多元料浆气化闪蒸系统存在的问题及解决

丁海洋，王小军

（陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 718500）

1 概 述

陕西延长中煤榆林能源化工有限公司（简称榆林能化）600 kt／a甲醇项目气化装置采用多元料浆气化工艺，配置3台气化炉（两开一备），气化装置产生的气化黑水采用三级闪蒸工艺进行处理：气化炉黑水和洗涤塔黑水分别通过黑水角阀减压后进入气化高温热水器和洗涤高温热水器（压力为0.9 MPa）减压闪蒸，闪蒸出的气体通过灰水加热器冷却后部分冷凝，凝液进入高压闪蒸分离器，闪蒸出的气体送去汽提塔用作汽提气，高压闪蒸分离器中产生的高温凝液则送去除氧槽；经气化高温热水器和洗涤高温热水器闪蒸后的黑灰水分别通过角阀减压后进入低温热水器，通过低温热水器（压力为0.15 MPa）进一步闪蒸，黑水被浓缩，闪蒸出的气体送去除氧槽加热低压灰水除氧，低温热水器底部的黑水通过黑水角阀减压后进入真空闪蒸器；在真空闪蒸器中，通过真空泵控制黑水在-0.06 MPa压力下闪蒸，闪蒸出的真闪气从真空闪蒸器顶部排出，底部的黑水则通过澄清槽给料泵送入澄清槽。

2 气化闪蒸系统存在的问题

榆林能化气化装置2014年7月投运，2016年以前气化闪蒸系统运行基本稳定，其后在气化炉负荷由79 m3／h（入炉煤浆量，下同）提升至88 m3／h、单台气化炉运行周期提升至85～90 d（正常运行周期为65～70 d）的超负荷长周期运行工况下，为保证气化装置热负荷的平衡，不得不加大黑水排量，导致闪蒸系统出现了如下问题：①黑水减压角阀PV001和PV010阀芯、阀座磨损严重；②黑水减压角阀PV001、PV010阀后大小头磨穿；③缓冲罐底板磨穿。其中，黑水减压角阀PV001、PV010阀后大小头磨穿及缓冲罐底板磨穿问题尤为突出，2018年多次出现这两方面的问题，由于无法进行带压补焊堵漏，导致对应的气化炉被迫减负荷运行并放空泄压。

3 原因分析

大量黑水刺漏不仅影响气化炉的平稳、高负荷、长周期运行，而且影响到气化废水的水质，给整个气化装置的生产操作带来诸多不利影响。于是，有关工艺、设备技术人员从设备（或部件）材质和实际工况两方面对问题原因进行了认真分析与查找。

3.1 设备（或部件）材质

3.1.1 黑水减压角阀材质

榆林能化气化闪蒸系统黑水减压角阀PV001、PV010阀芯、阀座及阀后大小头采用的是316LL不锈钢，阀芯外包有一层碳化钨耐磨材料，但阀芯外包的碳化钨耐磨材料很薄，一般不到1个运行周期就被冲刷磨损了，碳化钨耐磨材料层磨掉后，316LL不锈钢起不到防磨作用，其很快磨损后导致流体出现偏喷。

3.1.2 缓冲罐材质

榆林能化气化闪蒸系统缓冲罐原始设计采用的是16Mn优质低合金钢，其含碳量为0.10%～0.25%，加入的主要合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、矾（V）、铌（Nb）、钛（Ti）等，具有综合性能好、低温性能好、冷冲压性能及焊接性能好等特性。实际生产中，由于黑水固含量较高（固含量1.5%～2.0%），且黑水减压角阀前后压差大，在流体高速流动下产生了较大的冲刷力，而16Mn优质低合金钢抗固体颗粒冲刷性能差一些，当气化炉运行到后半周期（1个运行周期一般为85～90 d）时，便出现了缓冲罐底板及黑水减压角阀PV001、PV010阀后大小头磨穿刺漏的问题。

3.2 气化闪蒸系统实际工况

原始设计负荷下，气化炉排黑水、洗涤塔排黑水、出气化高温热水器黑水、出洗涤高温热水器黑水、出低温热水器黑水的固含量分别为1.56%、1.08%、1.70%、1.30%、1.81%；而实际超负荷运行工况下，气化炉排黑水、洗涤塔排黑水、出气化高温热水器黑水、出洗涤高温热水器黑水、出低温热水器黑水的固含量分别为1.78%、1.10%、1.90%、1.51%、2.00%。由于气化炉排黑水和洗涤塔排黑水流量波动大且固含量高，大量的黑水不能稳定流动，而是以湍流的形式在各设备（或部件）内流动，这样的扰动流型加大了对设备（或部件）的冲刷磨损。

