煤油共煉高壓差排渣裝置技術(shù)改造

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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所， 上海 201108)

煤油共煉技術(shù)是充分利用煤、油在加氫裂化反應(yīng)中的協(xié)同效應(yīng)，將煤粉均勻分散到低品質(zhì)油、煤焦油、環(huán)烷基重油或石油渣油等重質(zhì)油中，單次通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)行加氫裂化反應(yīng)產(chǎn)生輕質(zhì)油品，實(shí)現(xiàn)煤與重油高效轉(zhuǎn)化的技術(shù)。與傳統(tǒng)的煤直接液化制油技術(shù)相比，該技術(shù)具有原料轉(zhuǎn)化率高、煤與重質(zhì)油之間存在協(xié)同效應(yīng)、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、氫耗量低及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)[1-4]，可跨領(lǐng)域解決煤炭和煉油行業(yè)的技術(shù)難題。目前我國(guó)能源資源具有多煤、少油、缺氣的特點(diǎn)，煤油共煉技術(shù)開辟了一條煤制油新途徑，具有良好的應(yīng)用和推廣前景[5-6]。

煤油共煉裝置在高溫、高壓、高固含量的工況下運(yùn)行，氣、液、固三相流幾乎貫穿工藝全過(guò)程，設(shè)備及管線磨蝕狀況尤為嚴(yán)重。某煤油共煉裝置自投產(chǎn)以來(lái)，關(guān)鍵設(shè)備和管線一直存在磨損失效問(wèn)題，特別是懸浮床反應(yīng)器后高壓差排渣裝置中Letdowm柱塞閥閥組磨蝕極為嚴(yán)重。高壓差排渣裝置負(fù)責(zé)將懸浮床反應(yīng)器中410 ℃、20.52 MPa的含固油煤漿降壓至0.8 MPa后排渣。在高溫、高壓、高固含量的苛刻工況下，Letdowm閥組的閥芯、閥座以及后路文丘里短節(jié)磨損嚴(yán)重，最長(zhǎng)連續(xù)使用壽命僅72 h，安全生產(chǎn)存在很大隱患，因此有必要對(duì)該煤油共煉反應(yīng)器高壓差排渣裝置進(jìn)行改造。

1 煤油共煉裝置工藝流程

該煤油共煉裝置基本工藝流程見圖1。裝置以中低階煤與重油為原料，采用懸浮床加氫裂化與固定床加氫裂化在線集成技術(shù)，其中懸浮床加工段采用高效鐵系催化劑-添加劑體系。煤油漿與新氫分別經(jīng)過(guò)預(yù)熱系統(tǒng)，一并進(jìn)入串聯(lián)的平推流懸浮床反應(yīng)器，在反應(yīng)溫度450～470 ℃、反應(yīng)壓力18～22 MPa條件下進(jìn)行加氫裂化反應(yīng)，輕質(zhì)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)高溫、高壓分離器分離后直接進(jìn)入固定床進(jìn)行加氫改質(zhì)。高效鐵系催化劑-添加劑體系可提供更多活化氫，添加劑在反應(yīng)中可以承擔(dān)碳載體的作用，有效延緩了反應(yīng)器及分離系統(tǒng)中的生焦、結(jié)焦程度，從而實(shí)現(xiàn)高惰質(zhì)組煤及重油的高轉(zhuǎn)化率[7-8]。

圖1 煤油共煉裝置基本工藝流程圖

2 高壓差排渣裝置運(yùn)行中存在問(wèn)題及原因分析

懸浮床反應(yīng)器中的含固煤漿通過(guò)柱塞閥后的文丘里管排渣，角形柱塞閥閥芯直徑8 mm，閥前連接懸浮床反應(yīng)器，當(dāng)反應(yīng)器中液位高于中心線液位60 mm時(shí)，打開柱塞閥將含固煤漿放出，經(jīng)過(guò)文丘里管降壓進(jìn)入分離器。柱塞閥每分鐘開關(guān)2～3次，每次工作10～20 s，文丘里管前、后端介質(zhì)壓差大約為20 MPa。進(jìn)料煤粉雜質(zhì)粒徑多為90 μm，最大3 mm，動(dòng)力黏度50 mPa·s。由于工況壓差很大，液態(tài)煤漿在文丘里管節(jié)流孔處壓力急劇下降，流速急劇增加，一部分介質(zhì)轉(zhuǎn)變成氣體形成氣泡，并在下游爆破，可以使局部壓力高達(dá)700 MPa，導(dǎo)致文丘里管壁在高壓差條件下快速損壞，管道通常運(yùn)行不到72 h就會(huì)被撕裂而失效。在柱塞閥法蘭后200 mm處文丘里管破壞最為嚴(yán)重，見圖2。

