德士古水煤浆气化装置工程设计问题探讨

第26卷第4期化学工业与工程技术Vol. 26 No. 42005年8月Journal of Chemical Industry & EngineeringAug.2005工程设计德士古水煤浆气化装置工程设计问题探讨张旭东,包宗宏(南京工业大学化学化工学院,江苏南京210009要:结合工程设计对8.7MPa德士古水煤浆气化装置中工艺、管道材料选择、关键设备、阀门选型及管线设计等方面进行了探讨。关键词:德士古水煤浆气化;管道材料选择;锁斗;锁斗阀中图分类号;TQ546文献标识码:A文章绵号:1006-7906(2005)04-0037-05南化公司大化肥装置的原料由原沥青+渣油改气化炉,与经工艺烧嘴中心管和环隙进入气化炉中为水煤浆,采用德士古水煤浆加压气化工艺,是目前的99.5%纯氧发生部分氧化反应,生成合成气,主世界上德士古水煤浆气化装置中压力最高、单炉产要成分为H2,CO,CO2,H2O,少量CH4及未反应的量最大的项目。该装置气化压力87MPa操作温炭粒子。度1400℃左右,单台气化炉容积25.5m3(900立方气化炉燃烧室内产生的合成气在激冷室中与来英尺),产气量(H2+CO)87500m3/h,单炉产量满自碳洗塔的激冷水接触冷却,从激冷室出来的86足日产千吨氨的要求。德士古水煤浆气化技术自MPa,256℃C的灰水送到灰水处理部分闪蒸。从激1993年在山东鲁南化肥厂实现工业化以来,国内先冷室出来的86MPa,269℃的粗合成气送到碳洗后在上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、安徽淮南化肥厂塔用水洗涤,脱除固体颗粒并被水蒸汽饱和。合成投入工业化运行,压力等级为4.0MPa或6.5MPa,气洗涤水来自CO变换工段的工艺冷凝液。清洁的积累了大量的工程经验和操作经验。但因本项目的饱和合成气被送到CO变换装置,该装置产生的工气化压力等级高、单炉产量大,由此带来了一系列工艺冷凝液大部分可回收并用于合成气洗涤。艺、设备、仪表等方面问题,因而存在相当大的技术气化反应中产生的熔渣进入激冷室冷却后,温难度和风险。本文结合工程设计,就德士古水煤浆度降至95℃,炉渣经破渣机锁斗阀进入锁斗,最终气化工艺、管道材料选择、关键设备阀门选型及管冷却到61℃。锁斗中的渣水每隔30min排入渣池线设计等方面作一探讨。中。粗渣由捞渣机捞出后装车外运,灰水溢流至渣1工艺概述池中的灰水仓,经渣池泵输送至灰水处理工段新建气化装置采用美国德士古( TEXACO)发1.3灰水处理展公司的专利气化技术,选择部分氧化法、工艺气激由气化炉来的黑水(8.6MPa,256℃)和由碳洗冷流程以及四级闪蒸灰水回收工艺。气化装置主要塔来的黑水(8.4MPa,264℃)分别经过液位控制由3部分组成:原料准备、气化、灰水处理阀、流量控制阀减压进入高压闪蒸器中,闪蒸压力1.1原料准备3.5MPa(表压,下同),温度241℃,黑水中溶解的原料煤通过管式皮带机输送到磨煤机。磨煤机H2S,CO2等气体被闪蒸出来。高压闪蒸气经冷却采用湿式棒磨机,设计能力45.2t/h,正常操作能力分离后,不凝气(含CO,H等)送至火炬。冷凝液经39t/h,共2台。来自灰水处理单元的灰水送到棒液位控制阀减压后进入脱氧水槽磨机中,加入助溶剂,制成质量分数63%~65%的高压闪蒸器的黑水经液位控制阀减压后排至中水煤浆煤浆粒度小于8目。为降低黏度,水煤浆中压闪蒸器,闪蒸压力07MPa温度170℃。中压闪可加入化学添加剂。63%~65%的水煤浆通过低压中国煤化工煤浆泵打人煤浆槽。CNMHG南通人,199年7月毕1.2气化业于青岛化工学院无机化工专业,大学本科,工程师,现主要从事专高压煤浆泵将水煤浆加压后通过工艺烧嘴送人业技术管理工作化学工业与工程技术2005年第26卷第4期蒸气经冷却分离后,产生的不凝气送至火炬。