3.2.1 运行工况对角阀阀芯、阀座的影响

榆林能化气化闪蒸系统黑水减压阀采用的是角阀，角阀不仅会改变介质的流向，而且还起节流减压的作用，由于实际工况中阀门开度较小（小于20%），加之黑水固含量基本上在1.50%～2.00%之间，易造成角阀阀芯和阀座不同程度磨损；当运行到每个运行周期后期时，由于角阀阀芯和阀座的磨损，角阀开度会关到10%以内以控制黑水流量稳定，如此变相加剧了角阀的磨损，局部磨损到一定程度时流体便会出现偏喷。

3.2.2 运行工况对角阀阀后大小头的影响

当黑水减压角阀出现磨损后，阀后流体流向就会不均匀，出现偏喷，使得阀后大小头内喷头某个方位磨损严重，冲刷一定时间后喷头也开始出现偏喷，对大小头内壁造成不断冲刷，直到磨穿而出现刺漏。

3.2.3 运行工况对缓冲罐底板的影响

（1）原始设计中，气化高温热水器缓冲罐高度为1 015 mm，洗涤高温热水器缓冲罐高度为1 562 mm，其底板厚度均为30 mm。实际运行工况下，角阀阀前压力为5.6 MPa、阀后压力为0.9 MPa，阀前后压差较大，介质冲刷力度较大，这样一直冲刷着缓冲罐底板，缓冲罐底板不断减薄直至出现刺漏。

（2）原始设计中，低温热水器缓冲罐高度为905 mm，其底板厚度同样为30 mm。低温热水器角阀前后压差虽然只有0.75 MPa，相较于高温热水器角阀前后压差而言小了很多，但由于低温热水器对黑水进行了进一步浓缩，其进口黑水固含量已达1.51%～1.90%（超过设计值），这样的高固含量介质对低温热水器缓冲罐底板的冲刷是相当严重的，缓冲罐底板不断减薄直至出现刺漏。

4 优化改进措施

4.1 设备（或部件）材质改进

4.1.1 黑水减压角阀材质的改进

鉴于黑水减压角阀PV001、PV010运行1个周期后，由于阀芯表面碳化钨耐磨涂层全部被冲刷磨损掉，更换阀芯价格昂贵，且频繁对黑水减压角阀下线维修工作量大、工期长、费用高，经设备技术人员和仪表人员共同探讨，决定将黑水减压角阀PV001、PV010阀芯及阀座改用司太立合金涂层。司太立合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金，即通常所说的钴铬钨（钼）合金或钴基合金，具有较强的耐磨性、耐腐蚀性，常用作介质中有颗粒、开关比较频繁的阀芯及阀座的涂层，用焊条堆焊在黑水减压阀的阀芯及阀座后并打磨光滑。

4.1.2 缓冲罐底板磨损的解决

在气化高温热水器缓冲罐、洗涤高温热水器缓冲罐、低温热水器缓冲罐底部增设1块40 mm厚的防冲缓冲板，防冲缓冲板材质为NM450（NM450是一种高强度耐磨材料，主要用在耐磨场合或部位，为设备提供保护，以延长设备的使用寿命），其外径略小于缓冲罐内径，通过焊条堆焊的方式固定在缓冲罐底部。

4.2 闪蒸系统运行工况优化

4.2.1 调整高温热水器缓冲罐高度

黑水减压角阀前后压差大，流体冲刷力大，再加上黑水减压角阀阀后大小头内设有喷头，即使增设了防冲缓冲板，流体对缓冲罐底部防冲缓冲板的冲刷也不小，为此，决定增加缓冲罐高度——气化高温热水器缓冲罐高度由1 015 mm增至2 055 mm、洗涤高温热水器缓冲罐高度由1 562 mm增至2 355 mm，利用缓冲罐内蓄水静压抵消一部分流体冲刷力，以便尽可能降低流体对缓冲罐底部防冲缓冲板的冲刷。

4.2.2 气化炉出口黑水调节阀改型

原设计中，气化炉排黑水管路上设有2个自动调节阀——气化炉出口黑水调节阀和气化高温热水器入口前黑水减压角阀。气化炉出口黑水调节阀是一个偏心旋转调节阀，其特点是阀体流道近似一个圆筒，流体阻力小，有少量泄漏，安装方便；气化高温热水器入口前黑水减压角阀的作用是对黑水进行节流减压。

