唐应彪

(中石化炼化工程(集团)股份有限公司 洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003)

在煤气化过程中会生成硫化物、氮化物和氯化物等腐蚀性介质，对煤气化装置的设备和管道产生严重危害，影响装置的长周期稳定运行[1-3]。水煤浆气化技术已成为煤气化技术的典型代表，具有对煤种适应性强、碳转化率高和整体热利用率高等优点[4-5]。水煤浆气化工艺采用煤、氧气(或空气)为原料，经气化反应，将其转化为CO和H2为主要组分的粗合成气[6]。针对某公司的水煤浆气化装置，通过工艺流程、腐蚀性介质和腐蚀流程分析，对现场装置进行了腐蚀调研，分析了生产中暴露的腐蚀、结垢和堵塞问题，并从选材推荐和腐蚀监测检测方面提出了相应的防护对策。

1 水煤浆气化装置工艺流程

水煤浆气化装置主要包括水煤浆制备单元、气化单元、合成气洗涤单元、黑水闪蒸单元和黑水沉降单元等。

1.1 水煤浆制备单元

原煤中加入添加剂后进入磨煤机M-1001与水混合，开始磨煤，制得的水煤浆通过溢流的方式经滚筒筛脱除不符合粒度分布要求的煤粒后，进入煤浆槽T-1301，由煤浆泵提供动力送入气化单元。

1.2 水煤浆气化单元

水煤浆和气化剂(氧气)以喷射的形式进入气化炉F-1301的燃烧室，在压力为6.5 MPa，温度为1 300 ℃的条件下发生反应，生成粗合成气。在气化炉的激冷室，熔渣被冷却固化后送入锁斗V-1305，再进入渣池V-1308；粗合成气中的大部分固体颗粒被除去后进入洗涤塔C-1301。由气化炉底部出来的黑水进入高压闪蒸罐V-1401。

1.3 合成气洗涤单元

合成气进入洗涤塔C-1301下部经过初步洗涤后，所含的大部分固体颗粒被脱除。在洗涤塔内部，合成气继续上升，与灰水、变换冷凝液进行逆流接触，经过深度洗涤后去变换工段。洗涤塔底部黑水经流量调节后去高压闪蒸罐V-1401。

1.4 黑水闪蒸单元

来自气化炉F-1301、洗涤塔C-1301的黑水进入高压闪蒸罐V-1401闪蒸浓缩。顶部的闪蒸蒸汽经过冷凝冷却后进入高压闪蒸分离器V-1405，分离出的不凝气去火炬系统，冷凝液进入灰水槽T-1401。高压闪蒸罐V-1401底部的浓缩黑水送入真空闪蒸罐V-1404继续闪蒸浓缩，顶部的闪蒸蒸汽经冷凝冷却后进入真空闪蒸分离器V-1402，分离出来的闪蒸蒸汽放空，底部的冷凝液送至灰水槽T-1401。

1.5 黑水沉降单元

真空闪蒸罐V-1404底部的黑水送至沉降槽T-1402，为了加速黑水的沉降，在黑水中加入絮凝剂。沉降槽上部的澄清水溢流到灰水槽T-1401，底部沉降的细渣送往后续过滤装置。灰水槽T-1401中的一部分灰水送入除氧器V-1407除氧后返回洗涤塔C-1301循环利用，另一部分灰水去废水处理处进行净化处理。

2 腐蚀性介质分析

水煤浆气化装置的主要原料是煤，在煤气化的操作条件下，煤中所含的硫、氯、氮等元素发生反应，生成硫化物、氯化物和氮化物等有害介质，并混入合成气、黑水和灰水等工艺介质中，造成设备和管道发生腐蚀。对装置的工艺介质进行分析，黑水和灰水中腐蚀性介质的组成及含量见表1。

表1 腐蚀性介质分析

从表1来看，黑水和灰水环境的腐蚀具有如下特点：①黑水和灰水呈弱酸性，其中的氯离子含量较高，均超过500 μg/g，该环境下奥氏体不锈钢设备和管道具有较高的氯化物应力腐蚀开裂风险。②黑水的固含量较高，需重点关注黑水管道的冲蚀磨损风险。③在水煤浆气化单元和合成气洗涤单元中，黑水里的CO2含量较高，若黑水中钙、镁含量较高，且黑水pH值较高，显碱性时，设备和管道易发生结垢。④黑水和灰水中H2S含量较低，小于50 μg/g，其湿硫化氢损伤风险较低；湿硫化氢损伤风险较高部位集中在黑水闪蒸单元的酸性气设备和管道等部位。⑤黑水和灰水中甲酸含量较高，大于1 000 μg/g，黑水和灰水环境中甲酸对金属材料的腐蚀产生一定的影响。

