煤直接液化工業(yè)裝置磨損規(guī)律分析及其預(yù)防

王喜武，李家順

(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

我國煤炭資源豐富，目前累計(jì)探明煤儲(chǔ)量為10 018億t, 煤儲(chǔ)量占已探明的各種能源(煤炭、石油、天然氣等)總儲(chǔ)量的90%。充分利用儲(chǔ)量豐富的煤炭資源,大力開發(fā)替代石油的技術(shù)，多元化降低能源風(fēng)險(xiǎn),及早考慮能源的多樣化是普遍共識(shí)[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)與石油消費(fèi)構(gòu)成比例失調(diào)，面對常規(guī)能源的短缺及開發(fā)利用的負(fù)環(huán)境效應(yīng)，政府需加速構(gòu)建“穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全”的新能源體系[2]。因此，煤炭的高效、清潔利用，對我國能源風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力的提升、環(huán)境污染的治理意義重大，煤液化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化已成為當(dāng)務(wù)之急。煤液化技術(shù)路線主要包括直接液化和間接液化兩種形式。

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司運(yùn)營著世界首條、全球唯一的百萬噸級(108萬t/a)煤直接液化生產(chǎn)線，被列為國家重點(diǎn)戰(zhàn)略工程[3]。煤直接液化工藝主要產(chǎn)品有柴油、石腦油、汽油、液化石油氣。煤直接液化油品和石油基油品相比，具有大比重、高體積熱值、高體積比熱容、高熱安定性、低硫、低氮、低芳烴、低凝點(diǎn)的優(yōu)良特性。世界首套百萬噸級煤直接液化示范工程中的輸運(yùn)系統(tǒng)(閥門、管線、泵等設(shè)備)在含固多相流的沖蝕磨損下經(jīng)受著嚴(yán)重的考驗(yàn)，系統(tǒng)的“安、穩(wěn)、長、高、優(yōu)”運(yùn)行是確保企業(yè)安全生產(chǎn)、取得最高效益的有力保障[3]。裝置經(jīng)過生產(chǎn)運(yùn)行暴露出較多問題，其中管線及設(shè)備磨損問題尤為突出，給裝置安穩(wěn)運(yùn)行帶來影響。本文將對煤直接液化工藝中管線及設(shè)備磨損問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究分析，此問題目前無可借鑒的處理經(jīng)驗(yàn)，故此問題的研究分析與解決措施只有依據(jù)本裝置的改造運(yùn)行效果進(jìn)行評價(jià)分析。

1 煤直接液化工藝

煤直接液化的基本原理是在高溫(400～480 ℃)、高壓(10～30 MPa)、臨氫條件下，將煤炭大分子的橋鍵打斷，并補(bǔ)充氫原子，使其成為穩(wěn)定的小分子，液態(tài)小分子進(jìn)一步加氫精制、加氫提質(zhì)，將芳環(huán)飽和，除去雜原子，加工成合格油品。煤直接液化工藝主要由粉煤制備、催化劑制備、煤直接液化、加氫穩(wěn)定、加氫改質(zhì)、輕烴回收、制氫、液化瀝青成型等裝置組成。

煤直接液化工藝流程如圖1所示。粉煤制備裝置完成磨煤、干燥、輸送等工序。煤直接液化催化劑以液氨為原料、FeSO4為溶液、煤粉為載體，用化學(xué)合成法完成制備。在煤液化裝置內(nèi)，粉煤、催化劑混合物經(jīng)高壓油煤漿進(jìn)料泵和加熱爐完成升壓、升溫后，進(jìn)入2個(gè)串聯(lián)的懸浮床反應(yīng)器，在高溫、高壓、臨氫條件下進(jìn)行煤的熱解加氫生成液化油。液化油經(jīng)過煤液化裝置的常減壓塔進(jìn)行分餾處理，液體產(chǎn)品在加氫穩(wěn)定裝置完成進(jìn)一步的加氫反應(yīng)，同時(shí)提供滿足煤液化條件的循環(huán)供氫溶劑[4-6]。分離過程中減壓塔底含固50%的煤液化瀝青產(chǎn)品被送至液化瀝青成型裝置處理。加氫改質(zhì)裝置對加氫穩(wěn)定后的液化油再次加氫提質(zhì)，得到滿足一定國家標(biāo)準(zhǔn)的石腦油、柴油等產(chǎn)品。輕烴回收裝置將生產(chǎn)過程中氫氣、液化氣、石腦油進(jìn)行回收、加工、分離后再次利用。

