水煤浆气化装置腐蚀问题的调研分析与对策.pdf
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1、 年第 卷 第 期石油化工腐蚀与防护 专论引用格式:杨宏泉,包振宇,许荣发,等水煤浆气化装置腐蚀问题的调研分析与对策 石油化工腐蚀与防护,():,():水煤浆气化装置腐蚀问题的调研分析与对策杨宏泉,包振宇,许荣发,杨琰嘉,李文盛,王宁(中石化宁波工程有限公司,浙江 宁波 ;中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心,河南 洛阳 ;中国石化集团南京化学工业有限公司,江苏 南京 )摘要:设备和管道的腐蚀是制约水煤浆气化装置长周期稳定运行的一个重要原因。水煤浆气化过程中,装置内的流体介质为含有大量腐蚀性物质和固体颗粒的多相混合物,因此冲蚀和结垢是设备和管道面临的主要损伤原因,而气液相中的多种腐蚀性物质也会引
2、发不同类型的腐蚀问题。通过现场调研,结合水煤浆气化装置的工艺流程和腐蚀性介质的组成,对气化单元、合成气洗涤单元、黑水闪蒸单元以及黑灰水处理单元的腐蚀现状和成因进行了深入分析,并针对不同的腐蚀类型提出了相应的防护措施,为水煤浆气化装置的生产操作提供了经验借鉴和技术支撑。关键词:水煤浆气化;腐蚀;结垢;防护策略收稿日期:;修回日期:。作者简介:杨宏泉(),高级工程师,本科,主要从事石油化工和煤化工的设计研发及管理工作。:水煤浆气化装置按照内部介质成分及工艺条件的不同,可以分为气化单元、合成气洗涤单元、黑水和灰水处理单元。由于设备构造复杂,腐蚀性物质众多,且介质呈现气 液 固三相流动的特点,使得腐蚀
3、、冲刷、开裂和结垢等问题频发 ,严重制约水煤浆气化装置长周期运行。本文通过对水煤浆气化装置的腐蚀现状进行调研,归纳分析了装置各单元的失效类型、产生部位和影响因素,并从工艺操作、设计选材和监检测的角度提出了防护措施建议,以期为水煤浆气化装置的安全生产运行提供参考和借鉴。气化单元腐蚀现状与原因分析 腐蚀现状在气化反应中,煤中所含的硫、氮、氯、氟、碳等元素发生反应,生成 ,及甲酸等腐蚀介质。这些腐蚀性物质不仅会导致气化炉内部件的腐蚀损伤,而且会混入合成气、黑水和灰水等工艺介质中,造成后续设备和管道的腐蚀。同时,水煤浆中含有较多高硬度杂质,具有高浓度和高黏度等特征,在加压高速进入气化炉时会对气化炉部件
4、造成严重的冲蚀磨损。因此,水煤浆气化单元中主要的失效类型包括:原料氧气在高温条件下引起的高温氧化;原料煤中的氯元素造成的高温氯化腐蚀和硫元素造成的高温 腐蚀;金属离子结垢造成设备管道堵塞;高速物流冲刷造成的冲蚀,以及耐火材料退化等。原因分析 结垢由于水煤浆中存在一定量的钙、镁矿物质,在气化反应后以 、的形式存在于激冷水中,造成激冷水硬度偏高,而粗合成气中的 在溶于水后,会促使 ,转化为 ,导致激冷水系统易于结垢。同时,气化反应产生的大量灰渣和未反应的残炭颗粒随粗合成气进入洗涤塔后,部分通过洗涤塔底黑水进入激冷水系统,进一步加剧了激冷水系统的堆积结垢。在煤气化装置开停车以及系统生产负荷波动时,激
