多元料漿氣化閃蒸系統(tǒng)存在的問題及解決

丁海洋，王小軍

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500）

1 概 述

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司（簡稱榆林能化）600 kt／a甲醇項目氣化裝置采用多元料漿氣化工藝，配置3臺氣化爐（兩開一備），氣化裝置產(chǎn)生的氣化黑水采用三級閃蒸工藝進(jìn)行處理：氣化爐黑水和洗滌塔黑水分別通過黑水角閥減壓后進(jìn)入氣化高溫?zé)崴骱拖礈旄邷責(zé)崴鳎▔毫?.9 MPa）減壓閃蒸，閃蒸出的氣體通過灰水加熱器冷卻后部分冷凝，凝液進(jìn)入高壓閃蒸分離器，閃蒸出的氣體送去汽提塔用作汽提氣，高壓閃蒸分離器中產(chǎn)生的高溫凝液則送去除氧槽；經(jīng)氣化高溫?zé)崴骱拖礈旄邷責(zé)崴鏖W蒸后的黑灰水分別通過角閥減壓后進(jìn)入低溫?zé)崴?，通過低溫?zé)崴鳎▔毫?.15 MPa）進(jìn)一步閃蒸，黑水被濃縮，閃蒸出的氣體送去除氧槽加熱低壓灰水除氧，低溫?zé)崴鞯撞康暮谒ㄟ^黑水角閥減壓后進(jìn)入真空閃蒸器；在真空閃蒸器中，通過真空泵控制黑水在-0.06 MPa壓力下閃蒸，閃蒸出的真閃氣從真空閃蒸器頂部排出，底部的黑水則通過澄清槽給料泵送入澄清槽。

2 氣化閃蒸系統(tǒng)存在的問題

榆林能化氣化裝置2014年7月投運，2016年以前氣化閃蒸系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，其后在氣化爐負(fù)荷由79 m3／h（入爐煤漿量，下同）提升至88 m3／h、單臺氣化爐運行周期提升至85～90 d（正常運行周期為65～70 d）的超負(fù)荷長周期運行工況下，為保證氣化裝置熱負(fù)荷的平衡，不得不加大黑水排量，導(dǎo)致閃蒸系統(tǒng)出現(xiàn)了如下問題：①黑水減壓角閥PV001和PV010閥芯、閥座磨損嚴(yán)重；②黑水減壓角閥PV001、PV010閥后大小頭磨穿；③緩沖罐底板磨穿。其中，黑水減壓角閥PV001、PV010閥后大小頭磨穿及緩沖罐底板磨穿問題尤為突出，2018年多次出現(xiàn)這兩方面的問題，由于無法進(jìn)行帶壓補焊堵漏，導(dǎo)致對應(yīng)的氣化爐被迫減負(fù)荷運行并放空泄壓。

3 原因分析

大量黑水刺漏不僅影響氣化爐的平穩(wěn)、高負(fù)荷、長周期運行，而且影響到氣化廢水的水質(zhì)，給整個氣化裝置的生產(chǎn)操作帶來諸多不利影響。于是，有關(guān)工藝、設(shè)備技術(shù)人員從設(shè)備（或部件）材質(zhì)和實際工況兩方面對問題原因進(jìn)行了認(rèn)真分析與查找。

3.1 設(shè)備（或部件）材質(zhì)

3.1.1 黑水減壓角閥材質(zhì)

榆林能化氣化閃蒸系統(tǒng)黑水減壓角閥PV001、PV010閥芯、閥座及閥后大小頭采用的是316LL不銹鋼，閥芯外包有一層碳化鎢耐磨材料，但閥芯外包的碳化鎢耐磨材料很薄，一般不到1個運行周期就被沖刷磨損了，碳化鎢耐磨材料層磨掉后，316LL不銹鋼起不到防磨作用，其很快磨損后導(dǎo)致流體出現(xiàn)偏噴。

3.1.2 緩沖罐材質(zhì)

