五环炉激冷罐顶部水冷壁管泄漏原因分析及优化探析.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 6 月第 46 卷第 3 期Jun.2023Vol.46 No.31概述我国的煤炭资源储量丰富，其消耗约占总能源消耗的 70%，煤气化技术是高效、清洁利用煤炭资源的主要方式之一，其中水冷壁气化炉因操作温度及压力高、气化效率高、煤种适应性强且具有长周期运行等特点，目前已成为煤气化发展方向的重要技术。随着水冷壁技术的发展，水冷壁煤气化炉内结构和性能得到了进一步优化和提升，但经过长期运行发现，水冷壁气化炉内部分构件容易出现问题。以某煤化工企业为例分析水冷壁管泄漏原因，该企业采用五环粉煤气化炉（简称五环炉）生产以 H2和CO 为主要成分的粗煤气，最终产品为醋酸和乙二醇。由于煤中含有硫、氮和氯等元素，在气化炉内反应时会生成 CO2、H2S、COS、NH3、HCN、HCl 等腐蚀性气体，随合成气洗涤降温后溶解于冷凝液中，因此造成了装置内部分构件发生腐蚀，随着运行周期延长，最终导致装置损坏泄漏，被迫停车检修。2五环炉工艺流程五环炉属于干煤粉水冷壁煤气化炉，煤气化装置共包括 7 个系统，分别为磨煤及干燥系统、煤粉加压输送系统、气化及水汽系统、渣水处理系统、湿洗系统、闪蒸及黑水处理系统和公用工程系统，工艺流程见图 1。碎煤在磨煤机中碾磨、干燥制成合格的煤粉后，经过煤加压输送系统后通过煤烧嘴将其喷入气化炉，与氧气混和发生氧化还原反应，气化温度达五环炉激冷罐顶部水冷壁管泄漏原因分析及优化探析万国鹏（河南龙宇煤化工有限公司，河南永城 476600）摘要：针对五环粉煤气化炉在运行过程中出现的腐蚀泄漏问题，分析探讨其激冷罐顶部水冷壁管泄漏原因，通过对壁管材质升级改造和精心施工，水冷壁管泄漏问题得以解决，保证了装置长周期稳定运行。关键词：五环粉煤气化炉激冷罐水冷壁管腐蚀泄漏材质升级收稿日期：2022-10-19；收到修改稿日期：2023-03-19。作者简介：万国鹏，男，1985 年出生，本科学历，工程师，2014 年毕业于中国石油大学（华东）化学工程与工艺专业，现在河南龙宇煤化工有限公司从事煤气化技术与生产管理工作。联系电话：[phone]；E-mail：。到 1400l600，压力为 3.84.1MPa。反应后的合成气在激冷段同激冷气压缩机来的 200激冷气混合后降温到约 750，再经输气管换热段将温度降至约 650后进入激冷罐。在激冷罐内被激冷水洗涤除灰后，温度降至 180195，进入湿洗工序。湿洗后的合成气被送至变换系统，激冷罐底部的黑水送至闪蒸、黑水处理系统回收循环利用。图 1五环炉装置工艺流程3激冷罐顶部水冷壁管泄漏现象及原因分析3.1原因分析激冷罐主要作用是对高温粗煤气进行洗涤降温，洗去大部分飞灰，同时温度由 650降至 185，187第 3 期万国鹏.五环炉激冷罐顶部水冷壁管泄漏原因分析及优化探析粗煤气携带大量的饱和水蒸气离开水浴上升至激冷罐上部，激冷罐顶部空间为盲区（中间有隔板，使激冷罐与输气管环形空间隔开），导致含有大量饱和水蒸气的合成气在此聚集。进激冷罐的激冷水温度约 180，流量约 400t h，内部114mm 的激冷水管线共 8 根，依次圆周分布。原设计水冷壁管材质15CrMoG，而合成气中的酸性气体在此处易形成腐蚀环境。造成水冷壁管表面腐蚀主要原因如下：1）当粗煤气在上升过程中穿越激冷水管低温区域时，进一步降低了激冷罐顶部区域温度，致使大量水蒸气在水冷壁表面冷凝，冷凝后的液态水吸收了酸性气体，使其表面造成腐蚀；经过长时间运行后水冷壁管壁厚逐渐减薄，严重的出现穿孔泄漏。2）合成气从激冷罐水浴洗涤后，会携带一部分小液滴，由于来不及分离就会带至其顶部区域，携带的含有高固含量和腐蚀性介质的黑水在其表面沉积、结垢后，形成垢下腐蚀，进一步增加腐蚀速率，腐蚀情况见图 2、图 3。图 2水冷壁管腐蚀情况图 3水冷壁管打磨后用水冲压试漏情况当水冷壁管漏点较大时，造成气化炉无法正常运行，被迫停车检修进行消漏处理，导致近 1a 内 2套五环炉装置因泄漏共造成 4 次停车，给气化装置长周期稳定运行带来了安全隐患，造成较大的经济损失。3.2水冷壁管腐蚀原理3.2.1湿 H2S 腐蚀由于激冷罐顶部所处环境含有大量水蒸气，而合成气中又含有 H2S，其上部盲区经过激冷循环水降温后约 183，水冷壁表面有冷凝液析出，当 H2S 溶于水后会发生以下过程：分解反应：H2S 2H+S2-电化学腐蚀反应：阳极：Fe Fe2+2e阴极：2H+2e H2二次反应过程：Fe2+S2-FeS由于电化学反应中阳极反应生成了 FeS，引起激冷罐顶部水冷壁管表面腐蚀而均匀减薄，随着 H2S富集，浓度逐渐增大，进而也加快了腐蚀速度，严重时局部短时间内就会出现点蚀穿孔1。