圖1 煤直接液化工藝流程

2 磨損腐蝕失效分析及改進(jìn)措施

煤直接液化工藝介質(zhì)組分復(fù)雜，介質(zhì)含固，工藝條件苛刻，介質(zhì)輸送管線及設(shè)備內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)磨損腐蝕失效的情況[7]。磨損沖蝕多發(fā)生在低壓油煤漿系統(tǒng)、高壓沖洗油系統(tǒng)、高壓反應(yīng)系統(tǒng)、減壓分餾系統(tǒng)的流速變化位置。如儀表減壓閥閥后管線，低壓油煤漿泵、分餾裝置減壓閥后長半徑彎頭處、減壓塔入口等位置，原設(shè)計(jì)是對此類管路磨損考慮不足，一旦出現(xiàn)泄漏將造成較大危害，極易發(fā)生裝置大面積泄漏著火等事故。煤直接液化工藝管線及設(shè)備易磨損部位如圖2所示。

位置1-低壓油煤漿進(jìn)料泵；位置2-低壓油煤漿返回管線；位置3-熱高分高壓差減壓閥；位置4-常壓塔入口控制閥閥后彎頭；位置5-減壓塔入口閥及襯套圖2 煤直接液化工藝易磨損部位示意

2.1 低壓油煤漿管線磨損及改進(jìn)

粉碎篩選合格后的煤粉與高中溫溶劑油混合，同時(shí)加入催化劑油漿形成含固量50%的液態(tài)油煤漿，經(jīng)過低壓油煤漿進(jìn)料泵送至高壓油煤漿進(jìn)料泵加壓，然后送到煤漿加熱爐與混氫進(jìn)行加熱。

高壓油煤漿進(jìn)料泵入口返回管線共兩路，即大循環(huán)線和小循環(huán)線?；緟?shù)為：固含量47%～50%、溫度175 ℃、平均介質(zhì)流速1.6 m/s，流量調(diào)節(jié)閥的形式為偏心旋轉(zhuǎn)閥，前后壓差約為0.75 MPa。大小循環(huán)線各有一套控制閥組，用來對高壓油煤漿進(jìn)料泵入口流量和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保障進(jìn)料泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。但較高固含量的流體經(jīng)過偏心旋轉(zhuǎn)閥后流體發(fā)生加速的同時(shí)產(chǎn)生偏流，導(dǎo)致后路管線磨損嚴(yán)重，極易在短時(shí)間內(nèi)沖蝕泄漏導(dǎo)致著火等隱患。低壓油煤漿管線運(yùn)行3個(gè)月磨蝕情況如圖3所示。

為了避免發(fā)生磨損導(dǎo)致泄漏，將管道壁厚由原始設(shè)計(jì)的SCH80 提升為SCH100，并在控制閥閥后管線內(nèi)壁堆焊非晶態(tài)納米耐磨材料，形成閥后耐磨短管，同時(shí)每3個(gè)月下線控制閥組對后路管線沖蝕情況進(jìn)行直觀檢查。經(jīng)過改進(jìn)后，運(yùn)行周期內(nèi)再無泄漏情況發(fā)生，節(jié)省大量維修費(fèi)用的同時(shí)保障了裝置的安全運(yùn)行。

圖3 低壓油煤漿管線運(yùn)行3個(gè)月磨蝕情況

2.2 高溫含固耐磨油煤漿泵磨損及改進(jìn)

