煤直接液化油煤漿加熱爐爐管偏流問題分析及應(yīng)對措施

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(yù)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(yù)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(dāng)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(dǎo)致爐管內(nèi)局部結(jié)焦甚至是大范圍結(jié)焦。因為當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)性能降低

當(dāng)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(xué)性能會降低。

通過下圖表3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dāng)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(yán)重，爐管超溫越高則對金屬材質(zhì)的高溫力學(xué)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(dāng)金屬溫度越高時其形變量越大，所以當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)By正比于氣相質(zhì)量速度，橫坐標(biāo)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(biāo)By不變，但是橫坐標(biāo)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(dǎo)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(dāng)SCHUF油波動或者閥位調(diào)整以后會導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)提高，以增加液相的質(zhì)量流速。

5.2 調(diào)整爐前配氫量

當(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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)。