陶瓷襯里管道，并要求在限流孔板下游10D的管道需襯陶瓷保護(包括限流孔板)，見圖2。

圖2　陶瓷襯里管道示意圖

陶瓷襯里管線設(shè)計時需注意：

(1)為保證渣水流型穩(wěn)定，平滑過度到非襯里管線上，限流孔板下游“10D”采用陶瓷襯里，“10D”是指管段的長度，而不包括法蘭的長度。

(2)由于其制造工藝的特殊性，為保證陶瓷襯里管的內(nèi)徑與相連鋼管內(nèi)徑一致，陶瓷管一般會選用比相應(yīng)鋼管大的法蘭與管道，通常為異徑法蘭。

(3)陶瓷襯里管道不允許采用焊接型支架，否則會破壞其耐腐蝕層。

3.3閥門的選擇

由于渣水含有大量固體硬顆粒，傳統(tǒng)的閥類如閘閥和截止閥都無法適用，金屬硬密封耐磨球閥(全通徑)是目前被普遍認可的一種閥門。不僅工藝介質(zhì)應(yīng)選用全通徑球閥，漿液管道上的排氣、排液管的切斷閥，沖洗水連接閥門也宜選擇全通徑球閥，主要考慮以下兩個方面：

(1)全通徑球閥具有與管道內(nèi)徑完全一致的管道通徑，流體阻力基本為零，不會改變流體的流型，能減小渦流，便于清掃，適合渣水管道選用。

(2)閥門的密封面是閥座與啟閉體互相接觸的部分，極易受到固體顆粒的磨損和介質(zhì)的沖蝕及腐蝕，其密封性隨著服役時間的延長而降低。在渣水介質(zhì)中，球閥的密封面應(yīng)選擇耐磨蝕、耐沖蝕和耐腐蝕的材料，例如用熱噴涂的方法在閥球和閥座處噴涂STELLITE鎳基合金。目前已經(jīng)有專利在閥座采用特殊的刮刀環(huán)設(shè)計，閥門動作時能刮擦粘在閥球上的顆粒介質(zhì)，起到自清潔作用，避免異物刮傷密封面，同時鋒利的邊緣可對體積較大的煤渣切斷，從而確保閥門能夠自如的啟閉，并具有良好的密封性能。

3.4渣水管道連接方式

渣水管道應(yīng)選用對焊或法蘭連接形式，不得使用插焊與螺紋連接(螺紋密封)形式。《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》GB50316-2000中規(guī)定：承插焊連接接頭與螺紋連接(螺紋密封)接頭不能用于有縫隙腐蝕的流體工況中，而渣水管道易發(fā)生沉積，易產(chǎn)生滯留液體，也就易發(fā)生間隙腐蝕。

4渣水管道布置要求

4.1設(shè)備及管道的布置

排渣系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備間均采用串聯(lián)布置的方式，其順序依次是氣化爐、破渣機、渣放料罐、渣鎖斗、撈渣機。排渣系統(tǒng)直接影響氣化爐的支撐高度，而氣化爐是氣化裝置最為重要的設(shè)備，其安裝高度決定著框架的結(jié)構(gòu)(為兼顧氣化框架的穩(wěn)定性及經(jīng)濟性，以氣化爐支撐樓面為界，樓面以下為混凝土結(jié)構(gòu)，樓面以上為鋼結(jié)構(gòu))、總高以及其他相關(guān)設(shè)備安裝高度，在設(shè)計初期就應(yīng)由下而上對排渣設(shè)備及其相關(guān)閥門、管道安裝空間進行核算，準(zhǔn)確確定氣化爐安裝高度。

渣水管道不應(yīng)出現(xiàn)“袋型”，除非有標(biāo)高提升要求，管道應(yīng)布置為“步步低”，并宜設(shè)置坡度，同時管道應(yīng)盡量短，少彎，不要過分追求橫平豎直，管道越短，發(fā)生堵塞的可能性就越小，而且渣水管道材質(zhì)相對較為昂貴，過長的管道會增加投資。