榆林能化氣化閃蒸系統(tǒng)緩沖罐原始設(shè)計采用的是16Mn優(yōu)質(zhì)低合金鋼，其含碳量為0.10%～0.25%，加入的主要合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、礬（V）、鈮（Nb）、鈦（Ti）等，具有綜合性能好、低溫性能好、冷沖壓性能及焊接性能好等特性。實際生產(chǎn)中，由于黑水固含量較高（固含量1.5%～2.0%），且黑水減壓角閥前后壓差大，在流體高速流動下產(chǎn)生了較大的沖刷力，而16Mn優(yōu)質(zhì)低合金鋼抗固體顆粒沖刷性能差一些，當(dāng)氣化爐運行到后半周期（1個運行周期一般為85～90 d）時，便出現(xiàn)了緩沖罐底板及黑水減壓角閥PV001、PV010閥后大小頭磨穿刺漏的問題。

3.2 氣化閃蒸系統(tǒng)實際工況

原始設(shè)計負(fù)荷下，氣化爐排黑水、洗滌塔排黑水、出氣化高溫?zé)崴骱谒?、出洗滌高溫?zé)崴骱谒⒊龅蜏責(zé)崴骱谒墓毯糠謩e為1.56%、1.08%、1.70%、1.30%、1.81%；而實際超負(fù)荷運行工況下，氣化爐排黑水、洗滌塔排黑水、出氣化高溫?zé)崴骱谒?、出洗滌高溫?zé)崴骱谒⒊龅蜏責(zé)崴骱谒墓毯糠謩e為1.78%、1.10%、1.90%、1.51%、2.00%。由于氣化爐排黑水和洗滌塔排黑水流量波動大且固含量高，大量的黑水不能穩(wěn)定流動，而是以湍流的形式在各設(shè)備（或部件）內(nèi)流動，這樣的擾動流型加大了對設(shè)備（或部件）的沖刷磨損。

3.2.1 運行工況對角閥閥芯、閥座的影響

榆林能化氣化閃蒸系統(tǒng)黑水減壓閥采用的是角閥，角閥不僅會改變介質(zhì)的流向，而且還起節(jié)流減壓的作用，由于實際工況中閥門開度較?。ㄐ∮?0%），加之黑水固含量基本上在1.50%～2.00%之間，易造成角閥閥芯和閥座不同程度磨損；當(dāng)運行到每個運行周期后期時，由于角閥閥芯和閥座的磨損，角閥開度會關(guān)到10%以內(nèi)以控制黑水流量穩(wěn)定，如此變相加劇了角閥的磨損，局部磨損到一定程度時流體便會出現(xiàn)偏噴。

3.2.2 運行工況對角閥閥后大小頭的影響

當(dāng)黑水減壓角閥出現(xiàn)磨損后，閥后流體流向就會不均勻，出現(xiàn)偏噴，使得閥后大小頭內(nèi)噴頭某個方位磨損嚴(yán)重，沖刷一定時間后噴頭也開始出現(xiàn)偏噴，對大小頭內(nèi)壁造成不斷沖刷，直到磨穿而出現(xiàn)刺漏。

3.2.3 運行工況對緩沖罐底板的影響

（1）原始設(shè)計中，氣化高溫?zé)崴骶彌_罐高度為1 015 mm，洗滌高溫?zé)崴骶彌_罐高度為1 562 mm，其底板厚度均為30 mm。實際運行工況下，角閥閥前壓力為5.6 MPa、閥后壓力為0.9 MPa，閥前后壓差較大，介質(zhì)沖刷力度較大，這樣一直沖刷著緩沖罐底板，緩沖罐底板不斷減薄直至出現(xiàn)刺漏。

（2）原始設(shè)計中，低溫?zé)崴骶彌_罐高度為905 mm，其底板厚度同樣為30 mm。低溫?zé)崴鹘情y前后壓差雖然只有0.75 MPa，相較于高溫?zé)崴鹘情y前后壓差而言小了很多，但由于低溫?zé)崴鲗谒M(jìn)行了進(jìn)一步濃縮，其進(jìn)口黑水固含量已達(dá)1.51%～1.90%（超過設(shè)計值），這樣的高固含量介質(zhì)對低溫?zé)崴骶彌_罐底板的沖刷是相當(dāng)嚴(yán)重的，緩沖罐底板不斷減薄直至出現(xiàn)刺漏。

4 優(yōu)化改進(jìn)措施

4.1 設(shè)備（或部件）材質(zhì)改進(jìn)

4.1.1 黑水減壓角閥材質(zhì)的改進(jìn)

