煤直接液化工業(yè)裝置磨損規(guī)律分析及其預防

王喜武，李家順

(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

我國煤炭資源豐富，目前累計探明煤儲量為10 018億t, 煤儲量占已探明的各種能源(煤炭、石油、天然氣等)總儲量的90%。充分利用儲量豐富的煤炭資源,大力開發(fā)替代石油的技術，多元化降低能源風險,及早考慮能源的多樣化是普遍共識[1]。隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，能源結構與石油消費構成比例失調，面對常規(guī)能源的短缺及開發(fā)利用的負環(huán)境效應，政府需加速構建“穩(wěn)定、經濟、清潔、安全”的新能源體系[2]。因此，煤炭的高效、清潔利用，對我國能源風險應對能力的提升、環(huán)境污染的治理意義重大，煤液化技術的發(fā)展和工業(yè)化已成為當務之急。煤液化技術路線主要包括直接液化和間接液化兩種形式。

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司運營著世界首條、全球唯一的百萬噸級(108萬t/a)煤直接液化生產線，被列為國家重點戰(zhàn)略工程[3]。煤直接液化工藝主要產品有柴油、石腦油、汽油、液化石油氣。煤直接液化油品和石油基油品相比，具有大比重、高體積熱值、高體積比熱容、高熱安定性、低硫、低氮、低芳烴、低凝點的優(yōu)良特性。世界首套百萬噸級煤直接液化示范工程中的輸運系統(tǒng)(閥門、管線、泵等設備)在含固多相流的沖蝕磨損下經受著嚴重的考驗，系統(tǒng)的“安、穩(wěn)、長、高、優(yōu)”運行是確保企業(yè)安全生產、取得最高效益的有力保障[3]。裝置經過生產運行暴露出較多問題，其中管線及設備磨損問題尤為突出，給裝置安穩(wěn)運行帶來影響。本文將對煤直接液化工藝中管線及設備磨損問題進行系統(tǒng)深入的研究分析，此問題目前無可借鑒的處理經驗，故此問題的研究分析與解決措施只有依據(jù)本裝置的改造運行效果進行評價分析。

1 煤直接液化工藝

煤直接液化的基本原理是在高溫(400～480 ℃)、高壓(10～30 MPa)、臨氫條件下，將煤炭大分子的橋鍵打斷，并補充氫原子，使其成為穩(wěn)定的小分子，液態(tài)小分子進一步加氫精制、加氫提質，將芳環(huán)飽和，除去雜原子，加工成合格油品。煤直接液化工藝主要由粉煤制備、催化劑制備、煤直接液化、加氫穩(wěn)定、加氫改質、輕烴回收、制氫、液化瀝青成型等裝置組成。

煤直接液化工藝流程如圖1所示。粉煤制備裝置完成磨煤、干燥、輸送等工序。煤直接液化催化劑以液氨為原料、FeSO4為溶液、煤粉為載體，用化學合成法完成制備。在煤液化裝置內，粉煤、催化劑混合物經高壓油煤漿進料泵和加熱爐完成升壓、升溫后，進入2個串聯(lián)的懸浮床反應器，在高溫、高壓、臨氫條件下進行煤的熱解加氫生成液化油。液化油經過煤液化裝置的常減壓塔進行分餾處理，液體產品在加氫穩(wěn)定裝置完成進一步的加氫反應，同時提供滿足煤液化條件的循環(huán)供氫溶劑[4-6]。分離過程中減壓塔底含固50%的煤液化瀝青產品被送至液化瀝青成型裝置處理。加氫改質裝置對加氫穩(wěn)定后的液化油再次加氫提質，得到滿足一定國家標準的石腦油、柴油等產品。輕烴回收裝置將生產過程中氫氣、液化氣、石腦油進行回收、加工、分離后再次利用。

圖1 煤直接液化工藝流程

2 磨損腐蝕失效分析及改進措施

煤直接液化工藝介質組分復雜，介質含固，工藝條件苛刻，介質輸送管線及設備內部經常出現(xiàn)磨損腐蝕失效的情況[7]。磨損沖蝕多發(fā)生在低壓油煤漿系統(tǒng)、高壓沖洗油系統(tǒng)、高壓反應系統(tǒng)、減壓分餾系統(tǒng)的流速變化位置。如儀表減壓閥閥后管線，低壓油煤漿泵、分餾裝置減壓閥后長半徑彎頭處、減壓塔入口等位置，原設計是對此類管路磨損考慮不足，一旦出現(xiàn)泄漏將造成較大危害，極易發(fā)生裝置大面積泄漏著火等事故。煤直接液化工藝管線及設備易磨損部位如圖2所示。

