粉煤气化排渣系统管道设计浅析

杨　柳

北京石油化工工程有限公司西安分公司　西安　710075

粉煤气化排渣系统管道设计浅析

杨柳*

北京石油化工工程有限公司西安分公司西安710075

摘要结合具体项目，介绍粉煤气化渣水管道的运行现状，分析渣水管道运行的基本特点及设计难点，并对材料选择及管道布置设计给出了合理建议。

关键词渣水管道布置选材磨损堵塞

随着粉煤气化技术在国内的发展，气化炉作为各种气化工艺的核心设备，其设计虽然各不相同，但除渣系统设置却大致相同，此系统主要负责熔渣的冷却、粉碎及排放，是影响装置连续、平稳运行的关键因素之一。渣水管道输送的介质相对普通介质来讲较为特殊，为含有炉渣及未燃烧煤组成的细渣，运行过程中管道极易腐蚀、磨损以及堵塞，严重时会将管道及管件磨损穿孔。因此气化炉无论是材料的选择或是管道布置，均应根据其自身特殊性，进行合理设计，以避免频繁更换管道及阀门，保证装置长周期运行。

1排渣系统流程简介

气化炉底部的高温熔渣首先通过破渣机依次进入渣收集器，渣锁斗，并定时将渣水排放至捞渣机，再通过捞渣机捞出送至渣场。当收渣时，渣收集器上部的渣水通过渣池循环水泵经水力旋流器，进入循环灰水冷却器利用循环水移走熔融炉渣带入的热量，进入气化炉进行循环使用，排渣时灰水泵使水在渣收集器与渣锁斗之间循环。排渣系统流程见图1。

2渣水管道的特性

2.1物料参数

渣水管道内物料为固液两相，主要物料介质为细渣与循环水。细渣成分一般为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等，粒度分布为95%<5mm、80%<2mm、60%<1mm、30%<0.5mm，100%<0.1mm，物料颗粒密度为2000～2600kg/m3，堆密度为1500kg/m3，操作温度为78℃，操作压力为3.53MPa，设计温度为150℃，设计压力为5.8MPa。

图1　排渣系统流程

2.2磨损性及沉积性

磨损性是指由渣水产生的摩擦力作用导致材料破坏，通常含固体颗粒易出现上稀下浓的状态，对管壁磨损严重，加剧材料的破坏。沉积性是指渣水在水平管内流动时，若部分固体颗粒得不到来自液体的动力，会停止运动而沉积于管底，影响渣水的输送，这在单相流输送的管道内不会发生，而在渣水管道中是必须要考虑的。

2.3磨损性及沉积性与流速的关系

渣水管道若流速偏低，流动性较差，则产生沉积，减小管道的流通面，直至堵塞整个管道，若沉积物长期不清理会导致硬化、结块，最终使整个管道报废。若流速过高，固体颗粒对管道内壁产生严重的磨损或冲蚀，大大增加管道阻力，不仅加剧管道磨损，还增加了输送动力的消耗。在工程设计中，一般多是控制管道的实际输送速度稍大于临界流速(使固体颗粒能刚好保持悬浮状态而不发生沉降的流速)，考虑到以上因素，通过核算并根据以往工程经验，将渣水管线流速范围确定为1.0～1.5m/s。

3渣水管道设计

3.1氯离子对材料选择的影响

渣水中主要含有硫化氢、氯离子，渣和水，当选用不锈钢材质时，尤其应注意氯离子的浓度。随着反应过程中水系统的循环利用，氯离子不断累积，浓度不断增大，是对设备及管道造成腐蚀的主要因素。影响氯离子浓度的几点因素：①煤质；②新鲜水；③气化后工艺的影响：气化后工艺一般有两种流程，废锅和激冷流程。废锅流程，即先采用循环煤气激冷，然后进一步对合成气进行冷却；激冷流程，即采用水激冷的方式对合成气进行直接冷却。与废锅流程相比，激冷工艺黑水量高，离子浓度明显低，一般来讲激冷工艺不高于500mg/L，而废锅工艺可高达3000mg/L。

根据气化工艺的操作条件及氯离子浓度，选择合适的材料，对于氯离子较高的工况，建议选用抗氯离子腐蚀性强，同时又具有很高机械强度和优良耐腐蚀性能的双相钢。与普通奥氏体不锈钢相比，其最大优势为解决了氯离子环境中常发生的点腐蚀，通常用抗点蚀当量数FPREN来计算：

