多元料浆加压气化技术是西北化工研究院自主开发的一种气流床加压气化专利技术。主要工艺流程为多元料浆经高压料浆泵和高压氧气经工艺烧嘴喷入气化炉内, 进行气化反应, 生成以CO、H2和CO2为主要成分的粗合成气。作为原料之一的氧气是一种助燃剂, 具有很强的氧化性, 极易发生燃烧或爆炸, 这使得氧气管道成为该工艺装置的关键管道之一。本文分析了氧气管道的燃烧机理和多元料浆加压气化装置氧气进料管线的特点, 以国内外相关标准规范为依据, 得出了氧气管道的合理选材。
1 氧气管道燃烧机理
氧气是一种氧化性特别强的助燃剂, 正常情况下很难在空气中被氧化或燃烧, 但在纯氧中会变得容易燃烧。由于氧气管道一般都具有一定的压力, 所以纯氧管道应用的危险性会成倍增加。
氧气能导致发生管道着火的点火机理主要有以下几个方面:
(1) 金属或非金属材料与管道和金属组分碰撞产生的粒子碰撞点火
(2) 引起升温的绝热压缩 (或气动碰撞) 、声共振和流动摩擦;
(3) 有机物的燃烧、或在氧气中夹带的污染物导致的更进一步的点火;
(4) 在阀门中运动部件和固定部件之间的摩擦;
(5) 静电或雷电产生足够的能量点燃金属或非金属材料, 导致金属部件之间的飞弧。
一旦点火开始, 燃烧就能通过引火链传导下去。火焰蔓延的速度和范围同时也受氧气的压力、纯度、温度和支撑氧燃烧的总存量的影响。
2 氧气进料管线工况分析
气化装置氧气来自上游空分装置, 进氧气缓冲罐后通过一些仪表组成件调节压力和流量后经工艺烧嘴进入气化炉。
该工艺过程中, 氧气管线介质含氧量≥99.5%, 为标准纯度氧气。管线主要设计工况见表1。
工况一为装置处于非正常工况时, 系统使用保安氮气置换密封氧气管道, 此时处于密封状态的氧气管道内气体无流速, 处于置换状态下的氧气管道内无氧气。
工况二是装置正常操作工况, 可知, 系统正常的操作压力为8.3Mpa。由于气化装置的氧气由上游空分装置提供, 空分装置的安全阀起跳压力约为8.5Mpa。因此, 气化装置的氧气最高操作压力一般设定为8.5Mpa。可以此作为设计输入条件。
本文主要讨论装置正常操作工况时氧气管道的选材。
3 氧气管材的选择
3.1 管道材料的选用
根据GB/T16912《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》的要求, 管道中氧气的最高允许流速, 应根据管道材质和工作压力, 按照表2的规定进行选择。
表2中的撞击场合指使流体流动方向突然改变或产生漩涡的位置, 从而引起流体中颗粒对管壁的撞击。撞击场合包括但不仅限于以下工况:三通 (流体从支管到主管) , 承插焊三通和弯头、支管连接、多孔扩散器和周围的管件, 短半径弯头, 插座焊接和螺纹异径管、异径管、斜接角度大于20°的斜接弯头、管道下游压力阀降到长度为8D管径等。多元料浆加压气化技术中, 氧气出缓冲罐后管路中设计有几台调节阀, 并有变径及支管连接, 因此氧气自缓冲罐至工艺烧嘴间的管线道宜按撞击场合进行选材。