位置1-低壓油煤漿進料泵；位置2-低壓油煤漿返回管線；位置3-熱高分高壓差減壓閥；位置4-常壓塔入口控制閥閥后彎頭；位置5-減壓塔入口閥及襯套圖2 煤直接液化工藝易磨損部位示意

2.1 低壓油煤漿管線磨損及改進

粉碎篩選合格后的煤粉與高中溫溶劑油混合，同時加入催化劑油漿形成含固量50%的液態(tài)油煤漿，經過低壓油煤漿進料泵送至高壓油煤漿進料泵加壓，然后送到煤漿加熱爐與混氫進行加熱。

高壓油煤漿進料泵入口返回管線共兩路，即大循環(huán)線和小循環(huán)線。基本參數(shù)為：固含量47%～50%、溫度175 ℃、平均介質流速1.6 m/s，流量調節(jié)閥的形式為偏心旋轉閥，前后壓差約為0.75 MPa。大小循環(huán)線各有一套控制閥組，用來對高壓油煤漿進料泵入口流量和壓力進行調節(jié)，以保障進料泵安全穩(wěn)定運行。但較高固含量的流體經過偏心旋轉閥后流體發(fā)生加速的同時產生偏流，導致后路管線磨損嚴重，極易在短時間內沖蝕泄漏導致著火等隱患。低壓油煤漿管線運行3個月磨蝕情況如圖3所示。

為了避免發(fā)生磨損導致泄漏，將管道壁厚由原始設計的SCH80 提升為SCH100，并在控制閥閥后管線內壁堆焊非晶態(tài)納米耐磨材料，形成閥后耐磨短管，同時每3個月下線控制閥組對后路管線沖蝕情況進行直觀檢查。經過改進后，運行周期內再無泄漏情況發(fā)生，節(jié)省大量維修費用的同時保障了裝置的安全運行。

圖3 低壓油煤漿管線運行3個月磨蝕情況

2.2 高溫含固耐磨油煤漿泵磨損及改進

煤直接液化工藝中，為了輸送高溫高含固油煤漿，采用了大量耐磨離心泵。在裝置長周期運行中，由于介質高溫含固的原因，泵的葉輪、襯套等內件磨損嚴重，影響整個裝置的安全穩(wěn)定運行。這種情況主要發(fā)生在煤漿制備系統(tǒng)的低壓油煤漿泵、常減壓塔底泵。低壓油煤漿泵主要是將混合好的油煤漿輸送到高壓油煤漿進料泵入口升壓后進入反應系統(tǒng)。減壓塔底泵主要是用來輸送減壓塔底含固50%煤液化瀝青，大部分去液化瀝青成型裝置進行處理，使用溫度可達345 ℃，最大黏度166 mPa·s。

此類型泵自2008年運行以來存在較多故障，單臺泵運行周期僅為1 400 h，不僅造成維護檢修工作量大，且運行介質溫度較高，介質易燃易爆，嚴重威脅安全生產。通過對一個運行周期的故障統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該類型泵主要故障原因集中在泵體過流部件，如葉輪、泵體襯里因沖刷嚴重造成泵流量降低等方面。機泵內部件磨損情況如圖4所示。

圖4 機泵內部件磨損情況

通過檢修拆檢分析發(fā)現(xiàn)，副葉片外緣處的相對速度較大，并且靠近隔舌處的葉片外緣相對速度要大于其他葉片外緣相對速度。同時發(fā)現(xiàn)流體沿著相對速度方向對于副葉片壓力面的撞擊是造成副葉片壓力面磨損的原因之一，并且隔舌處的局部高壓引起葉片掃過隔舌時的相對速度較大。速度環(huán)量與渦量同樣是表征漩渦強度的兩個重要參數(shù)。速度環(huán)量較大的區(qū)域主要集中在副葉片外緣吸力面附近，并且靠近隔舌處最為明顯。可以認為，這種較大漩渦強度引起的二次流撞擊是造成副葉片吸力面磨損的主要原因之一[8]。副葉片磨損情況如圖5所示。

圖5 副葉片磨損情況

由仿真模擬分析出的磨損率與實際運行結果相吻合，根據(jù)多個位置的仿真模擬計算后，最終設計出一款適合煤直接液化工藝的耐磨離心泵泵體結構。同時將泵的材質進行升級，外殼體采用奧氏體304不銹鋼，以保證高溫狀態(tài)下的機械性能，內殼體采用耐磨白口鑄鐵材質KmTBCr26，形成泵的整個流道，承受介質磨損。通過技術改造，大大降低了進口備件采購的費用，同時實現(xiàn)設備國產化的應用，機泵連續(xù)運轉時間由原來的1 400 h增加到目前的7 200 h以上，泵體過流部件磨損問題基本解決。