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

式中，WCr、WMo、WW、WN分别代表合金中铬、钼、钨、氮的质量分数。FPREN值越高，抗点蚀能力越强。由于奥氏体不锈钢与双相钢元素组分存在差异，尤其是FPREN值起关键作用的N含量，因此双相钢较奥氏体不锈钢抗点腐蚀能力要高很多,但为保证钢材性能，一般规定N含量≥0.15%。

在工程设计中，首先应从源头入手，尽量降低氯离子的含量，比如通过增加循环水量来降低氯离子含量等手段，再根据实际工况条件，综合考虑其安全性、经济性选用合适的材料，但选用双相钢材料时，应注意以下两点：

(1)在高氯离子环境中，无论从安全性、使用寿命以及减少运行成本都具有很大优势，但双相钢造价较高，而且目前主要依靠国外市场，采购周期相对较长，设计时应提前规划管道走向，减少后期设计改动量，尽早提供准确的材料数量用于采购，以免影响项目工期。

(2)由于气化工况较为恶劣，双相钢虽然耐腐蚀能力较强，但并不意味着不会腐蚀， 故应定期进行监测，当发现管道壁厚存在减薄的情况时，应视情况更换受损管道。

3.2陶瓷衬里管道

陶瓷衬里管是在碳钢管道中内衬2.5～5mm厚的陶瓷，内衬层由陶瓷层(Al2O3，Fe2O3)和过渡层组成，过渡层把陶瓷层与钢管内壁牢牢的粘结成一体。陶瓷的高硬性与钢管的高韧性、高塑性相结合，具有良好的耐磨、耐蚀，耐高温、耐压和高强度等特点，其价格是无缝钢管的3倍，但其使用寿命却比无缝钢管长30倍，适合用于磨蚀严重的管线中。

在排渣流程中，水力旋流器用来维持渣的含固量在1%～1.5%(wt)之间，含固量小于此值的渣水进入循环灰水冷却器，大于此值的渣水(灰浆)去酸浆处理。为了控制灰浆管的流量以及减压排放，在此管线上设置了限流孔板，导致通过限流孔板后，流速变高，流型发生变化，对管道的磨蚀极为严重，故为降低管道的检修频率，保证安全生产，考虑使用耐磨性较好的陶瓷衬里管道，并要求在限流孔板下游10D的管道需衬陶瓷保护(包括限流孔板)，见图2。

图2　陶瓷衬里管道示意图

陶瓷衬里管线设计时需注意：

(1)为保证渣水流型稳定，平滑过度到非衬里管线上，限流孔板下游“10D”采用陶瓷衬里，“10D”是指管段的长度，而不包括法兰的长度。

(2)由于其制造工艺的特殊性，为保证陶瓷衬里管的内径与相连钢管内径一致，陶瓷管一般会选用比相应钢管大的法兰与管道，通常为异径法兰。

(3)陶瓷衬里管道不允许采用焊接型支架，否则会破坏其耐腐蚀层。

3.3阀门的选择

由于渣水含有大量固体硬颗粒，传统的阀类如闸阀和截止阀都无法适用，金属硬密封耐磨球阀(全通径)是目前被普遍认可的一种阀门。不仅工艺介质应选用全通径球阀，浆液管道上的排气、排液管的切断阀，冲洗水连接阀门也宜选择全通径球阀，主要考虑以下两个方面：

(1)全通径球阀具有与管道内径完全一致的管道通径，流体阻力基本为零，不会改变流体的流型，能减小涡流，便于清扫，适合渣水管道选用。

(2)阀门的密封面是阀座与启闭体互相接触的部分，极易受到固体颗粒的磨损和介质的冲蚀及腐蚀，其密封性随着服役时间的延长而降低。在渣水介质中，球阀的密封面应选择耐磨蚀、耐冲蚀和耐腐蚀的材料，例如用热喷涂的方法在阀球和阀座处喷涂STELLITE镍基合金。目前已经有专利在阀座采用特殊的刮刀环设计，阀门动作时能刮擦粘在阀球上的颗粒介质，起到自清洁作用，避免异物刮伤密封面，同时锋利的边缘可对体积较大的煤渣切断，从而确保阀门能够自如的启闭，并具有良好的密封性能。

3.4渣水管道连接方式

渣水管道应选用对焊或法兰连接形式，不得使用插焊与螺纹连接(螺纹密封)形式。《工业金属管道设计规范》GB50316-2000中规定：承插焊连接接头与螺纹连接(螺纹密封)接头不能用于有缝隙腐蚀的流体工况中，而渣水管道易发生沉积，易产生滞留液体，也就易发生间隙腐蚀。

