水煤漿氣化裝置洗滌塔出口合成氣管道帶水問題探討

蔣 超

(中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103)

0 前言

目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的水煤漿氣化技術(shù)，無論是德士古(GE)水煤漿氣化技術(shù)、西北化工研究院多元料漿氣化技術(shù)(MCSG)，還是多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，其反應(yīng)原理均是以水煤漿和純氧為原料，使用氣流床反應(yīng)器(氣化爐)，在高溫、高壓、非催化條件下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成以CO和H2為有效成分的粗合成氣，供下游單元使用。在合成氣初步凈化技術(shù)上，主要有以殼牌(Shell)為代表的干法除塵(合成氣冷卻器)和以GE為代表的濕法除塵(洗滌塔)。濕法除塵工藝具有技術(shù)穩(wěn)定可靠、操作簡單便捷等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低合成氣溫度、減少飛灰和酸性氣體，與水煤漿氣化系統(tǒng)配套使用，在國內(nèi)外得到了廣泛的工程應(yīng)用。

從氣化單元送至下游裝置的合成氣中除有效氣成分外，還含有部分CO2、H2S等腐蝕成分以及Cl-和固體灰塵，正常工況下這些組分在合成氣管道內(nèi)流動會對管道造成一定的腐蝕，且當(dāng)該段管道內(nèi)存在溫度降和合成氣介質(zhì)中有液相冷凝析出時，H2S和Cl-會隨著凝液附著在管壁上，進(jìn)而加劇管道的腐蝕[1-3]。此外，若洗滌塔出口合成氣帶水嚴(yán)重，易導(dǎo)致塔頂出口合成氣氣量、溫度急劇波動，不僅會造成氣化系統(tǒng)無法平穩(wěn)運(yùn)行，嚴(yán)重時甚至?xí)鹫麄€氣化系統(tǒng)聯(lián)鎖停車，且含水量較高的合成氣進(jìn)入下游CO變換裝置還容易引發(fā)催化劑失活。因此，在特定條件下對洗滌塔出口合成氣帶水量進(jìn)行定量判斷就尤為重要。以某水煤漿氣化裝置為例，在單系列洗滌塔出口至多系列合成氣匯集輸送器入口段合成氣管道僅有保溫設(shè)計時，通過軟件PIPEPHASE計算無伴熱條件下管道溫度降及凝液析出量，并分析影響管道溫度降及凝液析出量的主要因素，進(jìn)而探討該煤氣化裝置洗滌塔出口合成氣管道取消伴熱設(shè)施的可行性，在滿足裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的同時實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 水煤漿氣化工藝流程

以國內(nèi)某中部地區(qū)大型煤化工制氫裝置為例，其煤氣化單元采用國內(nèi)外成熟的水煤漿氣化工藝技術(shù)，配置6系列水煤漿氣化爐系統(tǒng)，正常生產(chǎn)期間4開2備，氣化壓力為6.5 MPa，反應(yīng)溫度約1 300 ℃。氣化裝置由煤漿制備、氣化及初步凈化、黑/灰水處理等三部分組成。典型水煤漿氣化工藝流程見圖1。

在煤漿制備單元，原料煤經(jīng)輸煤皮帶和稱重給料機(jī)與一定量的水、添加劑等一起混合送至磨煤機(jī)研磨，得到一定粒度分布、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～65%的水煤漿后輸送至煤漿槽。煤漿槽內(nèi)的水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓，與從空分裝置送來的高壓純氧一起送至氣化及初步凈化單元，經(jīng)工藝燒嘴混合后呈霧狀噴入氣化爐燃燒室進(jìn)行反應(yīng)，生成合成氣和熔渣。合成氣在氣化爐下部初步冷卻后，依次經(jīng)過混合器和洗滌塔，進(jìn)行除塵、冷卻，并控制水氣比后送至下游單元。熔渣落入氣化爐下部冷卻、固化，定期排出。黑/灰水處理單元主要收集與處理由氣化爐和洗滌塔底部排出的含固量較高的黑水，經(jīng)過一系列減壓閃蒸，降低黑水溫度、釋放不溶性氣體并濃縮黑水；經(jīng)閃蒸后的黑水含固量進(jìn)一步升高，送至下游進(jìn)行沉降分離細(xì)渣；沉降后的沉降物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%，輸送至真空抽濾系統(tǒng)，脫水后的濾餅裝車外運(yùn)，澄清后的濾液循環(huán)使用。