當(dāng)管道改變走向時，應(yīng)采用大曲率半徑的彎管，曲率半徑一般應(yīng)≥4DN，以保證渣水在管道中光滑過渡，減小管線磨蝕。但需注意盡量減少其使用數(shù)量：① 彎管在很大程度上改善了磨蝕現(xiàn)象，但過多的使用同樣會增加系統(tǒng)壓力損失、彎管磨損；② 彎曲處的靜電吸附會使物料吸附在管壁而聚集堵塞管道。

4.2分支管的連接

(1)旁路、支管均應(yīng)從主管的頂部或側(cè)面接入，以避免物料形成滯留區(qū)域腐蝕管道。

(2)支管連接形式，應(yīng)采用Y型三通，支管流向應(yīng)順主管流向斜接，夾角不宜大于45°。渣池循環(huán)水泵出口管就采用了30°的斜三通：① 為減少不合適的流動狀態(tài)對管道造成磨損腐蝕，要求其流動狀態(tài)均勻，避免在介質(zhì)流動方向發(fā)生急劇變化；② 90°三通會對三通形成直接沖擊區(qū)，而Y型三通可以盡量減小其影響，見圖3。

圖3　渣水管道分支連接形式

(3)排液管的正確做法應(yīng)按圖4(b)，彎管形式物料易積聚。

4.3閥門的布置

(1)閥門應(yīng)安裝在物料不宜聚積的位置，若管線上可能出現(xiàn)物料聚集，易堵閥門、部件應(yīng)考慮設(shè)置沖洗、吹掃等措施。閥門應(yīng)盡量水平安裝，若必須垂直安裝時，可考慮在靠近閥門處設(shè)置沖洗接頭等措施，以防止渣水堵塞管道，正確做法見圖4(c)，其中4(d)則不合理，閥門上側(cè)易積液。

圖4　渣水管道排液管

(2)閥門應(yīng)盡量靠近分支處安裝。可以避免當(dāng)某一分支閥門關(guān)閉后，液體聚集、沉降在管道內(nèi)而堵塞管道，形成死端，影響運行。

(3)渣水管道上的調(diào)節(jié)閥應(yīng)與旁路閥布置在同一個平面上或?qū)⑴月烽y布置在調(diào)節(jié)閥的下方，見圖5。

圖5　渣水管道調(diào)節(jié)閥組布置方式

5渣水管道支架設(shè)計

(1)由于渣水管道內(nèi)易出現(xiàn)固/液兩相流，加之某些管線與鎖斗相連接，故在支架的設(shè)計時應(yīng)避免管道的振動，具體可從以下幾方面考慮：①適當(dāng)部位設(shè)置導(dǎo)向架和限位架，同時，承重架、導(dǎo)向架和限位架應(yīng)具有足夠的剛性，若剛度不夠，可能會加劇低頻振動;②適當(dāng)減少支撐跨距，同時在集中載荷處(如在閥門等質(zhì)量集中處)設(shè)置支架，以減小偏心載荷和彎曲應(yīng)力;③盡量采用支架，不宜采用吊桿，因吊架其剛度較小，與管子之間不存在摩擦，故它對管道的柔性限制較小，對管道的水平方向的晃動沒有限制作用，易引起晃動或振動。

(2)渣水管線盡量避免選擇焊接型管道支吊架，而應(yīng)采用管卡(管箍)形式，若不可避免的用到焊接支腿型支吊架時，應(yīng)注意兩點：①支腿材料應(yīng)與被支撐管道相同，為了節(jié)約材質(zhì)，對超長部分(在離管壁200mm以外)可用相同壁厚的碳鋼管對接焊接代替;②考慮到雙相鋼需長周期訂貨，且價格較貴，故選擇支腿時，應(yīng)統(tǒng)一規(guī)格，并盡量選用工藝管線已有規(guī)格。

6結(jié)語

渣水管道不僅具有普通流體的共性，同時具有易磨損、堵塞及振動等特殊性，如果設(shè)計不合理，就會造成管道內(nèi)流體的沉積或堵塞，甚至磨穿管道，給生產(chǎn)運行帶來隱患。因此，需針對物料特點進行合理設(shè)計，保證其安全性及經(jīng)濟性。

參考文獻

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(收稿日期2016-01-15)

*楊柳:工程師。2005年畢業(yè)于江蘇工業(yè)學(xué)院制藥工程專業(yè)。主要從事設(shè)備布置和管道布置工作。聯(lián)系電話：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。