圖2 柱塞閥后文丘里管磨蝕失效情況

由于柱塞閥的壓差比較高，造成介質(zhì)在閥門下游的流速極大，進(jìn)而引起對(duì)管壁的強(qiáng)烈沖刷。而且煤漿中含有煤粉、催化劑顆粒以及礦物質(zhì)等固體顆粒，加劇了對(duì)管道的破壞速度，這是管道失效的主要原因。除此之外，由于工況的壓差較大，引起煤漿在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)節(jié)流面的沖刷破壞，同時(shí)煤漿中含有雜質(zhì)，更加劇了節(jié)流面的損壞速度，造成柱塞閥的閥芯極易被損壞。柱塞閥閥座及閥芯沖蝕磨損情況見圖3。

圖3 柱塞閥閥座及閥芯沖蝕磨損情況

3 高壓差排渣裝置技術(shù)改造

3.1 多級(jí)孔板分級(jí)降壓

多級(jí)孔板分級(jí)降壓的原理就是根據(jù)多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的工作原理設(shè)置梯度降壓，即類似采用多個(gè)節(jié)流件串聯(lián)的方式，將原本通過(guò)1個(gè)節(jié)流件的壓差分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)節(jié)流件上，從而減少每個(gè)節(jié)流件所承受的壓降。

在本次煤油共煉高壓差排渣裝置的技術(shù)改造過(guò)程中，筆者采用了4級(jí)孔板降壓的方法，使壓降從20.52 MPa逐步平緩地降低到0.86 MPa，控制每級(jí)壓降使之小于阻塞壓差[9-10]，避免孔板后壓力在飽和蒸汽壓以下，進(jìn)而避免汽蝕的產(chǎn)生。

煤漿流過(guò)孔板組件時(shí)的流速分布和壓力變化分別見圖4和圖5。

圖4 煤漿流過(guò)孔板組件時(shí)流速曲線

圖5 煤漿流過(guò)孔板組件時(shí)壓力曲線

從圖4可以看出，流場(chǎng)的高速區(qū)域主要在閥芯、閥座的節(jié)流部位以及孔板組件的節(jié)流口部位，節(jié)流閥閥芯、閥座節(jié)流面處流速最高(可達(dá)70 m/s)，達(dá)到1級(jí)孔板流速的3.5倍，高流速介質(zhì)的沖刷造成了閥芯和閥座的嚴(yán)重破壞。而閥門出口高流速的煤漿通過(guò)孔板組的4級(jí)降壓之后，流道出口流速降為1～6 m/s。

從圖5可以看出，閥芯、閥座節(jié)流面處的壓力高達(dá)20.52 MPa，通過(guò)孔板組的4級(jí)降壓后壓力降至0～0.5 MPa，最高壓力分布區(qū)在閥芯和閥座的節(jié)流口以及孔板組件的節(jié)流口處，從而確定了閥芯、閥座和孔板為需要硬化處理的重點(diǎn)零件。

3.2 孔板級(jí)數(shù)和孔徑計(jì)算

當(dāng)流體經(jīng)過(guò)孔板時(shí)，孔板節(jié)流后的流體壓力等于流體相對(duì)應(yīng)的飽和壓力，此時(shí)流體剛達(dá)到發(fā)生汽蝕的孔板前、后流體壓降成為阻塞壓差[11-12]：

Δps=F1(pin-Ffpw)

(1)

(2)

式中，Δps為阻塞壓差，pin為進(jìn)口壓力，pw為設(shè)計(jì)溫度下的飽和蒸汽壓力，pV為節(jié)流后壓力，pC為煤液化油窄餾分臨界壓力[13]，MPa；F1為壓力恢復(fù)系數(shù)，取值為0.9；Ff為臨界壓力比系數(shù)。

在確保節(jié)流孔板前、后壓差小于阻塞壓差的條件下，每級(jí)孔板的節(jié)流壓降應(yīng)均勻降低，即：

Δp=Δp1級(jí)+Δp2級(jí)+Δp3級(jí)+…+Δpn級(jí)

(3)

式中，Δp為孔板前、后壓差，MPa；n為孔板級(jí)數(shù)。

本高壓差排渣裝置中含固煤漿密度為1 050～1 200 kg/m3，介質(zhì)動(dòng)力黏度為50 mPa·s，每級(jí)孔板后壓力見表1。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到的孔板阻塞壓降為12.48 MPa，由表1看出每級(jí)孔板壓降均小于阻塞壓降，因此孔板不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

表1 排渣裝置各級(jí)孔板后壓力及流量

根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[14]中的相關(guān)要求，節(jié)流孔板孔徑的計(jì)算公式為：

(4)

式中，Dk為節(jié)流孔板的孔徑，mm；qm為質(zhì)量流量，t/h；ρ為流體密度，kg/m3。

考慮煤漿介質(zhì)含有顆粒雜質(zhì)、黏度系數(shù)較高及流動(dòng)性差等因素，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合具體工況要求，需適當(dāng)將孔板的孔徑放大?？紤]孔徑放大對(duì)降壓效果的影響，安裝時(shí)將相鄰的孔板交錯(cuò)放置，達(dá)到控制煤漿流向的目的，同時(shí)可增加煤漿在流道內(nèi)的局部阻力損失。