2.3 高壓差減壓閥磨損及改進

熱高分底部的高壓差減壓閥是煤直接液化工藝的關鍵設備之一，是影響裝置長周期運行的關鍵閥門。裝置運行初期閥門周期短、切換過程復雜、碳化鎢閥芯易碎幾個關鍵問題凸顯。同時高壓差減壓閥操作條件復雜，處在高溫、高壓差、高含固的條件下，閥門最高壓差達到16 MPa。裝置運行初期該閥門是從德國進口，專為煤直接液化工藝而設計的，用于控制熱高分液位，同時進行快速減壓，將高壓系統(tǒng)的高壓介質降至中壓系統(tǒng)壓力，快速減壓的過程中閥門內部產生嚴重氣蝕現(xiàn)象，因此閥芯及襯套磨損非常嚴重[9]。

高壓差減壓閥材質為ASTM A351 CF8C，閥座和閥芯均采用碳化鎢耐磨材料，實際運行過程中發(fā)現(xiàn)碳化鎢極易在高頻振動的情況下發(fā)生損壞，開工初期只能維持3～4 d，嚴重地影響了裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行。高壓差減壓閥襯套和閥芯磨損情況如圖6所示。

圖6 高壓差減壓閥襯套和閥芯磨損情況

經過多次碳化鎢噴涂、激光熔覆碳化鎢、燒結碳化鎢等多次試驗后，最終掌握了提高復合材料抗磨性的方法。同時將閥門內部的4個襯套整合成1個整體襯套，材質更換為TP347，襯套內部噴焊非晶態(tài)納米抗磨材料，使用銷釘進行固定。通過改造，從根本上消除了閥體振動對閥門內件造成的影響，閥門由最初的只能運行幾十小時到現(xiàn)在的穩(wěn)定運行2 700 h以上，從而解決了純碳化鎢易破裂的問題，大程度地延長了使用壽命，保障了裝置長周期穩(wěn)定運行。

2.4 常壓塔入口大彎管磨損及改進

煤直接液化分餾系統(tǒng)將反應系統(tǒng)的高溫中壓分離器底部液化油送至常壓塔，常壓塔底部物料經過減壓加熱爐加熱后送至減壓塔進行減壓分離，減底物料送至液化瀝青成型裝置，形成最后的煤直接液化固體產品——煤液化瀝青。由于閥門及管線通過變徑等方法進行減壓，高流速經過液控閥后引起偏流導致磨損，主要磨損發(fā)生在高溫中壓分離器底部去常壓塔液控閥閥后45°彎管，由于熱中分底部物料經過液控閥調節(jié)流量后，介質發(fā)生偏流引起后路彎管發(fā)生嚴重沖蝕，彎頭管徑壁厚50.1 mm、材質為F347H，管路設計壓力3.0 MPa、設計溫度380 ℃。大彎管沖蝕情況如圖7所示。

圖7 大彎管沖蝕情況

為解決這一問題，經過分析對比采用激光熔覆工藝進行改造。激光熔覆是用高能量密度的激光束將合金粉末涂層與工件表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性[10]。彎管內表面重新清理打磨后熔覆一層高強度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的合金。熔覆層厚度2～3 mm，熔覆材料為鈷基合金或強化鎳基合金粉末。鈷基合金涂層硬度可達HV1000以上，在相同工況下，使用壽命是不銹鋼的10倍，且耐腐蝕性能強。經過改進后該處沖蝕情況大大改善，達到了良好的改造效果。

3 結論

(1)通過分析煤直接液化工藝發(fā)生的磨損部位規(guī)律發(fā)現(xiàn)，煤直接液化工藝中管線及設備磨損問題主要是由于物料高固含量、高介質流速、介質流體偏流、產生相變氣蝕等作用的結果。

(2)根據(jù)磨蝕產生的原因制定了相應的解決措施：適當提高管線原始壁厚、管道內部堆焊新型耐磨材料、優(yōu)化輸送固含量介質設備結構、優(yōu)化材料提高表面硬度等。

(3)通過對以上各磨損部位的改造及優(yōu)化措施的實施，有效降低了整個工藝過程中管道及設備的磨損，為根本解決此問題提供了方向，這對進一步研究管線及設備磨損問題的原因及徹底解決該問題都有非常重要的指導作用。