2 洗滌塔出口合成氣管道模擬計算

根據(jù)工藝流程，6個系列的合成氣自洗滌塔出口分別送至合成氣輸送器中，匯集后再輸送至下游CO變換單元。洗滌塔出口至合成氣輸送器的管道具有高溫、高壓、大直徑的特點(diǎn)，工藝氣具有高溫腐蝕和高度毒性，且工藝氣介質(zhì)中含固體顆粒，具有較強(qiáng)的磨蝕作用。根據(jù)以往水煤漿氣化裝置工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，為防止此段管道內(nèi)因溫度降低析出部分凝液，出現(xiàn)濕H2S腐蝕管道的現(xiàn)象，在設(shè)計階段均考慮在該段管道上增設(shè)電伴熱設(shè)施，以減少管道的熱量損失，保證該段管道不會因凝液析出發(fā)生腐蝕。為了便于探討合成氣管道取消電伴熱的可行性，本文的模擬計算均基于管道無附加電伴熱。

2.1 合成氣工藝參數(shù)

合成氣操作溫度為236 ℃，設(shè)計溫度為270 ℃；操作壓力為6.27 MPa(表壓)，設(shè)計壓力為6.9 MPa(表壓)；正常操作工況流量約為400 000 kg/h，設(shè)計工況流量約為480 000 kg/h，開車工況流量約為175 000 kg/h；合成氣組分及含量(設(shè)計工況)見表1。用設(shè)計工況下的流量值代入模型進(jìn)行模擬計算。

表1 合成氣組分及含量

2.2 管道長度及現(xiàn)場布置情況

根據(jù)裝置氣化框架現(xiàn)場布置設(shè)計，6個氣化系列自西向東均勻?qū)ΨQ布置于裝置區(qū)域中心線兩側(cè)，第1～3系列依次位于裝置區(qū)域中心線西側(cè)，第4～6系列依次位于裝置區(qū)域中心線東側(cè)，合成氣輸送器布置于裝置西南角。根據(jù)參考管道單線圖及核查現(xiàn)場管道實(shí)際走向，距離合成氣輸送器最近的第1系列洗滌塔出口至合成氣輸送器入口之間的合成氣管道長度約為80 m，距離最遠(yuǎn)的第6系列合成氣管道的長度約為230 m。在選擇管路最大溫度降時，可對最遠(yuǎn)系列管道長度進(jìn)行計算。

2.3 裝置現(xiàn)場氣象條件

裝置所在地的現(xiàn)場氣象條件也是設(shè)計過程中需要著重考慮的因素之一。按照裝置所在地區(qū)氣象條件(見表2)，在計算管路最大溫度降時，環(huán)境風(fēng)速取瞬時最大風(fēng)速52.0 m/s，環(huán)境溫度取極端最低溫度-6.6 ℃。環(huán)境溫度為-6.6 ℃時空氣的物性參數(shù)見表3。

表2 裝置所在地現(xiàn)場氣象條件

表3 環(huán)境溫度為-6.6 ℃時空氣的物性參數(shù)

2.4 工藝管道及保溫設(shè)計

洗滌塔出口合成氣管道尺寸為DN 650 mm，材質(zhì)為鉻鉬鋼(15CrMo)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工鋼管尺寸系列》(SH/T 3405—2017)查得公稱直徑為DN 650 mm的管道壁厚為34 mm，15CrMo材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λ=44 W/(m·℃)[4]。