冷凝分数小于或等于150×10-6时选用316L不锈钢;氯液送入脱氧水槽离子体积分数大于或等于150×10-6时选用双相钢中压闪蒸器排出的黑水进入低压闪蒸器,闪蒸SS2507。由于黑水pH值较低,氯离子含量高,不压力为0.09MPa,温度118℃,闪蒸产生的气相送建议黑水管线采用腐蚀裕度6mm的碳钢。所有黑入脱氧水槽回收热量水、激冷水、灰水管线均采用双相不锈钢(如2507合低压闪蒸器浓缩的黑水进入真空闪蒸器,在真金),该材料在低pH值、高氯离子黑水中使用性能空泵的抽吸下,真空闪蒸器内压力为-0.082MPa,极佳。考虑到双相不锈钢在国内采购较困难,PDP温度57.8℃,真空闪蒸器排出的黑水增压后进入澄给出了替代方案并评估了技术风险清槽,固体颗粒缓慢向下沉淀,最终由耙料机推向锥a)替代方案1:用在中国能采购到的321不锈钢底,含固量15%(体积分数)的黑水送入真空带式过替代,该方案风险中等。当水中氯离子含量高时,可滤机滤饼由汽车送出。澄清槽中灰水(固体质量浓能会在管道和阀门中造成氯离子裂缝,从而发生管度约50mg/)由澄清槽上部溢流槽流至灰水槽灰道泄漏由于破裂前会出现泄漏,因此一般不会发生水经低压灰水泵一部分送至除氧水槽,一部分送渣灾难性破裂潜在的泄漏区为阀门填料区、管道排液池,另有一部分送至锁斗冲洗水罐作冲洗水用。口及任何“死区”或干湿交替区(可能聚集氯盐)2部分管道材料的选择b)替代方案2:用在中国能采购到的321不锈2.1氧气管线钢替代,同时可提高水流量并通过冲洗将氯离子体氧气高压输送有相当大的危险性,根据欧洲气积分数降至150×106以下。该方案风险低,不大体协会(EGA)标准,氧气管线若采用304不锈钢材可能发生管道泄漏质,10MPa压力下,速度限值为4.5m/s。本项目c)替代方案3:采用碳钢通过加碱性物质(如氨高压氧气到达界区的压力为99MPa,氧气量水)将pH值提高到6.5以上。该方案风险高,若处40000m3/h。从空分到本装置氧气总管采用304理不当,在高速湍流区将很快发生管道泄漏。潜在不锈钢,DN250mm,速度2.51m/s,应该是安全泄漏区为泵出口管道、调节阀下游及管道方向改的。由于在气化炉附近安装仪表、阀门等条件的限变处。制,采用DN150mm管,流速远高于45m/s,采用从工艺操作、技术风险来看,德士古公司PDP304等普通不锈钢十分危险。为安全考虑,氧气流中有关双相钢SS2507的替代方案(1)相对可行,但量计下游氧气管道宜采用镍合金( Inconel)或铜镍还存在其它问题:首先,国内321管道易采购,但合金( Monel)。在以前的德土古水煤浆装置中曾采321不锈钢阀门很少生产,难以采购;其次选用321用 Monel400合金或 Inconel600合金,但因 Monel作为黑水管线材质,根据温度压力关系,阀门及法的许用应力较低相同压力下壁厚增加,费用提高;兰应选用1500#*,造成管线及阀门投资费用增加而 Inconel600在其他装置中发生过多次聚磺酸破经对304,304L,316,316L及321奥氏体不锈钢的裂,因此该段管线选用 Inconel625合金。 Inconel强度及温度压力关系(见表1)进行比较,发现316625管线和管件应为固熔退火状态,或固熔退火及不锈钢是双向钢S2507较合适的替代品热稳定状态。固熔退火状态是指加热到1100~表1PN15.0MPa(CLSS900)温度-一压力关系1200℃,至少保持温度1h,然后用水淬。水淬速率作温度/C最高无冲击工作压力/MPa为3min内将金属温度降至430℃以下。固熔退火316304L,316L10012.2612.6610.35及热稳定状态是指加热到1100~1200℃,至少保10.911.55持温度1h,然后炉温冷到980℃,保持4h,最后强制风冷。