粉煤氣化排渣系統管道設計淺析

楊　柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司　西安　710075

粉煤氣化排渣系統管道設計淺析

楊柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司西安710075

摘要結合具體項目，介紹粉煤氣化渣水管道的運行現狀，分析渣水管道運行的基本特點及設計難點，并對材料選擇及管道布置設計給出了合理建議。

關鍵詞渣水管道布置選材磨損堵塞

隨著粉煤氣化技術在國內的發展，氣化爐作為各種氣化工藝的核心設備，其設計雖然各不相同，但除渣系統設置卻大致相同，此系統主要負責熔渣的冷卻、粉碎及排放，是影響裝置連續、平穩運行的關鍵因素之一。渣水管道輸送的介質相對普通介質來講較為特殊，為含有爐渣及未燃燒煤組成的細渣，運行過程中管道極易腐蝕、磨損以及堵塞，嚴重時會將管道及管件磨損穿孔。因此氣化爐無論是材料的選擇或是管道布置，均應根據其自身特殊性，進行合理設計，以避免頻繁更換管道及閥門，保證裝置長周期運行。

1排渣系統流程簡介

氣化爐底部的高溫熔渣首先通過破渣機依次進入渣收集器，渣鎖斗，并定時將渣水排放至撈渣機，再通過撈渣機撈出送至渣場。當收渣時，渣收集器上部的渣水通過渣池循環水泵經水力旋流器，進入循環灰水冷卻器利用循環水移走熔融爐渣帶入的熱量，進入氣化爐進行循環使用，排渣時灰水泵使水在渣收集器與渣鎖斗之間循環。排渣系統流程見圖1。

2渣水管道的特性

2.1物料參數

渣水管道內物料為固液兩相，主要物料介質為細渣與循環水。細渣成分一般為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等，粒度分布為95%<5mm、80%<2mm、60%<1mm、30%<0.5mm，100%<0.1mm，物料顆粒密度為2000～2600kg/m3，堆密度為1500kg/m3，操作溫度為78℃，操作壓力為3.53MPa，設計溫度為150℃，設計壓力為5.8MPa。

圖1　排渣系統流程

2.2磨損性及沉積性

磨損性是指由渣水產生的摩擦力作用導致材料破壞，通常含固體顆粒易出現上稀下濃的狀態，對管壁磨損嚴重，加劇材料的破壞。沉積性是指渣水在水平管內流動時，若部分固體顆粒得不到來自液體的動力，會停止運動而沉積于管底，影響渣水的輸送，這在單相流輸送的管道內不會發生，而在渣水管道中是必須要考慮的。

2.3磨損性及沉積性與流速的關系

渣水管道若流速偏低，流動性較差，則產生沉積，減小管道的流通面，直至堵塞整個管道，若沉積物長期不清理會導致硬化、結塊，最終使整個管道報廢。若流速過高，固體顆粒對管道內壁產生嚴重的磨損或沖蝕，大大增加管道阻力，不僅加劇管道磨損，還增加了輸送動力的消耗。在工程設計中，一般多是控制管道的實際輸送速度稍大于臨界流速(使固體顆粒能剛好保持懸浮狀態而不發生沉降的流速)，考慮到以上因素，通過核算并根據以往工程經驗，將渣水管線流速范圍確定為1.0～1.5m/s。

3渣水管道設計

3.1氯離子對材料選擇的影響

渣水中主要含有硫化氫、氯離子，渣和水，當選用不銹鋼材質時，尤其應注意氯離子的濃度。隨著反應過程中水系統的循環利用，氯離子不斷累積，濃度不斷增大，是對設備及管道造成腐蝕的主要因素。影響氯離子濃度的幾點因素：①煤質；②新鮮水；③氣化后工藝的影響：氣化后工藝一般有兩種流程，廢鍋和激冷流程。廢鍋流程，即先采用循環煤氣激冷，然后進一步對合成氣進行冷卻；激冷流程，即采用水激冷的方式對合成氣進行直接冷卻。與廢鍋流程相比，激冷工藝黑水量高，離子濃度明顯低，一般來講激冷工藝不高于500mg/L，而廢鍋工藝可高達3000mg/L。

根據氣化工藝的操作條件及氯離子濃度，選擇合適的材料，對于氯離子較高的工況，建議選用抗氯離子腐蝕性強，同時又具有很高機械強度和優良耐腐蝕性能的雙相鋼。與普通奧氏體不銹鋼相比，其最大優勢為解決了氯離子環境中常發生的點腐蝕，通常用抗點蝕當量數FPREN來計算：

FPREN=WCr+3.3(WMo+0.5WW)+16WN

式中，WCr、WMo、WW、WN分別代表合金中鉻、鉬、鎢、氮的質量分數。FPREN值越高，抗點蝕能力越強。由于奧氏體不銹鋼與雙相鋼元素組分存在差異，尤其是FPREN值起關鍵作用的N含量，因此雙相鋼較奧氏體不銹鋼抗點腐蝕能力要高很多,但為保證鋼材性能，一般規定N含量≥0.15%。