4渣水管道布置要求

4.1设备及管道的布置

排渣系统设备与设备间均采用串联布置的方式，其顺序依次是气化炉、破渣机、渣放料罐、渣锁斗、捞渣机。排渣系统直接影响气化炉的支撑高度，而气化炉是气化装置最为重要的设备，其安装高度决定着框架的结构(为兼顾气化框架的稳定性及经济性，以气化炉支撑楼面为界，楼面以下为混凝土结构，楼面以上为钢结构)、总高以及其他相关设备安装高度，在设计初期就应由下而上对排渣设备及其相关阀门、管道安装空间进行核算，准确确定气化炉安装高度。

渣水管道不应出现“袋型”，除非有标高提升要求，管道应布置为“步步低”，并宜设置坡度，同时管道应尽量短，少弯，不要过分追求横平竖直，管道越短，发生堵塞的可能性就越小，而且渣水管道材质相对较为昂贵，过长的管道会增加投资。

当管道改变走向时，应采用大曲率半径的弯管，曲率半径一般应≥4DN，以保证渣水在管道中光滑过渡，减小管线磨蚀。但需注意尽量减少其使用数量：① 弯管在很大程度上改善了磨蚀现象，但过多的使用同样会增加系统压力损失、弯管磨损；② 弯曲处的静电吸附会使物料吸附在管壁而聚集堵塞管道。

4.2分支管的连接

(1)旁路、支管均应从主管的顶部或侧面接入，以避免物料形成滞留区域腐蚀管道。

(2)支管连接形式，应采用Y型三通，支管流向应顺主管流向斜接，夹角不宜大于45°。渣池循环水泵出口管就采用了30°的斜三通：① 为减少不合适的流动状态对管道造成磨损腐蚀，要求其流动状态均匀，避免在介质流动方向发生急剧变化；② 90°三通会对三通形成直接冲击区，而Y型三通可以尽量减小其影响，见图3。

图3　渣水管道分支连接形式

(3)排液管的正确做法应按图4(b)，弯管形式物料易积聚。

4.3阀门的布置

(1)阀门应安装在物料不宜聚积的位置，若管线上可能出现物料聚集，易堵阀门、部件应考虑设置冲洗、吹扫等措施。阀门应尽量水平安装，若必须垂直安装时，可考虑在靠近阀门处设置冲洗接头等措施，以防止渣水堵塞管道，正确做法见图4(c)，其中4(d)则不合理，阀门上侧易积液。

图4　渣水管道排液管

(2)阀门应尽量靠近分支处安装。可以避免当某一分支阀门关闭后，液体聚集、沉降在管道内而堵塞管道，形成死端，影响运行。

(3)渣水管道上的调节阀应与旁路阀布置在同一个平面上或将旁路阀布置在调节阀的下方，见图5。

图5　渣水管道调节阀组布置方式

5渣水管道支架设计

(1)由于渣水管道内易出现固/液两相流，加之某些管线与锁斗相连接，故在支架的设计时应避免管道的振动，具体可从以下几方面考虑：①适当部位设置导向架和限位架，同时，承重架、导向架和限位架应具有足够的刚性，若刚度不够，可能会加剧低频振动;②适当减少支撑跨距，同时在集中载荷处(如在阀门等质量集中处)设置支架，以减小偏心载荷和弯曲应力;③尽量采用支架，不宜采用吊杆，因吊架其刚度较小，与管子之间不存在摩擦，故它对管道的柔性限制较小，对管道的水平方向的晃动没有限制作用，易引起晃动或振动。

(2)渣水管线尽量避免选择焊接型管道支吊架，而应采用管卡(管箍)形式，若不可避免的用到焊接支腿型支吊架时，应注意两点：①支腿材料应与被支撑管道相同，为了节约材质，对超长部分(在离管壁200mm以外)可用相同壁厚的碳钢管对接焊接代替;②考虑到双相钢需长周期订货，且价格较贵，故选择支腿时，应统一规格，并尽量选用工艺管线已有规格。

6结语

渣水管道不仅具有普通流体的共性，同时具有易磨损、堵塞及振动等特殊性，如果设计不合理，就会造成管道内流体的沉积或堵塞，甚至磨穿管道，给生产运行带来隐患。因此，需针对物料特点进行合理设计，保证其安全性及经济性。

参考文献

1宋岢岢主编.压力管道设计及工程实例 [M] . 北京：化学工业出版社，2009.

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3ASMEB31.11，浆液输送管道系统[S].

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5黄新平，黄春梅. 循环冷却水中氯离子对板换材料选择的影响[J].石油化工设计，2006(2).

(收稿日期2016-01-15)

*杨柳:工程师。2005年毕业于江苏工业学院制药工程专业。主要从事设备布置和管道布置工作。联系电话：(029)88345588-8565，E-mail：yangliu1@bpdi.com.cn。