9.161092.2黑水管线8.729.499.162.2.1工艺包中黑水管线选材原则本装置设计原料优先选用山东兖州北宿矿的高M凵中国煤化工316承受的工作压硫煤,煤中氯化物体积分数340×106,因而造成黑力最CNMHG体不锈钢,法兰及水中氯离子含量高。在德士古提供的工艺设计包阀门廾级到10开,会增加投资。由于(以下称PDP)中黑水管线选材原则为:氯离子体积黑水中存在甲酸等有机酸,316抗晶间腐蚀能力低怅旭东等德士古水煤浆气化装置工程设计问题探讨39于316L。德士古公司认为这种腐蚀的影响不是很槽再利用。锁斗工艺尺寸的大小直接影响集渣、排大,同时我们了解到可采取以下措施解决晶间腐蚀渣过程及气化炉的运行,同时还涉及到其他工艺设问题:管子、管件、法兰采用316/316L双证书钢,该备的确定。在设计中将渭河化肥厂锁斗渣水量与本材料目前无正式标准,但国内普遍采用。316/316L装置作了对比,见表2。双证书钢既有316强度高的特点,又有316L耐腐表2锁斗含渣量对比蚀性能好的特性。阀门采用316(CF8M),为防止介南化渭化项目质的晶间腐蚀,阀门固熔处理冷却时应快速通过敏正常最大正常最大化温度范围。炉渣/(kg·h-1)16106566869362.22黑水管线管材选择改进方案渣真密度/(kg·m-3)2403240324032403堆密度(经验值)/(kgm-3)1098109810981098从理论上讲,专利商德土古公司在黑水管线上炉渣体积m38.0314.675.166.32采用双相钢SS2507方案无疑是正确的。但由于该渣水体积/m16.0629.3410.3212.64项目投资有限,普遍采用双相钢SS2507投资巨大在分析对比的基础上,对黑水管线选材作了以下由表2可见,正常情况下本装置的炉渣及渣水修正体积约为渭化的1.56倍,最大量约为渭化的a)对于氯离子聚集的气化炉、锁斗、高压闪蒸器2.32倍。周围,包括所有液位计及进液位计高压冲洗水的部根据德士古公司的设计惯例及其它装置的操作分管线采用2507双相钢,其原因是氯离子体积分数经验炉渣的堆密度1098kg/m2,锁斗中渣、水体积高达(530~677)×10-6。比为1。德士古PDP中锁斗的原始尺寸设计为3.4b)气化炉至高压闪蒸器之间的黑水管线采用m×3.3m(40m3),设计基础是渣22m3(包括粗渣2507双相钢,氯离子体积分数677×106细渣),收集时间1.5h。在赴美进行PDP设计联络c)氯离子体积分数为468×10°的高压闪蒸器其间,我们和德士古专家为此进行了认真讨论,对比至中压闪蒸器部分管线(液位减压阀以前)采用渭化的具体情况,最终确定本装置锁斗尺寸为:内径2507双相钢2.6m,切线高度4.35m,体积31.8m3,收集时间约d)其它高压黑水管线采用316不锈钢,低压灰1h。而渭化锁斗容积为8.77m3,收集时间约45水管线采用304不锈钢。min。提高锁斗的容积,唯一的好处是可增加渣水2.3合成气管线收集时间,在排渣系统不正常的情况下可维持相对合成气压力84MPa,温度256℃。气体成分长的时间运行,获得较长的修理排障时间,但带来的主要有CO,H2,CO2,H2O,H2S等,其中CO,H2体问题也是显而易见的。首先,尺寸增大会使排渣时积分数分别为39%,38%(干基)。因存在氢蚀的问间加长,即渣水停止循环的时间加长,从而使积聚在题,高温合成气不能使用普通碳钢因此合成气管道气化炉激冷室底部的炉渣增多,炉渣过多可能影响采用1.25Cr0.5Mo合金钢(焊后热处理)。气化炉的正常工作,易造成排渣管路不畅;其次,尺3锁斗工艺尺寸的确定。寸加大给设备的制作带来困难,同时增加了采购费在德士古煤气化装置中,锁斗是一个关键设备,用。锁斗不仅是高压容器(设计压力9.7MPa,设计它是气化炉排渣系统的重要组成部分。气化炉排渣温度290℃),而且需要承受30mn一次的压力和系统主要由锁斗、锁斗冲冼水罐、渣池、捞渣机、锁斗温度交替;此外,锁斗容积过大,会造成排渣系统其冲洗水循环泵、渣池泵以及相关程控阀门组成。