3.2.2湿铵盐腐蚀在激冷罐顶部封闭空间存在有水蒸气，而合成气中的 CO2、HCl、NH3在此富集，且此处温度低于200，因此该区域为湿铵盐形成提供了充足的条件。其中 NH4Cl 属于强酸弱碱盐，当氯化铵遇到液态水后会产生强酸介质 HCl，对碳钢的腐蚀速率会非常快，腐蚀形式大多为点蚀和局部腐蚀，因此铵盐（特别是氯化铵）引起的结垢和垢下腐蚀已经严重影响各生产装置的安全稳定运行2。3.2.3水冷壁管垢下腐蚀来自气化炉携带大量飞灰的合成气，经过激冷罐洗涤后，大量的飞灰被激冷水除去，形成高硬度、高碱度、高固体悬浮物的黑水，洗涤过的合成气会携带大量的饱和水蒸气、部分黑水小液滴离开激冷罐水浴，来不及分离的黑水小液滴就会带至激冷罐顶部，在水冷壁管表面形成垢层。停车后入内检查，发现此处垢层和腐蚀物较严重，见图 4。图 4水冷壁管表面结垢和腐蚀情况引起水冷壁管垢下腐蚀主要有以下两方面：首先，由于垢层内含有大量的 Mg2+、Ca2+、Na+阳离子和1882023 年第 46 卷HCO3-、CO32-等阴离子，其本身能形成电化学腐蚀并存在自催化作用2；其次，灰垢还使合成气携带黑水中的某些腐蚀成分，如 H+、OH-、Cl-、HS-、S2-、CO32-等，在垢下金属表面富集，并引起化学腐蚀反应。在以上双重作用下使局部水冷壁管表面金属被腐蚀减薄，严重时可以使水冷壁管壁穿透，造成水冷壁管泄漏3。4激冷罐顶部腐蚀的防护措施及施工针对激冷罐顶部水冷壁管发生腐蚀的问题，首先要充分分析装置内部腐蚀的环境，了解内部介质对设备材料的要求；其次在明确设备内部工作环境后，对材料的要求可以从其耐腐蚀性、机械强度、投入成本等方面综合考虑。为了保证 2 套五环气化炉能够长周期安全稳定运行，决定对激冷罐顶部水冷壁管材质进行升级改造：把原材质为 15CrMoG 的水冷壁管从 180回转弯头往上 1.5m 管道除去，考虑到激冷水中氯离子含量较高且含有大量的酸性介质，分析氯离子含量高达 300mg L，而此处温度变化较大，可由 650降至 180，虽然 Incoloy825 材质具有良好的耐应力腐蚀开裂性能和高温机械性能，对氯离子应力腐蚀开裂、点腐蚀、缝隙腐蚀和各种腐蚀介质也具有优良的抵抗能力，但是价格较贵，所以对此处腐蚀介质和投资成本的影响作用综合考虑，最后决定将此处水冷壁管升级为 15CrMoG 表面堆焊 Inconel625 材质，180回转弯头升级为 Incoloy825 材质。改造后提高了水冷壁管的抗腐蚀能力，为五环炉长周期运行提供保障，防止因腐蚀问题导致水冷壁管腐蚀减薄泄漏的情况再次出现。具体改造过程如下：4.1施工过程1）更换水冷壁管所涉及的内部拆除附件及恢复均在施工范围内。2）更换的水冷壁管位置：从 180回转弯头往上 1.5m 左右全部更换，共 32 个弯头、64 根管，焊口128 道，管间采用两面焊，焊缝需压着管件堆焊层。3）水冷壁管下方激冷罐内的下降管和上升管支撑及其连接的 8 根114mm 的激冷水管在更换时均割除，水冷壁管更换完成后按照要求复位。4）水冷管更换完成后，各焊口均需进行 X 射线探伤，并出具报告，不合格焊口需重新处理直至达到标准。4.2施工过程注意事项1）在切割水冷壁管过程中，只允许砂轮机切割，绝对不允许有杂物进入到气化炉水汽系统管束内，防止在水汽系统各分配器孔板处堵塞，使管道内锅炉水流量降低，造成高温爆管事故。切割结束后，必须对各管口进行密封保护，用棉织物对管口进行封盖，防止杂质进入。2）焊件的切割和坡口加工宜采用机械方法，必须除去坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头焊接质量的表面层，并应将凹凸不平处打磨平整。经验收合格后，方能进行下一步工序。3）焊接方法：管口全部采用氩弧焊，管间填充可采用电弧焊。4）每根水冷壁管对焊前必须再次用干净气体进行吹扫，合格后方可进行下一步工序。5）严格按照焊接技术要求进行焊接施工，防止因焊接质量问题造成泄漏。5结束语自五环炉激冷罐顶部水冷壁管改造完成后，装置运行一年多以来，水冷壁管再无出现腐蚀泄漏的现象，解决了制约五环炉煤气化装置运行的瓶颈，保证了装置长周期安全稳定运行。但针对五环炉煤气化装置其他系统腐蚀问题，如湿 H2S 腐蚀、铵盐腐蚀和设备、管道垢下腐蚀是否在闪蒸黑水处理系统、渣水循环系统同样存在，还需要进行长期不断的实践和探索。只有了解介质的压力、温度等操作条件，熟悉装置的腐蚀环境和设备材料的要求后，充分排查腐蚀发生的重点部位，选择定期测厚检测，制定正确的防护措施。针对经常泄漏的位置，总结分析原因，重新选择合适的材质，尽可能地消除装置潜在的安全风险隐患，以确保五环炉装置长周期安全稳定运行。参考文献1陈逢春.