鑒于黑水減壓角閥PV001、PV010運行1個周期后，由于閥芯表面碳化鎢耐磨涂層全部被沖刷磨損掉，更換閥芯價格昂貴，且頻繁對黑水減壓角閥下線維修工作量大、工期長、費用高，經(jīng)設(shè)備技術(shù)人員和儀表人員共同探討，決定將黑水減壓角閥PV001、PV010閥芯及閥座改用司太立合金涂層。司太立合金是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的硬質(zhì)合金，即通常所說的鈷鉻鎢（鉬）合金或鈷基合金，具有較強的耐磨性、耐腐蝕性，常用作介質(zhì)中有顆粒、開關(guān)比較頻繁的閥芯及閥座的涂層，用焊條堆焊在黑水減壓閥的閥芯及閥座后并打磨光滑。

4.1.2 緩沖罐底板磨損的解決

在氣化高溫?zé)崴骶彌_罐、洗滌高溫?zé)崴骶彌_罐、低溫?zé)崴骶彌_罐底部增設(shè)1塊40 mm厚的防沖緩沖板，防沖緩沖板材質(zhì)為NM450（NM450是一種高強度耐磨材料，主要用在耐磨場合或部位，為設(shè)備提供保護(hù)，以延長設(shè)備的使用壽命），其外徑略小于緩沖罐內(nèi)徑，通過焊條堆焊的方式固定在緩沖罐底部。

4.2 閃蒸系統(tǒng)運行工況優(yōu)化

4.2.1 調(diào)整高溫?zé)崴骶彌_罐高度

黑水減壓角閥前后壓差大，流體沖刷力大，再加上黑水減壓角閥閥后大小頭內(nèi)設(shè)有噴頭，即使增設(shè)了防沖緩沖板，流體對緩沖罐底部防沖緩沖板的沖刷也不小，為此，決定增加緩沖罐高度——氣化高溫?zé)崴骶彌_罐高度由1 015 mm增至2 055 mm、洗滌高溫?zé)崴骶彌_罐高度由1 562 mm增至2 355 mm，利用緩沖罐內(nèi)蓄水靜壓抵消一部分流體沖刷力，以便盡可能降低流體對緩沖罐底部防沖緩沖板的沖刷。

4.2.2 氣化爐出口黑水調(diào)節(jié)閥改型

原設(shè)計中，氣化爐排黑水管路上設(shè)有2個自動調(diào)節(jié)閥——氣化爐出口黑水調(diào)節(jié)閥和氣化高溫?zé)崴魅肟谇昂谒疁p壓角閥。氣化爐出口黑水調(diào)節(jié)閥是一個偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，其特點是閥體流道近似一個圓筒，流體阻力小，有少量泄漏，安裝方便；氣化高溫?zé)崴魅肟谇昂谒疁p壓角閥的作用是對黑水進(jìn)行節(jié)流減壓。

角形調(diào)節(jié)閥節(jié)流效果明顯，偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量過程中前后壓差幾乎一致。于是，將氣化爐出口偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥改型為角形調(diào)節(jié)閥，通過角形調(diào)節(jié)閥的節(jié)流減壓作用降低黑水減壓角閥前后的壓差，進(jìn)而降低對相關(guān)設(shè)備的沖刷磨損。改型后，氣化爐出口黑水減壓角閥閥前壓力由5.6 MPa降至5.0 MPa，而改型前后氣化高溫?zé)崴鲏毫鶠?.9 MPa，即黑水減壓角閥前后壓差由4.7 MPa降至了4.1 MPa，這在一定程度上減輕了黑水對減壓角閥的沖刷磨損。

