煤制油过程费托循环气压缩机管线腐蚀研究

作     者：刘袁宇轩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建文;杨鹏

授予年度：2024年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：压缩机管线 CO2腐蚀 冲刷腐蚀 压缩相变 数值模拟 

摘      要：煤制油过程是指通过费托合成反应,把煤炭中获得的合成气转化为清洁的液体燃料或其它化学品的非均相催化过程。相比于石油基燃料,费托合成得到的液体燃料具有无氮无硫的特点,是一种环境友好型燃料,能够满足日趋严格的环境要求。我国“富煤少油,是世界上仅次于美国的第二大石油消费国和第一大石油进口国,为降低石油对外依存度、提升国家能源安全水平,发展煤制油路线具有重要意义。 循环气压缩过程作为费托合成反应合成气回收的重要工序,为费托合成装置提供循环气,事关着生产过程总体持续、稳定、安全运转。由于压缩过程发生温压改变而引起体系相态变化,压缩机出口管线内出现以二氧化碳电化学腐蚀和冲刷腐蚀相耦合的破坏失效问题,引起管线异常减薄,导致焊缝、阀门腐蚀严重,设备失效,带来严重的安全隐患,装置紧急停车,造成重大损失。 本文以国内某煤制油工厂费托循环气压缩机管线腐蚀为例,针对压缩机出口管线内腐蚀问题,通过腐蚀形貌观察、X射线衍射、扫描电镜对腐蚀样品进行分析。结果显示:腐蚀产物为Fe CO3,整体结构呈疏松状,且分布有较多深浅不一的腐蚀孔洞,为典型CO2局部腐蚀及多相流冲刷腐蚀特征。 运用计算流体力学（CFD）模拟验证实际工况下的冲刷腐蚀情况,结果显示:在出口直管处,纯腐蚀速率最大为7.7 mm/a,几乎无冲刷,与实际腐蚀速率约8 mm/a一致;在出口弯管处,纯冲刷速率最大为9.48 mm/a,纯腐蚀速率最大为8.44 mm/a,与实际腐蚀速率20 mm/a吻合较好,冲刷和腐蚀相互作用耦合,二者结合,最终导致穿孔。 分别从液相流量、温度、气相流速、表面粗糙度、气量脉冲、压缩相变等角度全面量化分析了压缩机管线参数对冲刷腐蚀行为的影响,为压缩机出口管线腐蚀速率的预测以及安全防护提供了依据。结果显示:二氧化碳电化学腐蚀速率与温度和气相流速呈正相关,冲刷速率与液相流量和气相流速呈正相关;随着腐蚀过程的进行,管线内壁表面粗糙度增大,加速冲刷过程和二氧化碳电化学腐蚀过程,导致腐蚀速率越来越快,形成正反馈效应;气量脉冲会引起管内压力变化,进而加剧液相析出,增大冲刷速率;压缩过程温度和压力变化导致气相液化,加剧了冲刷腐蚀。