一种用于煤化工领域黑水系统换热器后的新型多相流缓冲设备的制作方法

本发明涉及一种用于煤化工领域耐高温、耐磨损、耐冲击的阀后缓冲设备，具体地说是涉及一种煤化工领域黑水系统换热器后的新型多相流缓冲设备。

背景技术：

近年来国内煤化工发展迅速，煤气化工艺在煤制氢、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制合成氨等工程中得到了广泛应用。宁夏、山东、内蒙等地相继开工建设了多套大型煤气化装置。

黑水系统在煤化工领域应用极为广泛，是煤气化装置的重要系统之一。该系统输运介质为气-液-固多相流体，含有大量固体硬质煤粉颗粒以及氯离子等腐蚀性组分，俗称“黑水”。该系统运行温度为246℃，运行工况为0.9mpa，最大流量为48.9m³/h。黑水介质经高压角阀后以较高速度流入缓冲筒，对文丘里扩管、桶壁、桶底造成强烈的冲刷和气蚀破坏，极易引起缓冲筒壁厚减薄、泄漏，引发装置非计划停工，甚至造成泄漏、爆炸、火灾等安全事故，严重威胁和制约企业长周期安全生产。

目前，ge、flowserve，包括国内的亚迪等公司生产的煤化工系统气化和渣水处理装置的黑水角阀缓冲筒在运行过程中均出现了严重的壁厚减薄和穿孔泄漏问题，主要由于黑水冲刷磨损和气蚀引起，严重制约了装置的正常生产。

经科学研究发现，造成换热器后缓冲筒穿孔泄露失效的原因主要包括：1)黑水介质密度高(815kg/m³)、流速高(30～60m/s)、温度高(246℃)；2)缓冲筒采用316不锈钢材质，耐磨性较差，磨损速率为1.0e^-8kg/m²·s；3)缓冲筒文丘里扩管部位尺寸设计不合理，容易形成较大的固体颗粒冲击角度，加剧冲刷磨损速率；4)底部法兰盲板盲板部位结构设计不合理。该部位为冲刷磨损高风险区域，而大多缓冲筒并未对底部法兰盲板盲板进行局部强化处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于煤化工领域黑水系统换热器后的缓冲设备，通过流体动力学和材料学分析，有效降低多相流黑水介质对设备的磨损，显著提升设备的耐磨、耐冲、耐高温性能，克服目前在役缓冲设备运行周期短、失效风险高的技术难题，切实保障黑水系统的安全、稳定、长周期运行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于煤化工领域黑水系统换热器后的多相流缓冲设备，包括依次连接的连接管(1)、扩管(2)、缓冲筒(3)、陶瓷板(5)和出口管(4)；所述扩管(2)从连接管(1)至缓冲筒(3)方向扩展；所述缓冲筒(3)侧壁开有出口(4)；含固体杂质颗粒的循环水多相流介质从连接管进入，经扩管(2)后进入缓冲筒(3)内，至缓冲筒(3)底部的陶瓷板(5)后折向回流，经出口(4)流出，进入后续闪蒸罐；所述扩管(2)的扩角α满足：

其中，ε0为缓冲筒(3)内壁的冲蚀速率临界值，c为材料耐冲蚀磨损系数。连接管和缓冲筒(3)内壁的半径差d满足：

其中，g为重力加速度，ρ为黑水多相流介质密度，μ为黑水多相流介质动力粘度，a为连接管横截面积，q为换热系统处理黑水多相流介质流量。

进一步地，扩管(2)内壁喷涂氧化锆，涂层厚度2mm。

进一步地，缓冲筒(3)内壁喷涂氧化锆，涂层厚度2mm。

进一步地，所述陶瓷板(5)采用氧化锆陶瓷材料，厚度为20mm。

进一步地，缓冲筒(3)长度1218mm，外径323.9mm，壁厚10mm，基体材质为316l不锈钢。

进一步地，连接管入口外径为219.1mm，壁厚10mm。

进一步地，所述陶瓷板(5)通过法兰与所述缓冲筒(3)实现固定连接。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的一种用于煤化工领域黑水系统换热器后新型多相流缓冲设备，采用流体动力学原理设计扩管段，引导多相流黑水介质在该段发生湍动能耗散和转捩，产生横向速度分量，降低多相流黑水介质在垂直方向的速度，进而减小对缓冲筒的剪切磨损；对扩管进行nilcra^tm氧化锆喷涂，强化该部位密度和硬度，提高其耐磨性，有效降低磨损率；桶底nilcra^tm陶瓷板，有效降低该部位冲击磨损速率。本发明针对煤化工领域黑水系统多相流介质流动特性和腐蚀特性，针对性冲击角度、冲击速度、剪切速率等关键特性参数，设计缓冲筒各部位尺寸和选用材质，可有效降低缓冲筒磨损速率，提高其耐磨、耐冲、耐高温特性，保障黑水系统长周期安全稳定运行。

附图说明

图1新型多相流缓冲设备总图；

图2为扩管结构尺寸示意图；

图3为缓冲筒结构尺寸示意图；

图4为底部陶瓷板结构尺寸示意图；

图5为本发明的缓冲筒出口管；

图6缓冲设备现场失效照片；

图7本发明所提出的缓冲设备现场使用效果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的一种用于煤化工领域黑水系统换热器后的多相流缓冲设备，包括连接管、扩管、缓冲筒、底部陶瓷板与缓冲筒出口管。含有硬质煤粉颗粒的多相流黑水介质从连接管进入，经扩管导流后进入缓冲筒，至筒底陶瓷板处多相流介质折向回流，经出口管流出该缓冲设备，进入后续闪蒸罐。