4.2.3 控制氣化爐排黑水量

原始設(shè)計氣化爐滿負(fù)荷（入爐煤漿量79.5 m3／h）運行工況下排黑水量為160 m3／h，在氣化爐負(fù)荷提升至入爐煤漿量為88 m3／h時，為控制氣化爐的熱負(fù)荷，榆林能化將氣化裝置的排黑水量調(diào)整至180～200 m3／h，但長期觀察發(fā)現(xiàn)，氣化爐排黑水量過大導(dǎo)致大量灰渣不能及時沉降到激冷室底部并通過鎖斗循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)入鎖斗，而是通過氣化爐排黑水被帶到了閃蒸系統(tǒng)，導(dǎo)致氣化爐排黑水固含量高。于是，通過工況優(yōu)化調(diào)整，將氣化爐排黑水量控制在160 m3／h。優(yōu)化調(diào)整后，由于工藝氣熱負(fù)荷增加及水系統(tǒng)自平衡，氣化爐激冷室部分表層液體被帶到了洗滌塔中，洗滌塔出口工藝氣溫度略有上漲，氣化爐激冷室液位基本上沒有變化，氣化爐排黑水量的減少增加了灰渣的靜態(tài)沉降時間，絕大部分的灰渣都能通過鎖斗循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)入鎖斗中，這一點可以從撈渣機(jī)的電流變化中得到印證——優(yōu)化調(diào)整前鎖斗排渣前撈渣機(jī)電流為12.7 A、鎖斗排渣后撈渣機(jī)最高電流為14.3 A，優(yōu)化調(diào)整后鎖斗排渣前撈渣機(jī)電流為12.7 A、鎖斗排渣后撈渣機(jī)最高電流為14.9 A。

4.2.4 控制工藝氣的熱負(fù)荷

氣化爐排黑水量減少后，工藝氣的熱負(fù)荷有所增加，洗滌塔出口工藝氣溫度由工況調(diào)整前的237.1℃上漲到238℃，由于系統(tǒng)壓力沒有變化，當(dāng)洗滌塔出口工藝氣溫度升高后，系統(tǒng)飽和蒸氣壓也隨之升高，可能導(dǎo)致大量洗滌水汽化后隨工藝氣進(jìn)入變換系統(tǒng)。因此，為防止入變換系統(tǒng)工藝氣帶水，將洗滌塔液位由55%提高到60%，即通過增加工藝氣的水浴時間控制其熱負(fù)荷。優(yōu)化調(diào)整后，洗滌塔出口工藝氣溫度降至237.4℃。

5 優(yōu)化改進(jìn)效果

（1）用司太立合金堆焊的黑水角閥閥芯及閥座打磨后雖然其密封性略有下降，但其耐磨性增強，再加上將氣化爐出口黑水偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥改型為了角形調(diào)節(jié)閥，適當(dāng)降低了黑水減壓角閥前后的壓差，生產(chǎn)中黑水減壓角閥的閥位可基本保持不變——控制在10%～15%，黑水流量相當(dāng)穩(wěn)定；同時，黑水減壓閥閥芯及閥座下線檢修周期由原來的每1個運行周期1次降為了每3個運行周期1次。

（2）用司太立合金堆焊黑水減壓角閥閥芯及閥座后，大大提高了黑水減壓角閥的耐磨性，抑制了黑水的偏噴，在氣化閃蒸系統(tǒng)運行3個周期后，停車檢查發(fā)現(xiàn)黑水減壓角閥后大小頭內(nèi)壁只有輕微沖刷痕跡，大小頭內(nèi)噴頭沖刷減薄。

（3）緩沖罐底板采用防磨措施后，氣化閃蒸系統(tǒng)在1個運行周期內(nèi)沒有發(fā)生過一起緩沖罐底板磨穿刺漏事件，不過每次停車后拆檢發(fā)現(xiàn)防沖緩沖板與緩沖罐的焊縫有脫開現(xiàn)象，須重新焊接加固，整個防沖緩沖板雖有一定程度磨損，但無需更換，可4個運行周期更換1次，緩沖罐底板無需頻繁更換，成功解決了氣化高溫?zé)崴?、洗滌高溫?zé)崴骶彌_罐底板頻繁磨穿刺漏的問題，大大縮短了氣化閃蒸系統(tǒng)的檢修工期。

6 結(jié)束語

榆林能化氣化閃蒸系統(tǒng)設(shè)備（或部件）材質(zhì)改進(jìn)及運行工況優(yōu)化調(diào)整后，2019年至今氣化閃蒸系統(tǒng)沒有發(fā)生過一起黑水減壓角閥閥后大小頭及緩沖罐底板磨穿事件，黑水減壓閥閥芯及閥座下線檢修周期明顯延長，氣化閃蒸系統(tǒng)存在的問題成功得到解決，大大縮短了氣化裝置的檢修工期，有效節(jié)省了檢修的人力物力財力，氣化閃蒸系統(tǒng)實現(xiàn)了長周期、穩(wěn)定運行，有力地促進(jìn)了氣化裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。