3 水煤浆气化装置腐蚀流程分析

基于黑水和灰水中腐蚀性介质的组成及含量，分析不同部位易发生的腐蚀类型，为材料选择、腐蚀监测检测方案的制定提供帮助。腐蚀流程分析结果见表2。

表2 腐蚀流程分析结果

4 现场腐蚀调研情况

4.1 现场腐蚀状况

4.1.1磨煤机腐蚀

磨煤机腐蚀、跑浆漏浆问题频繁出现，其衬板和筒体腐蚀减薄，其材质为65Mn，螺栓头与衬板、衬板与衬板之间存在缝隙腐蚀。在磨料磨损、化学腐蚀和高能量冲击磨损三者共同作用下，缝隙腐蚀加速，导致磨煤机设备衬板减薄、漏浆问题突出。

4.1.2激冷环堵塞

激冷环是气化炉最重要且最易损坏的部件之一，其主要作用在于为高温工艺气及熔渣激冷提供激冷水。激冷水中固体颗粒和钙镁含量较高，在流经进水孔时容易因结垢而堵塞，同时对激冷环环管内壁造成严重的冲蚀磨损。

4.1.3闪蒸罐的冲蚀磨损

高压闪蒸罐内部冲蚀磨损严重，罐壁明显减薄，其腐蚀形貌见图1。高压闪蒸罐内部压力较高，介质成分复杂，富含气体、液体以及炭黑颗粒，对罐壁以及进口短节冲蚀磨损严重。

图1 高压闪蒸罐内部冲蚀磨损

4.1.4高压闪蒸角阀泄漏

高压闪蒸角阀筒体侧因冲蚀磨损而多次发生泄漏。黑水流经闪蒸角阀时形成偏流，导致阀座局部冲蚀严重，阀芯表面硬质材料磨损严重。因此，对闪蒸角阀流通量进行重新核算，并对其进行升级改造，将阀体材料升级为316+碳化钨耐磨材料，投入生产运行后其使用情况良好，阀座、阀芯冲蚀磨损减轻，角阀使用寿命明显提高。

4.1.5闪蒸罐前缓冲桶磨蚀

低压闪蒸罐前缓冲桶为T形三通结构，材质为碳钢，其磨蚀较为严重，目前对该三通的易磨蚀部位进行了局部加厚处理，通过焊接钢板来增加磨蚀余量，从而延长其寿命。高压闪蒸罐前缓冲桶也为T形三通结构，其磨蚀相对较轻，目前对该三通也进行了局部加厚处理。

低压闪蒸罐前缓冲桶底部法兰盖的黑水及固体颗粒冲蚀也非常严重，在法兰盖上可见冲蚀形成沟状痕迹。高压闪蒸罐前缓冲桶底部法兰盖采用三层废旧耐磨钢棒进行堆焊，堆焊后高度约20 cm，其冲蚀仍然十分严重。

4.1.6管道磨蚀、结垢与堵塞

黑水及灰水管道失效以磨蚀和结垢为主，并易于堵塞，弯管部位因冲蚀磨损壁厚减薄最为严重。当管道中黑水流量减小，流速降低时，水中的固体颗粒在设备、管道内壁结垢速度加快，造成管道严重堵塞。为了及时发现管道腐蚀问题，应对管道腐蚀严重部位进行在线定点测厚，预测管道壁厚减薄趋势，并及时更换减薄的管线管件；对于管道堵塞的问题，管段应多设置可拆卸法兰，及时对管线和设备进行疏通清理。