參照以往工程項目執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)，對于直徑為DN 650 mm的管道，通?？蛇x擇高溫離心玻璃棉氈作為保溫材料，在操作溫度236 ℃下該材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.071 5 W/(m·℃)，保溫層厚度為120 mm。此外，管道保溫介質(zhì)外保護(hù)層材質(zhì)選用鋁合金，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=193 W/(m·℃)，保護(hù)層厚度為0.6 mm。

2.5 管道建模與計算

在PIPEPHASE軟件中建立單系列洗滌塔出口至合成氣輸送器入口段合成氣管道模型，將上述所列模擬條件參數(shù)輸入模型中進(jìn)行計算，模擬結(jié)果見圖2。從模擬結(jié)果可知，在保溫條件下，該段合成氣管道整體溫度降Δt為0.232 8 ℃，析出的凝液量為0.073 6 m3/h。

3 合成氣管道溫度降影響因素分析

從上述模擬結(jié)果可以看出，影響管道溫度降的因素有管道長度、管徑、保溫層厚度、環(huán)境溫度及風(fēng)速、管內(nèi)工藝介質(zhì)流量等。本文主要從管道長度、保溫層厚度、環(huán)境風(fēng)速等方面討論對管道溫度降的影響。

3.1 管道長度

根據(jù)項目現(xiàn)場管道設(shè)計布置情況，對6個系列洗滌塔出口合成氣管道長度依次取值80、110、140、170、200、230 m進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果見表4。

表4 合成氣管道長度對溫度降及凝液析出量的影響

從表4可以看出，合成氣在管道內(nèi)流動時，管道溫度降及凝液析出量隨管道長度的增加而變大。由于6個系列合成氣管道長度差均為30 m，計算各系列管道溫度降差及凝液析出量差并取算術(shù)平均值可得：相鄰兩系列間該段合成氣管道溫度差為0.03 ℃，凝液析出體積各系列間差0.009 5 m3/h。即管道長度每增加30 m，合成氣管道溫度差為0.03 ℃，凝液析出體積增加0.009 5 m3/h。合成氣管道長度與溫度降及凝液析出體積的變化趨勢見圖3和圖4。

3.2 管道保溫層厚度

該段管道保溫層厚度為120 mm。為了定量分析管道保溫層厚度對管道溫度降及凝液析出量的影響，在原有模擬參數(shù)均不變的條件下，取保溫層厚度分別為0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120 mm共13組數(shù)據(jù)，依次代入軟件中的管道模型，模擬計算不同保溫層厚度下管道的溫度降及凝液析出量，計算結(jié)果見表5。

由表5可知：在該段合成氣管道完全無保溫時，管道的溫度降最大(Δt=3.386 7 ℃)，析出的凝液體積最大(Q=20.988 9 m3/h)；當(dāng)管道加裝10 mm厚高溫離心玻璃棉氈保溫材料時，管道溫度降由無保溫時的3.386 7 ℃降至0.454 5 ℃，析出的凝液體積僅為無保溫時的8%(1.655 5 m3/h)。可見，在原始管道無保溫條件時，最初加裝10 mm厚高溫離心玻璃棉氈保溫材料對溫度降及凝液析出量的影響效果較為顯著。合成氣管道在不同保溫層厚度下的溫度降及凝液析出體積變化趨勢見圖5和圖6。

表5 合成氣管道保溫層厚度對溫度降及凝液析出量的影響

由圖5和圖6可知：增加保溫層厚度對減緩管道溫度降及減少凝液析出量的影響較為顯著，且隨著保溫層厚度的增加，對管道溫度降及凝液析出量的影響逐漸遞減；當(dāng)保溫層厚度為80 mm時，保溫層厚度每增加10 mm，管道溫度降減少約0.003 ℃，凝液析出體積減少約0.022 m3/h。

3.3 室外環(huán)境風(fēng)速

環(huán)境溫度影響保溫結(jié)構(gòu)散熱，夏季散熱量低，冬季散熱量高。與上述模擬計算方法相同，在原有模擬參數(shù)均不變的前提下，室外環(huán)境風(fēng)速分別取6.2、29.1、52.0 m/s，依次代入管道模型進(jìn)行模擬計算，結(jié)果見表6。