煤直接液化工藝中，為了輸送高溫高含固油煤漿，采用了大量耐磨離心泵。在裝置長周期運(yùn)行中，由于介質(zhì)高溫含固的原因，泵的葉輪、襯套等內(nèi)件磨損嚴(yán)重，影響整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這種情況主要發(fā)生在煤漿制備系統(tǒng)的低壓油煤漿泵、常減壓塔底泵。低壓油煤漿泵主要是將混合好的油煤漿輸送到高壓油煤漿進(jìn)料泵入口升壓后進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。減壓塔底泵主要是用來輸送減壓塔底含固50%煤液化瀝青，大部分去液化瀝青成型裝置進(jìn)行處理，使用溫度可達(dá)345 ℃，最大黏度166 mPa·s。

此類型泵自2008年運(yùn)行以來存在較多故障，單臺(tái)泵運(yùn)行周期僅為1 400 h，不僅造成維護(hù)檢修工作量大，且運(yùn)行介質(zhì)溫度較高，介質(zhì)易燃易爆，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。通過對一個(gè)運(yùn)行周期的故障統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該類型泵主要故障原因集中在泵體過流部件，如葉輪、泵體襯里因沖刷嚴(yán)重造成泵流量降低等方面。機(jī)泵內(nèi)部件磨損情況如圖4所示。

圖4 機(jī)泵內(nèi)部件磨損情況

通過檢修拆檢分析發(fā)現(xiàn)，副葉片外緣處的相對速度較大，并且靠近隔舌處的葉片外緣相對速度要大于其他葉片外緣相對速度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)流體沿著相對速度方向?qū)τ诟比~片壓力面的撞擊是造成副葉片壓力面磨損的原因之一，并且隔舌處的局部高壓引起葉片掃過隔舌時(shí)的相對速度較大。速度環(huán)量與渦量同樣是表征漩渦強(qiáng)度的兩個(gè)重要參數(shù)。速度環(huán)量較大的區(qū)域主要集中在副葉片外緣吸力面附近，并且靠近隔舌處最為明顯?？梢哉J(rèn)為，這種較大漩渦強(qiáng)度引起的二次流撞擊是造成副葉片吸力面磨損的主要原因之一[8]。副葉片磨損情況如圖5所示。

圖5 副葉片磨損情況

由仿真模擬分析出的磨損率與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相吻合，根據(jù)多個(gè)位置的仿真模擬計(jì)算后，最終設(shè)計(jì)出一款適合煤直接液化工藝的耐磨離心泵泵體結(jié)構(gòu)。同時(shí)將泵的材質(zhì)進(jìn)行升級，外殼體采用奧氏體304不銹鋼，以保證高溫狀態(tài)下的機(jī)械性能，內(nèi)殼體采用耐磨白口鑄鐵材質(zhì)KmTBCr26，形成泵的整個(gè)流道，承受介質(zhì)磨損。通過技術(shù)改造，大大降低了進(jìn)口備件采購的費(fèi)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化的應(yīng)用，機(jī)泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間由原來的1 400 h增加到目前的7 200 h以上，泵體過流部件磨損問題基本解決。

2.3 高壓差減壓閥磨損及改進(jìn)

熱高分底部的高壓差減壓閥是煤直接液化工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一，是影響裝置長周期運(yùn)行的關(guān)鍵閥門。裝置運(yùn)行初期閥門周期短、切換過程復(fù)雜、碳化鎢閥芯易碎幾個(gè)關(guān)鍵問題凸顯。同時(shí)高壓差減壓閥操作條件復(fù)雜，處在高溫、高壓差、高含固的條件下，閥門最高壓差達(dá)到16 MPa。裝置運(yùn)行初期該閥門是從德國進(jìn)口，專為煤直接液化工藝而設(shè)計(jì)的，用于控制熱高分液位，同時(shí)進(jìn)行快速減壓，將高壓系統(tǒng)的高壓介質(zhì)降至中壓系統(tǒng)壓力，快速減壓的過程中閥門內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕現(xiàn)象，因此閥芯及襯套磨損非常嚴(yán)重[9]。

