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

目前國內外廣泛應用的水煤漿氣化技術，無論是德士古(GE)水煤漿氣化技術、西北化工研究院多元料漿氣化技術(MCSG)，還是多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，其反應原理均是以水煤漿和純氧為原料，使用氣流床反應器(氣化爐)，在高溫、高壓、非催化條件下進行部分氧化反應，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穩定可靠、操作簡單便捷等優點，可有效降低合成氣溫度、減少飛灰和酸性氣體，與水煤漿氣化系統配套使用，在國內外得到了廣泛的工程應用。

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流動會對管道造成一定的腐蝕，且當該段管道內存在溫度降和合成氣介質中有液相冷凝析出時，H2S和Cl-會隨著凝液附著在管壁上，進而加劇管道的腐蝕[1-3]。此外，若洗滌塔出口合成氣帶水嚴重，易導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無法平穩運行，嚴重時甚至會引起整個氣化系統聯鎖停車，且含水量較高的合成氣進入下游CO變換裝置還容易引發催化劑失活。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，進而探討該煤氣化裝置洗滌塔出口合成氣管道取消伴熱設施的可行性，在滿足裝置長周期穩定運行的同時實現企業經濟效益的最大化。

1 水煤漿氣化工藝流程

以國內某中部地區大型煤化工制氫裝置為例，其煤氣化單元采用國內外成熟的水煤漿氣化工藝技術，配置6系列水煤漿氣化爐系統，正常生產期間4開2備，氣化壓力為6.5 MPa，反應溫度約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，原料煤經輸煤皮帶和稱重給料機與一定量的水、添加劑等一起混合送至磨煤機研磨，得到一定粒度分布、質量分數為60%～65%的水煤漿后輸送至煤漿槽。煤漿槽內的水煤漿經高壓煤漿泵加壓，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，經工藝燒嘴混合后呈霧狀噴入氣化爐燃燒室進行反應，生成合成氣和熔渣。合成氣在氣化爐下部初步冷卻后，依次經過混合器和洗滌塔，進行除塵、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；經閃蒸后的黑水含固量進一步升高，送至下游進行沉降分離細渣；沉降后的沉降物質量分數約20%，輸送至真空抽濾系統，脫水后的濾餅裝車外運，澄清后的濾液循環使用。

2 洗滌塔出口合成氣管道模擬計算

根據工藝流程，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，工藝氣具有高溫腐蝕和高度毒性，且工藝氣介質中含固體顆粒，具有較強的磨蝕作用。根據以往水煤漿氣化裝置工程設計經驗，為防止此段管道內因溫度降低析出部分凝液，出現濕H2S腐蝕管道的現象，在設計階段均考慮在該段管道上增設電伴熱設施，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

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

表1 合成氣組分及含量

2.2 管道長度及現場布置情況

根據裝置氣化框架現場布置設計，6個氣化系列自西向東均勻對稱布置于裝置區域中心線兩側，第1～3系列依次位于裝置區域中心線西側，第4～6系列依次位于裝置區域中心線東側，合成氣輸送器布置于裝置西南角。根據參考管道單線圖及核查現場管道實際走向，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，可對最遠系列管道長度進行計算。

2.3 裝置現場氣象條件

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

表2 裝置所在地現場氣象條件

表3 環境溫度為-6.6 ℃時空氣的物性參數

2.4 工藝管道及保溫設計

洗滌塔出口合成氣管道尺寸為DN 650 mm，材質為鉻鉬鋼(15CrMo)。根據行業標準《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材質的導熱系數λ=44 W/(m·℃)[4]。

參照以往工程項目執行經驗，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 ℃下該材料的導熱系數λ=0.071 5 W/(m·℃)，保溫層厚度為120 mm。此外，管道保溫介質外保護層材質選用鋁合金，該材料的導熱系數λ=193 W/(m·℃)，保護層厚度為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輸入模型中進行計算，模擬結果見圖2。從模擬結果可知，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、環境溫度及風速、管內工藝介質流量等。本文主要從管道長度、保溫層厚度、環境風速等方面討論對管道溫度降的影響。

3.1 管道長度

根據項目現場管道設計布置情況，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進行模擬計算，計算結果見表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組數據，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)?？梢?，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 室外環境風速

環境溫度影響保溫結構散熱，夏季散熱量低，冬季散熱量高。與上述模擬計算方法相同，在原有模擬參數均不變的前提下，室外環境風速分別取6.2、29.1、52.0 m/s，依次代入管道模型進行模擬計算，結果見表6。

表6 環境風速對溫度降及凝液析出量的影響

由表6可知：環境風速每增加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。當合成氣管道加裝120 mm厚保溫材料及0.6 mm厚鋁合金保護層時，環境風速對管道溫度降及凝液析出量的影響較小。

4 結果與討論

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行，且塔內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致有凝液析出，通過PIPEPHASE軟件搭建管道模型，經模擬計算得出與管道設置附加電伴熱相比，在僅設置管道保溫時，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境風速、環境溫度等。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型關系，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，輸入原有設計條件，由于保溫介質及厚度選取得當，可忽略環境因素對散熱的影響，即使在極端低溫、瞬時風速最大或暴雨天氣管壁外形成厚度1～2 mm導熱水膜時，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 合成氣管道伴熱設置淺析

在僅有保溫設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險。經模擬計算，管道凝液析出量相對較少，在最嚴苛設計工況下僅析出凝液0.073 6 m3/h?？紤]實際運行時由于管道內合成氣流速普遍較高，且在配管過程中已保證管線“步步低”和無袋形設計，因此合成氣會將管道內析出的適量凝液夾帶至下游合成氣輸送器中，保證在管道內無凝液積聚。此外，在合成氣輸送器底部還可以通過設置集液包，統一收集各系列管道內的凝液。

據了解，國內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施，多年來裝置運行良好，且該段管道腐蝕泄漏事故鮮有發生。同時參考部分裝置的現場運行經驗，可以在取消伴熱設施的同時，考慮在該段合成氣管道上增加掛片試驗，實時監測管道的腐蝕速率。根據監測情況，進一步判斷合成氣管道設置伴熱的必要性，優化今后水煤漿氣化裝置該段管道的工藝設計方案，選取較為經濟的管道材料，節省裝置公用工程消耗，減少裝置運行維護的成本，既滿足合成氣初步凈化系統在實際運行過程中的可操作性和安全可靠性，確保裝置的正常連續生產，又可提高企業的整體經濟效益。