4.2 腐蚀调研分析

从现场腐蚀调研结果可以看出，水煤浆气化装置的腐蚀具有如下特点：①黑水和灰水中含有大量的腐蚀性介质，会对金属设备及管道产生严重的腐蚀，如CO2腐蚀、湿H2S损伤、氯离子点蚀和应力腐蚀开裂等。②黑水和灰水系统的局部高流速部位冲蚀磨损问题比较突出。冲蚀磨损与电化学腐蚀相互作用，相互促进。冲蚀磨损主要发生在高压闪蒸角阀、管道弯管、大小头和三通处，这些部位因冲蚀磨损而壁厚减薄严重。③黑水和灰水系统管道极易结垢，垢层致密、坚硬，容易造成管道堵塞。结垢主要发生在气化炉激冷环、洗涤塔、高压闪蒸罐等设备及其相关的黑水和灰水管道。

5 防护对策

5.1 选材推荐

根据水煤浆气化工艺特点，设备和管道的选材应考虑操作温度、操作压力以及工艺介质的状态、流速、流态等条件，并充分考虑苛刻条件下腐蚀性介质对设备和管道的影响。

黑水和灰水中溶解有Cl-、CO2、H2S、HCN和HCOOH等，应考虑Cl-点蚀及应力腐蚀开裂问题，并考虑CO2、H2S、HCN与HCOOH腐蚀以及湿H2S应力腐蚀开裂等问题。除考虑腐蚀外，还应考虑固体颗粒对材料的冲蚀磨损，适当增大材料的腐蚀余量，特殊情况下需要进行局部材料升级。可选用陶瓷衬里或硬质合金等材料以减缓磨损；同时在结构设计上尽量减缓固体颗粒对设备或管道的磨损，如改变管道走向时可选大曲率半径弯管等。此外，在装置运行期间，定期进行壁厚监测，及时更换管道，尤其是选用碳钢材料时应加强管道壁厚的监测。

基于上述分析，并结合设备和管道的用材情况与工程实践经验，提出主要设备和管道推荐用材方案，分别见表3和表4。

表3 主要设备推荐用材

表4 主要管道推荐用材

5.2 腐蚀监测检测

通过腐蚀监测检测，可以评价设备和管道的使用状态、预测设备和管道的使用寿命、监测腐蚀控制措施的使用效果，对腐蚀产生的隐患进行预警，及时反馈设备腐蚀信息，为水煤浆气化装置的选材和防腐措施优化提供可靠依据。

5.2.1现场腐蚀挂片监测方案

根据水煤浆气化装置工艺流程和主要设备结构，结合装置腐蚀流程分析，制定装置现场腐蚀挂片方案。挂片材质为挂片部位设备的在役材料，并根据实际情况增加高等级材料和低等级材料；每种材质需要2～3个平行挂片，由于每个部位的挂片数量较多，可使用挂片架形式进行安装。现场腐蚀挂片的具体位置见表5。

表5 现场腐蚀挂片的具体位置

5.2.2定点测厚方案

采用超声波定点测厚技术对水煤浆气化装置进行腐蚀监测，定点测厚布点应根据腐蚀性介质、工艺流程、腐蚀流程分析来确定具体位置，重点关注管线冲刷腐蚀严重部位、气液两相交界部位、介质流速>20 m/s或者<1 m/s的部位以及停滞区或冷凝部位等。

水煤浆气化装置重点监测管线部位：气化炉合成气至洗涤塔的管线、洗涤塔底部至高压闪蒸罐的黑水管线、气化炉至高压闪蒸罐的黑水管线、高压闪蒸罐至真空闪蒸罐的黑水管线、高压闪蒸分离器至灰水槽的冷凝液管线、高压闪蒸罐至高压闪蒸分离器的酸性气管线、真空闪蒸罐顶部至真空闪蒸分离器的酸性气管线。

6 结束语

水煤浆气化装置在运行过程中，设备和管道的腐蚀问题逐渐显现。黑水和灰水等工艺介质呈弱酸性，其中的氯离子和固体颗体等腐蚀性介质含量较高，会对金属设备及管道产生严重的腐蚀，如氯化物应力腐蚀开裂、固体颗粒冲蚀磨损等。基于工艺流程分析和物料中腐蚀性介质的组成及含量分析，开展了腐蚀流程分析和腐蚀规律研究。通过对现场装置进行腐蚀调研，分析了生产中暴露的腐蚀、结垢和堵塞问题，并从选材推荐和腐蚀监测检测方面提出了相应的防护对策，保障了装置的长周期安全稳定运行，提高了装置的经济效益，推动了煤化工行业的技术进步。