在工程設計中，首先應從源頭入手，盡量降低氯離子的含量，比如通過增加循環水量來降低氯離子含量等手段，再根據實際工況條件，綜合考慮其安全性、經濟性選用合適的材料，但選用雙相鋼材料時，應注意以下兩點：

(1)在高氯離子環境中，無論從安全性、使用壽命以及減少運行成本都具有很大優勢，但雙相鋼造價較高，而且目前主要依靠國外市場，采購周期相對較長，設計時應提前規劃管道走向，減少后期設計改動量，盡早提供準確的材料數量用于采購，以免影響項目工期。

(2)由于氣化工況較為惡劣，雙相鋼雖然耐腐蝕能力較強，但并不意味著不會腐蝕， 故應定期進行監測，當發現管道壁厚存在減薄的情況時，應視情況更換受損管道。

3.2陶瓷襯里管道

陶瓷襯里管是在碳鋼管道中內襯2.5～5mm厚的陶瓷，內襯層由陶瓷層(Al2O3，Fe2O3)和過渡層組成，過渡層把陶瓷層與鋼管內壁牢牢的粘結成一體。陶瓷的高硬性與鋼管的高韌性、高塑性相結合，具有良好的耐磨、耐蝕，耐高溫、耐壓和高強度等特點，其價格是無縫鋼管的3倍，但其使用壽命卻比無縫鋼管長30倍，適合用于磨蝕嚴重的管線中。

在排渣流程中，水力旋流器用來維持渣的含固量在1%～1.5%(wt)之間，含固量小于此值的渣水進入循環灰水冷卻器，大于此值的渣水(灰漿)去酸漿處理。為了控制灰漿管的流量以及減壓排放，在此管線上設置了限流孔板，導致通過限流孔板后，流速變高，流型發生變化，對管道的磨蝕極為嚴重，故為降低管道的檢修頻率，保證安全生產，考慮使用耐磨性較好的陶瓷襯里管道，并要求在限流孔板下游10D的管道需襯陶瓷保護(包括限流孔板)，見圖2。

圖2　陶瓷襯里管道示意圖

陶瓷襯里管線設計時需注意：

(1)為保證渣水流型穩定，平滑過度到非襯里管線上，限流孔板下游“10D”采用陶瓷襯里，“10D”是指管段的長度，而不包括法蘭的長度。

(2)由于其制造工藝的特殊性，為保證陶瓷襯里管的內徑與相連鋼管內徑一致，陶瓷管一般會選用比相應鋼管大的法蘭與管道，通常為異徑法蘭。

(3)陶瓷襯里管道不允許采用焊接型支架，否則會破壞其耐腐蝕層。

3.3閥門的選擇

由于渣水含有大量固體硬顆粒，傳統的閥類如閘閥和截止閥都無法適用，金屬硬密封耐磨球閥(全通徑)是目前被普遍認可的一種閥門。不僅工藝介質應選用全通徑球閥，漿液管道上的排氣、排液管的切斷閥，沖洗水連接閥門也宜選擇全通徑球閥，主要考慮以下兩個方面：

(1)全通徑球閥具有與管道內徑完全一致的管道通徑，流體阻力基本為零，不會改變流體的流型，能減小渦流，便于清掃，適合渣水管道選用。

(2)閥門的密封面是閥座與啟閉體互相接觸的部分，極易受到固體顆粒的磨損和介質的沖蝕及腐蝕，其密封性隨著服役時間的延長而降低。在渣水介質中，球閥的密封面應選擇耐磨蝕、耐沖蝕和耐腐蝕的材料，例如用熱噴涂的方法在閥球和閥座處噴涂STELLITE鎳基合金。目前已經有專利在閥座采用特殊的刮刀環設計，閥門動作時能刮擦粘在閥球上的顆粒介質，起到自清潔作用，避免異物刮傷密封面，同時鋒利的邊緣可對體積較大的煤渣切斷，從而確保閥門能夠自如的啟閉，并具有良好的密封性能。

3.4渣水管道連接方式

渣水管道應選用對焊或法蘭連接形式，不得使用插焊與螺紋連接(螺紋密封)形式?！豆I金屬管道設計規范》GB50316-2000中規定：承插焊連接接頭與螺紋連接(螺紋密封)接頭不能用于有縫隙腐蝕的流體工況中，而渣水管道易發生沉積，易產生滯留液體，也就易發生間隙腐蝕。