5、冷水管线内垢体容易发生脱落,并与系统内的灰渣一起在如激冷环布水孔等口径较小的位置局部积聚,形成堵塞。管线堵塞会破坏气化系统的平衡,导致压力、流量等指标控制不正常,影响设备的正常运行。如图 所示,某煤气化装置激冷水管线发生严重结垢堵塞,装置被迫非计划停车。专论石油化工腐蚀与防护 年第 卷图 激冷环外激冷水管线堵塞 冲蚀原料水煤浆中含有较多高硬度杂质,具有高浓度和高黏度等特征,在通过工艺烧嘴与气化剂混合的过程中,会采用撞击、振动等方式达到雾化效果,介质中的硬质颗粒高速冲击烧嘴表面,使烧嘴产生形变甚至开裂。同时,高温环境产生的热应力和热辐射,以及含硫工艺气的侵蚀都会加剧烧嘴的冲蚀损伤。此外,用作激冷
6、水的灰水中含有的大量固体灰渣颗粒以及 ,和 等腐蚀性离子,在流经系统时也会对设备和管道内壁,特别是激冷环的布水口以及半圆环管等内件造成严重的冲刷磨损,进而导致材料表面出现裂纹或是局部冲蚀泄漏,影响激冷环的水分布效果。而发生偏流的激冷水会进一步加剧设备的局部冲刷腐蚀,造成恶性循环。高温腐蚀气化炉内的反应温度高达 以上,当设备内表面激冷水分布不均时,不同部位的温差会导致金属材料存在热应力,而金属基体与高速流动的高温气体和熔融态的灰渣直接接触,可能会造成金属表面过热,甚至表面熔化。同时,物料中的氧化物、氯化物、硫化物在高温条件下也会对金属造成严重的腐蚀 。比如在工艺烧嘴等含氧环境的燃烧部分,水煤浆与
7、氧气在充分混合后高速喷出点燃,会导致外喷头的端面发生高温氧化腐蚀。而水煤浆中的含硫物质会在高温燃烧时分解出自由硫原子,这类硫原子具有很高的活性和腐蚀性,在高温下与金属基体接触会发生快速的硫化反应。此外,氯化物在高温条件下生成的 对金属表面保护膜的损害更加严重,这会进一步加剧金属基体的腐蚀。如图 所示,某煤气化装置激冷水系统故障,导致炉内操作条件恶化发生高温腐蚀,激冷环多处烧穿。图 激冷环多处烧穿的宏观形貌 防护措施()工艺操作:在灰水沉降环节加入絮凝剂或分散剂,降低激冷水中灰渣固体颗粒含量,改善水质;控制激冷水系统的 值,降低系统总碱度,减少 、等沉淀的生成;加强操作的稳定性,减少设备开停车次
8、数,避免工艺参数的大幅波动对激冷水管线的冲击,减少管线垢体脱落;定期对激冷水系统进行冲洗维护,减少结垢累积。()设计选材:优化设备与管道的结构设计,减少死角、缓流区等易结垢部位,减少堵塞的发生;对设备的结构和尺寸进行优化,如增加管道直径降低流速、采用流线型弯头、增加冲刷部位壁厚等,减缓冲刷腐蚀;选用耐腐蚀、高硬度的金属材质,或是在设备和管道内壁增设耐磨陶瓷或金属衬里,也可以对金属材料的表面进行强化处理,涂敷耐蚀涂层等。()监检测:定期对重点腐蚀部位进行腐蚀监检测,以预防腐蚀问题的发生。如合理安排管道的腐蚀测厚频率,通过在线测厚及时掌握管道或设备的剩余厚度,以免发生突然泄漏;对 ,和 等有害介质
9、的含量以及液态介质的 值进行监测;通过悬挂腐蚀挂片等方式,探究腐蚀规律,并可作为装置选材参考依据。合成气洗涤单元腐蚀现状与原因分析 腐蚀现状在气化单元生成的 ,及甲酸等腐蚀介质随粗合成气进入洗涤单元,经过多次洗涤净化后,部分酸性气(、)第 期杨宏泉等 水煤浆气化装置腐蚀问题的调研分析与对策专论和气体中携带的固体颗粒转入液相的循环黑水中。洗涤单元的操作温度在 以下,且在整个过程中,合成气都处于潮湿的液态水环境,当,和 等有害介质与水共存时,会造成更严重的腐蚀。因此,合成气洗涤单元主要发生的腐蚀失效类型包括:,和 等酸性气体溶于水造成的酸性水腐蚀;固体颗粒冲击造成的冲蚀;奥氏体不锈钢在液态水和氯离
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