3.3 排渣裝置組件結(jié)構(gòu)改造

通過(guò)對(duì)懸浮床反應(yīng)器后高壓差排渣裝置中Letdowm柱塞閥閥組的磨蝕特點(diǎn)和文丘里管破壞區(qū)域的分析，發(fā)現(xiàn)流體接觸面磨蝕除了與磨損介質(zhì)特性和流速有關(guān)，主要取決于被磨蝕部件的材質(zhì)。因此，對(duì)多級(jí)孔板組采用碳化鎢整體燒結(jié)技術(shù)，以提高管道的耐沖刷能力，抵抗高速流體的沖刷和氣蝕，從而提高管道的使用壽命。

考慮到介質(zhì)對(duì)管道壁的沖刷較為嚴(yán)重，設(shè)計(jì)中在孔板前、后增加了文丘里管過(guò)渡段，可以逐漸緩沖介質(zhì)對(duì)管道內(nèi)壁的沖刷。由于介質(zhì)在柱塞閥閥座處的流速極高，而且介質(zhì)中含有雜質(zhì)，高速的噴射流直接作用在閥后第1級(jí)孔板的軸心部位，對(duì)孔板造成嚴(yán)重的沖蝕，因此對(duì)第1級(jí)孔板軸心部位進(jìn)行加厚處理。

改造后排渣裝置組件結(jié)構(gòu)見圖6。

1.排渣組件 2.其他級(jí)孔板 3.排放管組件 4.第2級(jí)孔板 5.壓塊 6.第1級(jí)孔板 7.文丘里管過(guò)渡段 圖6 改造后排渣裝置組件結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的煤制油反應(yīng)器文丘里管排渣裝置相比，本排渣裝置從結(jié)構(gòu)上解決了介質(zhì)高壓差的問(wèn)題，避免了高流速介質(zhì)沖刷造成的閥芯和文丘里管節(jié)流面的快速嚴(yán)重破壞。

20.52 MPa高壓煤漿從排渣組件進(jìn)入，經(jīng)過(guò)交錯(cuò)放置的孔板控制介質(zhì)流向，使高壓煤漿流向由直線變?yōu)榍€[15]，增加了煤漿流動(dòng)方向的無(wú)序性，提高了介質(zhì)在流道內(nèi)的局部阻力損失，從而減少煤漿對(duì)孔板和排放管壁的沖擊。第1級(jí)和第2級(jí)孔板可采用多孔降壓結(jié)構(gòu)，其他孔板采用單孔結(jié)構(gòu)，以分散介質(zhì)流速，使壓力平穩(wěn)下降，避免因急變高壓差壓降而發(fā)生汽蝕沖擊。

對(duì)所有節(jié)流面噴焊特種合金或整體碳化鎢燒結(jié)，對(duì)與流體介質(zhì)接觸面進(jìn)行硬化處理[16-17]，使其具有良好的耐磨性能。將相鄰的孔板通孔交錯(cuò)放置，孔板之間還設(shè)置有定位壓塊，孔板和壓塊采用熱套工藝安裝到排渣通孔內(nèi)。

4 高壓差排渣裝置改造效果

懸浮床反應(yīng)器后部高壓差排渣裝置改造后投用，運(yùn)行1 000 h后對(duì)排渣裝置煤漿出、入口孔板組進(jìn)行停車檢查，運(yùn)行狀況見圖7。

圖7 煤漿出入口孔板運(yùn)行1 000 h后狀況

從圖7可以看出，增加了多級(jí)降壓孔板之后，Letdowm柱塞閥的閥芯、閥座沒(méi)有磨損現(xiàn)象，排渣裝置上多級(jí)孔板通孔沒(méi)有磨損擴(kuò)大，孔板組沒(méi)有與排渣通道脫離。對(duì)排渣組件后的文丘里管和排渣管道進(jìn)行測(cè)厚檢查，最大減薄量約1 mm，壁厚遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)厚度21 mm，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范要求，仍可繼續(xù)使用。高壓差排渣裝置多級(jí)降壓孔板采用碳化鎢整體燒結(jié)處理，提高了管道的耐沖刷能力，經(jīng)過(guò)優(yōu)化布置孔板通孔和孔板位置，可使高壓煤漿均勻降壓，減緩了柱塞閥閥芯的磨蝕。若對(duì)流體管內(nèi)壁噴焊鎳基碳化鎢合金，可確保其使用壽命由1 000 h延長(zhǎng)至2 000 h以上，減少運(yùn)行中的安全隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

煤油共煉裝置懸浮床反應(yīng)器后高壓差排渣裝置中Letdowm柱塞閥閥組等關(guān)鍵部件的磨蝕問(wèn)題一直制約著裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)高壓差排渣裝置采用多級(jí)孔板分級(jí)降壓、孔板組碳化鎢整體燒結(jié)、與流體介質(zhì)接觸面硬化處理等措施進(jìn)行改造后，將原僅使用72 h的關(guān)鍵部件使用壽命大幅延長(zhǎng)至數(shù)千小時(shí)。改造后的排渣裝置結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)且便于安裝和檢修，可確保煤油共煉裝置長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，對(duì)類似煤油共煉裝置改造具有一定的借鑒意義。

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