其它设备能力也随之增大,同样也增加了投资。主要工艺过程是:气化炉激冷室底部的粗渣,通过与4锁斗阀的选择气化炉下法兰相连的破渣机将大块炉渣破碎;后经就德土古水煤浆气化装置而言,锁斗阀是最关过2个锁斗进口阀进人锁斗,根据德士古PDP要键的阀门之一。本装置共有3个锁斗阀,2个DN求,每隔30min,锁斗在锁斗系统逻辑程序控制下,450mm锁斗进口阀位于气化炉与锁斗之间,互为经过卸压(8.7MPa到常压)、冲洗、排渣、升压(常压备用中国煤化工mm锁斗出口阀到8.7MPa)等18个步骤完成排渣过程;渣水通过位于钟CNMHG主要分2个阶段:锁斗下部1个锁斗出口阀落入渣池,由捞渣机将粗灰渣收丿們仄〖双\简称排渣)。在集渣捞出,装车运走;沉淀后的渣水经渣池泵送到澄清渣阶段(约28min),2个锁斗进口阀打开,锁斗出口40化学工业与工程技术2005年第26卷第4期阀关闭,渣水进入锁斗;排渣阶段(约2min),锁斗进在我国有成功的使用业绩,如渭化、上海焦化、山东口阀关闭,锁斗卸压后,打开锁斗出口阀,将锁斗内鲁南等,此类阀门在锁斗阀上最高使用压力为渣水排入渣池。锁斗阀开关频繁,每30min动作6. 5 MPa次,要求在全开和全关之间循环。锁斗阀处理的介2种球阀的结构各有特点。浮动式球阀下游阀质为含渣热水,工艺流体中含固量约20%(体积分座固定(或与下阀体一体化),球体浮动,上游阀座通数),最大极限粒度50mm。渣水对阀门的侵蚀作用过弹簧(通常是蝶形板簧)与球体紧密接触。管道内极大,工作条件恶劣,阀门要在高压(8.7MPa)、高介质的压力(上、下游压差)将球体推向下游阀座,使温(110℃)和低压(常压)、常温情况下交替工作,且两者紧密接触,形成正向密封。上游阀座和弹簧提阀门故障时要在全压差(8.7MPa)状况下关闭,工供反向密封,同时补偿温度变化引起的热膨胀。球艺要求特别高。PDP中要求锁斗阀采用全通径硬体重量由阀座承担,不直接作用在阀杆上,不会影响密封型球阀阀杆的对中,从而保护阀杆和填料不会因偏载造成4.1锁斗间结构型式的比较局部过度磨损而泄漏目前,德士古水煤浆气化装置上使用的金属硬支轴固定式球阀球体固定,通过支轴由阀体来密封球阀主要有2类,一是以美国 MOGAS公司为承受球体重量,阀座不受球体重量影响。密封主要代表的浮动式球阀( Floating Ball Valve),目前在美由上游阀座提供,上游阀座背后的弹簧将上游阀座国 Delaware City的 MOTIVA装置上有成功的使推向固定不动的球体形成密封。管道内介质压力通用业绩,阀门的设计压力7.5MPa,工作压力6.5过阀座两面承压的面积差将之推向球体帮助密封。MPa;二是以芬兰 Mesto automation为代表的支轴4.2两种类型锁斗阀性能比较固定式球阀( Trunnion mounted ball valve),目前见表3表32种球阀性能比较类别浮动式球阀支轴固定式球阀结构球体和阀杆分离,球体浮动,下游阀座固定,上游球体和阀杆分离或一体,球体固定,阀座阀座可移动「移动密封机理(正向)下游阀座密封。管道内介质压力为主弹簧加载上游阀座密封。弹簧加载为主管道内介质压力为辅密封面宽较窄上下游压差影响压差越大密封越好压差对密封影响不大在含大量固态介质由于球体可轴向移动,理论上不会被卡死。锋利有卡死可能,弹簧及传递压力通道有可能场合下应用的下游阀座边缘可对球体上固体颗粒进行刮削被固体颗粒堵塞,使球体和阀座间的密封清理,移动球体可破碎积集的颗粒并使其弹出机理遭到破坏面引起泄漏所需执行器力矩所需工作转矩大执行器投资高,外形尺寸大要求安装空间大所需工作转矩小,可节省执行器投资费用由表3可见,从工艺和操作来看,浮动式球阀密5关键管线的设计封性能好、不易卡死,较适合本装置的要求,但由于5.1水煤浆管线锁斗阀要求在全压差(8.7MPa)情况下关闭,所需a)水煤浆流速应控制在0.3~1m/s,以防止在力矩很大,给执行器的选择带来较大的困难同时会低速时出现沉降高速时出现侵蚀增大投资。