角形调节阀节流效果明显，偏心旋转调节阀在调节流量过程中前后压差几乎一致。于是，将气化炉出口偏心旋转调节阀改型为角形调节阀，通过角形调节阀的节流减压作用降低黑水减压角阀前后的压差，进而降低对相关设备的冲刷磨损。改型后，气化炉出口黑水减压角阀阀前压力由5.6 MPa降至5.0 MPa，而改型前后气化高温热水器压力均为0.9 MPa，即黑水减压角阀前后压差由4.7 MPa降至了4.1 MPa，这在一定程度上减轻了黑水对减压角阀的冲刷磨损。

4.2.3 控制气化炉排黑水量

原始设计气化炉满负荷（入炉煤浆量79.5 m3／h）运行工况下排黑水量为160 m3／h，在气化炉负荷提升至入炉煤浆量为88 m3／h时，为控制气化炉的热负荷，榆林能化将气化装置的排黑水量调整至180～200 m3／h，但长期观察发现，气化炉排黑水量过大导致大量灰渣不能及时沉降到激冷室底部并通过锁斗循环泵循环进入锁斗，而是通过气化炉排黑水被带到了闪蒸系统，导致气化炉排黑水固含量高。于是，通过工况优化调整，将气化炉排黑水量控制在160 m3／h。优化调整后，由于工艺气热负荷增加及水系统自平衡，气化炉激冷室部分表层液体被带到了洗涤塔中，洗涤塔出口工艺气温度略有上涨，气化炉激冷室液位基本上没有变化，气化炉排黑水量的减少增加了灰渣的静态沉降时间，绝大部分的灰渣都能通过锁斗循环泵循环进入锁斗中，这一点可以从捞渣机的电流变化中得到印证——优化调整前锁斗排渣前捞渣机电流为12.7 A、锁斗排渣后捞渣机最高电流为14.3 A，优化调整后锁斗排渣前捞渣机电流为12.7 A、锁斗排渣后捞渣机最高电流为14.9 A。

4.2.4 控制工艺气的热负荷

气化炉排黑水量减少后，工艺气的热负荷有所增加，洗涤塔出口工艺气温度由工况调整前的237.1℃上涨到238℃，由于系统压力没有变化，当洗涤塔出口工艺气温度升高后，系统饱和蒸气压也随之升高，可能导致大量洗涤水汽化后随工艺气进入变换系统。因此，为防止入变换系统工艺气带水，将洗涤塔液位由55%提高到60%，即通过增加工艺气的水浴时间控制其热负荷。优化调整后，洗涤塔出口工艺气温度降至237.4℃。

5 优化改进效果

（1）用司太立合金堆焊的黑水角阀阀芯及阀座打磨后虽然其密封性略有下降，但其耐磨性增强，再加上将气化炉出口黑水偏心旋转调节阀改型为了角形调节阀，适当降低了黑水减压角阀前后的压差，生产中黑水减压角阀的阀位可基本保持不变——控制在10%～15%，黑水流量相当稳定；同时，黑水减压阀阀芯及阀座下线检修周期由原来的每1个运行周期1次降为了每3个运行周期1次。

（2）用司太立合金堆焊黑水减压角阀阀芯及阀座后，大大提高了黑水减压角阀的耐磨性，抑制了黑水的偏喷，在气化闪蒸系统运行3个周期后，停车检查发现黑水减压角阀后大小头内壁只有轻微冲刷痕迹，大小头内喷头冲刷减薄。

（3）缓冲罐底板采用防磨措施后，气化闪蒸系统在1个运行周期内没有发生过一起缓冲罐底板磨穿刺漏事件，不过每次停车后拆检发现防冲缓冲板与缓冲罐的焊缝有脱开现象，须重新焊接加固，整个防冲缓冲板虽有一定程度磨损，但无需更换，可4个运行周期更换1次，缓冲罐底板无需频繁更换，成功解决了气化高温热水器、洗涤高温热水器缓冲罐底板频繁磨穿刺漏的问题，大大缩短了气化闪蒸系统的检修工期。

6 结束语

榆林能化气化闪蒸系统设备（或部件）材质改进及运行工况优化调整后，2019年至今气化闪蒸系统没有发生过一起黑水减压角阀阀后大小头及缓冲罐底板磨穿事件，黑水减压阀阀芯及阀座下线检修周期明显延长，气化闪蒸系统存在的问题成功得到解决，大大缩短了气化装置的检修工期，有效节省了检修的人力物力财力，气化闪蒸系统实现了长周期、稳定运行，有力地促进了气化装置的安、稳、长、满、优运行。