4渣水管道布置要求

4.1設備及管道的布置

排渣系統設備與設備間均采用串聯布置的方式，其順序依次是氣化爐、破渣機、渣放料罐、渣鎖斗、撈渣機。排渣系統直接影響氣化爐的支撐高度，而氣化爐是氣化裝置最為重要的設備，其安裝高度決定著框架的結構(為兼顧氣化框架的穩定性及經濟性，以氣化爐支撐樓面為界，樓面以下為混凝土結構，樓面以上為鋼結構)、總高以及其他相關設備安裝高度，在設計初期就應由下而上對排渣設備及其相關閥門、管道安裝空間進行核算，準確確定氣化爐安裝高度。

渣水管道不應出現“袋型”，除非有標高提升要求，管道應布置為“步步低”，并宜設置坡度，同時管道應盡量短，少彎，不要過分追求橫平豎直，管道越短，發生堵塞的可能性就越小，而且渣水管道材質相對較為昂貴，過長的管道會增加投資。

當管道改變走向時，應采用大曲率半徑的彎管，曲率半徑一般應≥4DN，以保證渣水在管道中光滑過渡，減小管線磨蝕。但需注意盡量減少其使用數量：① 彎管在很大程度上改善了磨蝕現象，但過多的使用同樣會增加系統壓力損失、彎管磨損；② 彎曲處的靜電吸附會使物料吸附在管壁而聚集堵塞管道。

4.2分支管的連接

(1)旁路、支管均應從主管的頂部或側面接入，以避免物料形成滯留區域腐蝕管道。

(2)支管連接形式，應采用Y型三通，支管流向應順主管流向斜接，夾角不宜大于45°。渣池循環水泵出口管就采用了30°的斜三通：① 為減少不合適的流動狀態對管道造成磨損腐蝕，要求其流動狀態均勻，避免在介質流動方向發生急劇變化；② 90°三通會對三通形成直接沖擊區，而Y型三通可以盡量減小其影響，見圖3。

圖3　渣水管道分支連接形式

(3)排液管的正確做法應按圖4(b)，彎管形式物料易積聚。

4.3閥門的布置

(1)閥門應安裝在物料不宜聚積的位置，若管線上可能出現物料聚集，易堵閥門、部件應考慮設置沖洗、吹掃等措施。閥門應盡量水平安裝，若必須垂直安裝時，可考慮在靠近閥門處設置沖洗接頭等措施，以防止渣水堵塞管道，正確做法見圖4(c)，其中4(d)則不合理，閥門上側易積液。

圖4　渣水管道排液管

(2)閥門應盡量靠近分支處安裝?？梢员苊猱斈骋环种чy門關閉后，液體聚集、沉降在管道內而堵塞管道，形成死端，影響運行。

(3)渣水管道上的調節閥應與旁路閥布置在同一個平面上或將旁路閥布置在調節閥的下方，見圖5。

圖5　渣水管道調節閥組布置方式

5渣水管道支架設計

(1)由于渣水管道內易出現固/液兩相流，加之某些管線與鎖斗相連接，故在支架的設計時應避免管道的振動，具體可從以下幾方面考慮：①適當部位設置導向架和限位架，同時，承重架、導向架和限位架應具有足夠的剛性，若剛度不夠，可能會加劇低頻振動;②適當減少支撐跨距，同時在集中載荷處(如在閥門等質量集中處)設置支架，以減小偏心載荷和彎曲應力;③盡量采用支架，不宜采用吊桿，因吊架其剛度較小，與管子之間不存在摩擦，故它對管道的柔性限制較小，對管道的水平方向的晃動沒有限制作用，易引起晃動或振動。

(2)渣水管線盡量避免選擇焊接型管道支吊架，而應采用管卡(管箍)形式，若不可避免的用到焊接支腿型支吊架時，應注意兩點：①支腿材料應與被支撐管道相同，為了節約材質，對超長部分(在離管壁200mm以外)可用相同壁厚的碳鋼管對接焊接代替;②考慮到雙相鋼需長周期訂貨，且價格較貴，故選擇支腿時，應統一規格，并盡量選用工藝管線已有規格。

6結語

渣水管道不僅具有普通流體的共性，同時具有易磨損、堵塞及振動等特殊性，如果設計不合理，就會造成管道內流體的沉積或堵塞，甚至磨穿管道，給生產運行帶來隱患。因此，需針對物料特點進行合理設計，保證其安全性及經濟性。

參考文獻

1宋岢岢主編.壓力管道設計及工程實例 [M] . 北京：化學工業出版社，2009.

2SH3012-2011，石油化工管道布置設計通則[S].

3ASMEB31.11，漿液輸送管道系統[S].

4國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備安全監察局. 全國壓力管道設計審批人員培訓教材(第二版)[M] .中國石化出版社，2011.

5黃新平，黃春梅. 循環冷卻水中氯離子對板換材料選擇的影響[J].石油化工設計，2006(2).

(收稿日期2016-01-15)

*楊柳:工程師。2005年畢業于江蘇工業學院制藥工程專業。主要從事設備布置和管道布置工作。聯系電話：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。