从结构来看,支轴固定式球阀有卡死的b)水煤浆管线应使用长半径弯头(R=5D),便可能国内诸多应用实例发生过严重问题使装置无水煤浆流动,减少对管线侵蚀c)水煤浆管线不采用90°三通。法运行,但所需工作转矩小,执行机构较易选择,投资少。总之,2种球阀在德士古水煤浆气化装置中堵塞中国煤化工可液袋现象,否则易均有应用,但均无8.7MPa工作压力的应用业绩CNMHG浆管线应尽量短,采其业绩是我们选择的重要依据。用尽量少的管件以减少入口管线的压降。第26卷第4期化学工业与工程技术Vol 26 No 42005年8月Journal of Chemical Industry & engineering蒸汽管道热补偿设计相关问题的分析吴继林(江苏省化工设计院有限公司,江苏南京210024)搞要:简要论述了管道热补偿的基本原理强调在补偿设计时应注意的问题并对一些工程项目中出现的典型问题进行了分析说明。关键词:管道;热补偿;热应力;支架中图分类号:TK284.1文献标识码:A文章编号:1006-7906(2005)04-0041-04蒸汽管网供热压力一般约1.0MPa,温度高达式中300℃,最大管径已达1000mm,供热半径达6~7△L——管道的热伸长量,mm;km,而一些特殊的热用户对压力和温度的需求更a—管材的线性膨胀系数,×10-6/℃;高。根据最近接触的几次膨胀节爆管事故,笔者认L—两固定支架间的直线距离,m;为蒸汽管道设计中,必须充分考虑管道的热补偿问△t—工作温度与安装温度之间的差值,℃。题,并釆取相应措施,合理选用膨胀元件与合理设置在管线两端都固定的情况下,管子不能自由伸固定支架,否则产生的作用力将通过管道传递到固长,传给固定支架的力可按下式计算定支架和相关联的设备上,对设备以及管道的安全F=Eef=aE△tf=of运行构成一定的威胁。充分认识管道推力产生的机式中,理,对设计、施工及管道管理的各级人员都非E—钢材的弹性模量MPa;重要管线材料的应变1热伸长与热补偿f钢管的截面积1.1热仲长在工作温度为200℃时,单位长度的4219mm管道内供热介质及周围环境发生变化,将引起管道的热胀冷缩,使管壁产生巨大的应力,其伸长收稿日期:2005-04-01作者简介:吴继林(1966-),男,江苏六合人,1987年毕业于值为:南京化工动力专科学校热能工程专业,1999年毕业于哈尔滨工业大△L=aL△t×1000学,本科,工程师,长期从事热电站工程设计工作f煤浆槽和磨机出口槽出口阀门应采用柱塞距也应最小,保证高压氮量最小;下游切断阀与工艺式。柱塞阀可消除管线中的死区,从而防止煤浆沉烧嘴的间距必须最小,以使充满氧气的管道体积最降引起的堵塞小;放空阀本身与氧气总管线的间距应最小。g)在煤浆管线主要部位应提供冲洗连接。主c)氧气管线上氧气流量计离烧嘴距离尽量短,要部位包括管线上的所有高低点,冲洗水连接阀门减少 Incone625合金的用量,以降低投资。必须为球阀。d)由于本装置氧气温度为37℃,管线应力对h)水煤浆管线上的爆破片、压力安全元件、安管线设计要求不高,因此,氧气管线设计在不违反全阀(PSV)及压力仪表应安装在水煤浆管线上方且国家标准的情况下,力求简洁,尽量少用弯头等间距最短,以防止堵塞管件。5.2氧气管线6结语a)氧气管线设计必须遵循《氧气站设计规范》8.7MPa德土古水煤浆气化装置工程设计中需(GB50030-91)、《氧气及相关气体安全技术规程》要探讨中国煤化工方面对设计中出(GB16912-1997)现的问是b)就本装置而言,在管道设计中,上游切断阀的大小CNMHG材料,确定锁斗及目减的注意事项是十与氧气放空阀的间距应最小,2个切断阀之间的间分重要的,也是很关键的。