高壓差減壓閥材質(zhì)為ASTM A351 CF8C，閥座和閥芯均采用碳化鎢耐磨材料，實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)碳化鎢極易在高頻振動(dòng)的情況下發(fā)生損壞，開工初期只能維持3～4 d，嚴(yán)重地影響了裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。高壓差減壓閥襯套和閥芯磨損情況如圖6所示。

圖6 高壓差減壓閥襯套和閥芯磨損情況

經(jīng)過多次碳化鎢噴涂、激光熔覆碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢等多次試驗(yàn)后，最終掌握了提高復(fù)合材料抗磨性的方法。同時(shí)將閥門內(nèi)部的4個(gè)襯套整合成1個(gè)整體襯套，材質(zhì)更換為TP347，襯套內(nèi)部噴焊非晶態(tài)納米抗磨材料，使用銷釘進(jìn)行固定。通過改造，從根本上消除了閥體振動(dòng)對閥門內(nèi)件造成的影響，閥門由最初的只能運(yùn)行幾十小時(shí)到現(xiàn)在的穩(wěn)定運(yùn)行2 700 h以上，從而解決了純碳化鎢易破裂的問題，大程度地延長了使用壽命，保障了裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 常壓塔入口大彎管磨損及改進(jìn)

煤直接液化分餾系統(tǒng)將反應(yīng)系統(tǒng)的高溫中壓分離器底部液化油送至常壓塔，常壓塔底部物料經(jīng)過減壓加熱爐加熱后送至減壓塔進(jìn)行減壓分離，減底物料送至液化瀝青成型裝置，形成最后的煤直接液化固體產(chǎn)品——煤液化瀝青。由于閥門及管線通過變徑等方法進(jìn)行減壓，高流速經(jīng)過液控閥后引起偏流導(dǎo)致磨損，主要磨損發(fā)生在高溫中壓分離器底部去常壓塔液控閥閥后45°彎管，由于熱中分底部物料經(jīng)過液控閥調(diào)節(jié)流量后，介質(zhì)發(fā)生偏流引起后路彎管發(fā)生嚴(yán)重沖蝕，彎頭管徑壁厚50.1 mm、材質(zhì)為F347H，管路設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa、設(shè)計(jì)溫度380 ℃。大彎管沖蝕情況如圖7所示。

圖7 大彎管沖蝕情況

為解決這一問題，經(jīng)過分析對比采用激光熔覆工藝進(jìn)行改造。激光熔覆是用高能量密度的激光束將合金粉末涂層與工件表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性[10]。彎管內(nèi)表面重新清理打磨后熔覆一層高強(qiáng)度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的合金。熔覆層厚度2～3 mm，熔覆材料為鈷基合金或強(qiáng)化鎳基合金粉末。鈷基合金涂層硬度可達(dá)HV1000以上，在相同工況下，使用壽命是不銹鋼的10倍，且耐腐蝕性能強(qiáng)。經(jīng)過改進(jìn)后該處沖蝕情況大大改善，達(dá)到了良好的改造效果。

3 結(jié)論

(1)通過分析煤直接液化工藝發(fā)生的磨損部位規(guī)律發(fā)現(xiàn)，煤直接液化工藝中管線及設(shè)備磨損問題主要是由于物料高固含量、高介質(zhì)流速、介質(zhì)流體偏流、產(chǎn)生相變氣蝕等作用的結(jié)果。

(2)根據(jù)磨蝕產(chǎn)生的原因制定了相應(yīng)的解決措施：適當(dāng)提高管線原始壁厚、管道內(nèi)部堆焊新型耐磨材料、優(yōu)化輸送固含量介質(zhì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料提高表面硬度等。

(3)通過對以上各磨損部位的改造及優(yōu)化措施的實(shí)施，有效降低了整個(gè)工藝過程中管道及設(shè)備的磨損，為根本解決此問題提供了方向，這對進(jìn)一步研究管線及設(shè)備磨損問題的原因及徹底解決該問題都有非常重要的指導(dǎo)作用。