经工艺核算, 从空分装置送至气化装置的氧气管线实际流速约为3 m/s, pυ值24.9Mpa.m/s≤45Mpa.m/s。因此, 该管段管道采用304不锈钢即可满足要求。氧气自缓冲罐出调节阀后, 去氧气消音器的管道操作压力降为0.2 Mpa, 实际流速约为20m/s, pυ值为4Mpa.m/s, 该部分管道也可选用304不锈钢。但须注意的是, 氧气消音器内件须选用较高材质, 防止氧气放空时瞬间流速过高而发生安全事故。主管氧气自缓冲罐经第一个流量调节阀之后, 氧气实际流速已达到7~10 m/s, pυ值已远远超过了45Mpa.m/s。因此, 从安全角度考虑, 该调节阀后宜采用铜及铜合金 (含铝铜合金除外) 、镍及镍铜合金。
IGC Doc 13/12E《氧气管道系统》中对采用铜及铜合金、镍及镍铜合金免除压力 (指在可能发生颗粒碰撞的高纯度氧气 (公称99.7%) 中不受流速限制的最大压力) 做了详细说明。鉴于国内水煤浆气化装置氧气管线主要采用镍基及镍铜合金的实际状况, 本文主要讨论以Inconel 600、Inconel 625和Monel400为代表的镍基及镍铜合金选材的合理性。
3.2 管件选用
氧气管件的材质宜选用与管道相同的材质, 可易于保证焊接质量。氧气管道上的弯头、异径管及三通的选用还应满足下列要求:
(1) 弯头严禁采用褶皱弯头, 当采用冷弯或热弯弯制碳钢弯头时, 弯曲半径不应小于公称直径的5倍;当采用压制对焊弯头时, 宜选用长半径弯头。
(2) 异径管宜采用压制对焊管件, 当焊接制作时, 变径部分长度不宜小于两端管外径差值的3倍;其内壁应光滑, 无锐边、毛刺及焊瘤。
(3) 三通宜采用压制对焊, 当不能取得时, 应在工厂或现场预制, 加工到无锐角、无突出部位及焊瘤。
3.3 阀门选用
氧气管道阀门阀体材质宜与管道相同。
闸阀的闸板在启闭时属于冲击场合, 潜在的摩擦面较多, 如闸板和阀座之间, 转动的闸板和阀杆之间等。在打开阀门时, 底座处会有一个开槽, 易聚集碎片和颗粒物, 不适宜氧气工况, 因此, 氧气管道很少采用闸阀。
当选用截止阀和球阀时, 阀门应为全通径结构, 阀芯宜选用对氧气流速无限制的材料, 以避免因粒子的撞击而引起着火。阀体内部及阀芯部件表面应光滑无毛刺, 垫片应做防剥离处理。
3.4 垫片选用
氧气管道法兰的垫片宜按照不同的工作压力选用缠绕垫或金属环垫, 当选用缠绕垫时, 填充材料宜选用无油石墨或聚四氟乙烯。
3.5 清洁
氧气管线上的管道、管件、法兰、阀门、垫片及紧固件等所有管道组成件都需要做脱油脱脂、清洁处理。以保证管线内部无油脂、无焊渣、无杂物。
4 结语
本文分析了多元料浆加压技术气化装置氧气管道的选材, 得出以下结论:
(1) 氧气管子、管件、阀门等内表面要求平整、光滑、无毛刺。
(2) 氧气管线的异径管和阀门、三通等部位宜按照撞击场合考虑管道选材;
(3) 当pυ值≤45Mpa.m/s时, 宜选用304奥氏体不锈钢;当pυ值≥45Mpa.m/s时, 同时考虑安全和经济性条件下, 宜选用Inconel 600。
(4) 所有氧气管道的组成件均应进行彻底的脱油脱脂、清洁处理。
摘要：氧气作为一种助燃剂, 具有很强的氧化性, 氧气管线在实际的运行中, 极易发生燃烧和爆炸, 对装置的安全运行起着至关重要的作用。本文从氧气的性质入手, 对氧气管线燃烧机理进行分析, 通过分析多元料浆加压气化装置氧气管线的特点, 结合国内外标准规范和同类型装置的实际应用经验, 为氧气管线的合理选材给出了一些建议。
关键词：氧气管线,流速,脱油脱脂