如图2所示，为本发明的扩管结构。其中，扩管段扩张角满足条件：

c为316l不锈钢基体材料耐冲刷腐蚀系数，ε0为316l不锈钢临界冲蚀速率。

富含硬质煤粉的多相流黑水介质经连接管进入扩管段，在扩张角满足上述约束条件下，扩管诱导多相流黑水介质产生横向的速度偏移分量，一方面降低对于扩管段的冲击攻角，降低该部位的磨损速率；一方面减小黑水介质垂直向下的速度分量，降低其对于缓冲筒直壁的剪切磨损。

获取连接段入口半径r，通过v＝q/a求得多相流介质进入连接管的入口速度v1，该速度近似等于多相流介质进入扩管段初始速度。

获取多相流黑水介质密度ρ、动力粘度μ，多相流介质进入缓冲筒的初始速度如下所示：

多相流黑水介质流动过程中遵守能量方程，则

其中，

湍流强度：i＝0.16re^-0.125

湍动能：

由扩管段结构尺寸可知，

进而，

求解该方程(即前述方程2)，获得d唯一解，即为缓冲筒和连接管半径之差，进而可求得扩管段高度h1。通过该公式获得的连接管半径之差，可以保证多相流黑水介质流经扩管段后发生足够强度的湍动能耗散，致使总机械能降低，进而对于筒底陶瓷板的冲击磨损作用降低。若连接管半径之差d过小，则扩管段对于流体的湍动能耗散作用降低，不能有效降低多相流黑水介质对于筒底陶瓷板的冲击作用。若连接管半径之差d过大，一方面导致设备尺寸过大，资源浪费，而且占用现场过多的场地，另一方面在流体流量和流动速度一定的条件下，不能保证多相流体介质发生充分的湍流耗散，影响扩管段的性能。

扩管段内部进行nilcra^tm氧化锆喷镀，可显著提高该部位耐磨、耐冲击性能。扩管与缓冲筒通过焊接连接。缓冲筒与底部陶瓷板通过法兰连接。多相流黑水介质经连接管、扩管、缓冲筒至筒底部，对内衬nilcra^tm陶瓷板进行高速冲击后折向进入缓冲筒侧壁出口管。底部陶瓷板具有极高耐冲、耐磨性能，显著提高缓冲筒底部特性，有效延长设备安全运行周期。

如图3所示，为本发明缓冲筒。该段包括上、中、下三部分，分别通过焊接方法与扩管、出口管连接。由流体动力学分析可知，该段区域所受硬质煤粉颗粒的冲击攻角和液相流体的剪切应力均较小，因此所受冲刷磨损风险较低。该段采用316l不锈钢材质。

如图4所示，为本发明的缓冲筒底陶瓷板。多相流黑水介质以高于30m/s的速度冲击法兰盲板内表面，造成巨大的冲击磨损风险。由磨损速率实验可知，nilcra^tm氧化锆陶瓷材料耐磨性能是316l不锈钢的3倍以上，因此该陶瓷板厚度为20mm，可显著提高缓冲筒的整体耐磨、耐冲、耐高温性能。

如图5所示，为本发明的缓冲筒出口管。多相流黑水介质流至桶底陶瓷板处折向，经出口管进入后续闪蒸罐装置。缓冲筒出口管材质为316l不锈钢，外径219.1mm，壁厚8mm，与筒壁间通过焊接方式连接。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修正和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例

近年来，随着国内煤化工行业的迅速发展，煤气化工艺在煤制氢、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制合成氨等工程中取得了广泛应用。宁夏、山东、内蒙等地结合区域优势，建设了多套大型煤气化装置，大力发展煤化工行业。然而，由煤气化黑水系统换热器后缓冲设备失效引发的装置非计划停工，严重制约了企业的安全、稳定运行。例如，某煤化工企业煤制甲醇气化装置采用ge公司的德士古水煤浆气化技术，含硬质煤粉颗粒的多相流黑水介质流经换热器后进入缓冲设备。该设备2016年1月投入运行，6月出现冲蚀磨损泄漏。该设备运行工况为：操作温度220℃，操作压力0.8mpa，介质最大流量48.9m³/h。设备失效图片如图6所示。

该失效缓冲设备连接管与直筒部分采用同一尺寸制造。含有硬质煤粉颗粒的多相流黑水介质进入该设备后，对内壁进行强烈的冲蚀磨损作用，在流体冲刷、剪切、撞击过程中，造成该缓冲设备壁面减薄、穿孔。多相流黑水介质经直筒段后以较强速度装置筒底法兰，造成法兰减薄，强度降低。签署保密研究协议后，该气化装置采用本发明所提出的缓冲设备，通过流体力学原理，增设扩管部分，流体湍动能耗散，降低多相流黑水介质对设备的冲刷剪切作用，并采用内部喷涂方法加强冲蚀高风险区域的耐冲蚀性能，保障设备和装置安全稳定运行。2016年7月份采用本发明提出的缓冲设备对原设备进行更换后，装置平稳运行至2018年6月份大修期间，对设备进行壁厚检测，发现该缓冲设备仍可满足运行需要。装置采用新设备运行现场图如图7所示。

因此，本发明所提出的一种用于煤化工领域黑水系统换热器后的多相流缓冲设备，针对多相流黑水系统强腐蚀、强冲刷、高温、高密的苛刻工况，采用流体动力学方法，增设扩管段，合理增强流体耗散率，降低多相流黑水介质对于缓冲设备直壁的剪切和磨损，并采用高强、高硬材料对冲蚀磨损高风险部位进行局部加强，切实有效的提高了设备的整体耐冲蚀性能，保障了装置的安全长周期运行。