惠生 壳牌下行水激冷气化装置腐蚀机理及管道选材探讨 J.化工设计，2015，25（4）：26-29.2刘新阳.加氢反应流出物中铵盐腐蚀及预防 J.石油化工腐蚀与防护，2014，31（2）：4.3王兵槐，杨树敏.HT-L 粉煤加压气化制合成氨装置的腐蚀浅析与防护施 J.工业科技，2015，44（9）：44-47，95.（下转第 202 页）2022023 年第 46 卷从表 2 分析数据可以看出，渣含水量从入渣仓 50%左右经脱水后均小于 15%，达到了设计要求。装置投用后，运行平稳，渣水分含量均保持在10%15%，设备故障率低，维护工作量较小，渣经脱水后实现了长距离运输和贮存的目的。5结束语在气化渣含水量高，厂内无较大空间堆存的情况下，直接外运较为困难，通过对比不同的渣脱水方式，将真空装置应用于气化渣脱水项目，经过前期实验和正式项目建设，有效提升了气化渣脱水的效果，渣脱水后水分含量小于 15%，达到渣直接外运的标准。渣仓真空脱水系统设备结构简单，操作方便。真空析水排渣门采用电动 气动控制，并设有密封装置，启闭灵活，密封性能好，保证了工作环境的清洁。整套装置采用 PLC 自动控制，减轻了现场劳动强度，可很好的满足气化炉渣不落地直接运输的要求，为气化炉渣的脱水提供了一条新的路径。参考文献1王小勇.合成气冷却器蒸发器更换的工艺方法探讨 J.大氮肥，2023，46（1）：62-64，69.2郭凡辉.煤气化细渣陶瓷膜真空脱水试验与数值模拟 J.化工进展，2022，41（8）：4047-4056.3李刚.煤气化粗渣脱水工艺设计及实施 J.化肥设计，2019，57（1）：19-21.THE APPLICATION OF VACUUM SYSTEM IN GASIFICATION SLAG DEHYDRATION PROCESS Yin Zhaojin，Wang Xiaoyong（Yunnan Tianan Chemical Co.，Ltd.，Anning650309）Abstract：Thispaperintroducedacoalgasificationplantinitsselectionofslagdehydrationtechnology,theexperimentofvacuumdehydrationprocess,andtheconstructionandcommissioningofslagdehydrationunit,andsummarizedtheapplicationofvacuumsystemingasificationslagdehydrationprocessinordertofindasimpleandpracticalmethodforslagdehydration,andeasyformaintenanceaswell.Key words：coalgasification；gasificationslag；vacuumsystem；dehydrationANALYSIS ON TUBE LEAKAGE ON WATER COOLING WALL AT THE TOP OF QUENCH TANK IN WUHUAN GASIFIER Wan Guopeng（Henan Longyu Coal Chemical Co.，Ltd.，Yongcheng 476600）Abstract：ThispaperanalyzedtheleakagehappenedonwatercoolingwalltubeatthetopofthequenchtankwithregardtothecorrosionleakageofWuhuanGasifierduringitsoperation.Theleakageproblemwassolvedbyupdatingthetubematerialandthecarefulinstallation,whichensuredthelongtermandstableoperationoftheplant.Key words：Wuhuanpulverizedcoalgasifier；quenchtank；watercoolingwall；corrosionleakage；materialupdate（上接第 188 页）中国石油大庆石化公司二氧化碳回收项目建成中交近日，中国石油大庆石化公司年产 40 万吨高浓度二氧化碳回收项目全面建成中交。该项目在二氧化碳压缩机出口设置干燥器，干燥脱水后的二氧化碳经压缩机升压，将合成氨装置的副产气转化为体积分数大于 99%的高纯度二氧化碳，实现废物利用。项目可将副产品二氧化碳经过干燥液化后用作油田二氧化碳驱油剂，既降低了碳排放，又是一种新兴的油田驱油剂。项目建成投产后，每年可创收 2300 多万元。本刊