表6 環(huán)境風(fēng)速對溫度降及凝液析出量的影響

由表6可知：環(huán)境風(fēng)速每增加22.9 m/s，管道溫度降約為0.000 2 ℃，凝液析出體積增加約0.002 0 m3/h。當(dāng)合成氣管道加裝120 mm厚保溫材料及0.6 mm厚鋁合金保護(hù)層時，環(huán)境風(fēng)速對管道溫度降及凝液析出量的影響較小。

4 結(jié)果與討論

4.1 影響合成氣管道溫度降的因素

針對水煤漿氣化裝置，考慮洗滌塔在正常操作工況下運(yùn)行，且塔內(nèi)除沫器除液效果良好，洗滌塔出口合成氣為飽和氣相且無液沫夾帶。由于合成氣管道溫度降低導(dǎo)致有凝液析出，通過PIPEPHASE軟件搭建管道模型，經(jīng)模擬計算得出與管道設(shè)置附加電伴熱相比，在僅設(shè)置管道保溫時，整段洗滌塔出口合成氣管道(長度230 m)溫度降低約0.23 ℃，析出凝液體積約0.073 6 m3/h。

通過模擬計算分析，對管道溫度降影響較大的因素有管道長度和保溫層厚度，對管道溫度降影響較小的因素有環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度等。其中管道長度與溫度降及凝液的析出量成正比關(guān)系，即凝液析出量隨管道的延長等比例增加；管道保溫材料厚度與管道溫度降呈指數(shù)型關(guān)系，在保溫材料厚度為10 mm時，對管道的保溫效果較明顯，隨著保溫材料厚度的增加，對管道的保溫效果逐漸減弱。另外，輸入原有設(shè)計條件，由于保溫介質(zhì)及厚度選取得當(dāng)，可忽略環(huán)境因素對散熱的影響，即使在極端低溫、瞬時風(fēng)速最大或暴雨天氣管壁外形成厚度1～2 mm導(dǎo)熱水膜時，其對管道的溫度降及凝液析出量的影響也可忽略不計。

4.2 合成氣管道伴熱設(shè)置淺析

在僅有保溫設(shè)置而無附加熱源伴熱時，管道由于熱損失會析出少量凝液，其中的H2S隨凝液析出附著在管壁上，在高溫條件下會加速管道均勻腐蝕的風(fēng)險。經(jīng)模擬計算，管道凝液析出量相對較少，在最嚴(yán)苛設(shè)計工況下僅析出凝液0.073 6 m3/h?？紤]實(shí)際運(yùn)行時由于管道內(nèi)合成氣流速普遍較高，且在配管過程中已保證管線“步步低”和無袋形設(shè)計，因此合成氣會將管道內(nèi)析出的適量凝液夾帶至下游合成氣輸送器中，保證在管道內(nèi)無凝液積聚。此外，在合成氣輸送器底部還可以通過設(shè)置集液包，統(tǒng)一收集各系列管道內(nèi)的凝液。

據(jù)了解，國內(nèi)多套水煤漿氣化裝置該段合成氣管道均已取消附加伴熱設(shè)施，多年來裝置運(yùn)行良好，且該段管道腐蝕泄漏事故鮮有發(fā)生。同時參考部分裝置的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以在取消伴熱設(shè)施的同時，考慮在該段合成氣管道上增加掛片試驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測管道的腐蝕速率。根據(jù)監(jiān)測情況，進(jìn)一步判斷合成氣管道設(shè)置伴熱的必要性，優(yōu)化今后水煤漿氣化裝置該段管道的工藝設(shè)計方案，選取較為經(jīng)濟(jì)的管道材料，節(jié)省裝置公用工程消耗，減少裝置運(yùn)行維護(hù)的成本，既滿足合成氣初步凈化系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的可操作性和安全可靠性，確保裝置的正常連續(xù)生產(chǎn)，又可提高企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。