SS316L在煤炭地下气化粗煤气环境的适应性研究.docx

? ? SS316L在煤炭地下气化粗煤气环境的适应性研究 ? ? 王雅熙 李林辉 陈 宇 张金钟 1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中国石油工程建设有限公司工程技术研发中心, 北京 100120 0 前言 从中国“贫油、少气、富煤”的资源现状和复杂国际局势下保障国家能源供应的角度考虑,煤炭在可预期的未来仍将作为能源结构重要组成部分。煤炭地下气化是一种相对低碳、清洁、环保的煤炭开发利用方式。区别于传统煤化工中的煤气化技术,煤炭地下气化直接在地下煤层建立气化燃烧腔,省去了高污染、高排放的传统煤炭开采过程,在地下煤层原位实现煤炭转化,产出H2、CO、CH4等可燃合成气,固渣废料则埋存在地下[1-5]。另一方面,受限于开采技术和经济性,传统煤炭开采集中在 1 000 m埋深以内,而煤炭地下气化技术则提供了埋深 1 000 m以上的中深层煤炭的经济开发技术路线[6-7]。因此,煤炭地下气化技术对于我国力争2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”战略和保障国家能源安全具有重要意义。 要达到商品气标准,地下煤层通过气化剂控制燃烧生成的粗煤气需在井口进行喷淋初步冷却,通过地面集输管道输送到处理厂进一步冷却换热、除尘、脱焦、分离。中深层煤炭地下气化粗煤气具有“八高”的特点,即高温、高压、高波动、高流速、高CO2、高H2、高H2O、高含杂质。已有的现场试验资料显示[8-9],其组分比例、流量、压力波动极大。尽管国内外已建成多座煤炭地下气化试验性和示范性工程,但地面工程多为引燃放空或热电联产[10],还缺乏“井口喷淋、集输处理”的工程案例,对于在地面集输系统选材及腐蚀控制方面的报道极少。煤炭地下气化工程配套的地面系统中,腐蚀风险最高的就是井口高温粗煤气至处理单元冷却分离的集输管道,其面临的腐蚀机理主要有高温氢损伤、H2/H2S腐蚀、H2S/CO2电化学腐蚀、应力腐蚀开裂等。 与煤炭地下气化生产的粗煤气地面集输工况可以类比的是煤制气工程中的气化单元和变换单元。煤炭地下气化和煤制气具有类似的煤炭气化过程,主要成分都为CO、CO2、H2,粗煤气压力都在3～6 MPa左右。煤制气工程气化温度一般都在900 ℃以上,产生的粗煤气经水洗、分离、除尘后温度在200 ℃左右,随后进入变换炉通过放热反应,温度又达到400 ℃以上[11-14]。其中,气化炉和变换炉操作温度远高于该压力下水的沸点,即水始终以气态存在,主要考虑高温氢损伤和H2/H2S腐蚀;而高温煤制气降温冷却过程一般有水析出,主要考虑电化学腐蚀和应力腐蚀开裂。煤制气工程含湿H2S、CO2的高腐蚀风险区域的常用材料方案是以碳钢或低合金钢作为承压外壳,内衬SS316L等耐蚀材料[15]。 SS316L在传统煤制气工艺装置及管道的适用性及工程经验不能简单套用在煤炭地下气化粗煤气集输系统上,主要原因有以下两点。 一是参数波动范围大。煤制气工程中,一方面主要工艺装置操作温度远离水的相变点,腐蚀风险容易判断;另一方面,厂内常采取伴热等措施控制露点腐蚀的风险。而煤炭地下气化处于起步阶段,尚未掌握地面—井下精确联动控制,产出粗煤气介质组分和波动范围极大。例如,集输管道操作温度范围在200～300 ℃,操作压力3～5 MPa,正好处于液态水—气态水相变范围内,工况波动性导致液态水可能反复析出—蒸发,需要同时考虑高温腐蚀和电化学腐蚀及应力腐蚀开裂。 二是Cl-含量的不确定性。煤制气项目中,气化用水、冷却用水一般都是采用厂内除盐水,Cl-含量主要与煤种有关，且煤制气工艺运行参数相对稳定,氯化物应力腐蚀开裂的风险易于判断。而煤炭地下气化中Cl-主要来源于煤炭中的盐、地层水以及喷淋水,喷淋水一般为就地取水或采用除盐水,水质可能存在较大差异。因此,粗煤气中Cl-含量与地区、水源、煤层深度等多种因素有关,运行中还可能存在波动,奥氏体不锈钢发生氯化物应力腐蚀开裂的风险难以简单评估。 综上所述,就高温粗煤气集输系统材料方案而言,碳钢和低合金钢材料耐蚀性能差,高温、高压、临氢、高含CO2、含H2S等这类复杂工况下腐蚀风险极高;SS316L材料在介质类似的煤制气项目具有成熟的使用经验,但需要针对性地就煤炭地下气化工程的特点开展腐蚀风险分析和特定工况下的适应性研究。 1 高温粗煤气对SS316L腐蚀风险分析 某煤炭地下气化工程模拟井口粗煤气介质组分及模拟运行参数分别见表1～2。 表1 粗煤气模拟组分表Tab.1 Raw gas simulated composition 表2 粗煤气模拟参数表Tab.2 Simulated operating parameters of raw gas 根据运行参数及介质范围,可能的腐蚀机理有高温氢损伤、高温H2/H2S腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、