氣化爐內(nèi)部水冷壁排渣口設(shè)計和試制

牛步娟12高寧12韓永芳12張凱12馬玉玫張建曉李義民12羅永智12

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730087;2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地，蘭州 730087)

0 引言

我國的煤炭資源儲備十分豐富，煤炭消耗約占總能源消耗的70%左右，煤氣化是潔凈、高效地利用煤炭的主要途徑之一，煤的氣化技術(shù)有幾十種，水冷壁氣化爐是煤氣化技術(shù)的主要手段之一[1-4]。

使用水冷壁的氣化爐比使用耐火磚的氣化爐性能優(yōu)越。使用耐火磚作為內(nèi)襯的氣化爐，在現(xiàn)場需要砌磚、烘爐，制造周期長且制造成本高;水冷壁氣化爐的內(nèi)襯在制造廠就可完成安裝，相對制造難度小，生產(chǎn)成本低。相同規(guī)格的氣化爐，水冷壁氣化爐具有爐膛容積大、氣化效率高，燒嘴使用壽命長，煤種適應(yīng)性強，運行周期長等優(yōu)點[5-10]。

對于日趨嚴格的環(huán)保要求，水冷壁氣化爐優(yōu)點明顯，應(yīng)用前景廣闊。水冷壁內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)和性能，也會隨著水冷壁氣化爐的使用得到進一步優(yōu)化和提高。

1 部件簡介

干粉煤氣化爐中的水冷壁為隔熱層與水冷相結(jié)合，通過兩級降溫起到隔熱效果。排渣口部件是水冷壁的重要組成部分，是連接氣化室和激冷室的通道口。該部件的作用是使反應(yīng)產(chǎn)物能夠順利進入激冷室，并確保通道口附近支撐結(jié)構(gòu)的工作溫度保持在安全溫度以下。其工作原理與氣化室側(cè)面的圓筒形水冷壁相同，一方面通過加壓冷卻水強制降溫；另一方面通過內(nèi)螺紋螺柱掛載耐熱材料和爐渣形成隔熱層。本次試制在設(shè)計過程中對排渣口進行了部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 排渣口結(jié)構(gòu)示意

圖2 單層螺旋管結(jié)構(gòu)示意

排渣口主體由2層螺旋管組成(見圖1)，每層螺旋管(見圖2)有14層，螺距140.6 mm，間距80.3 mm；第1層與第2層螺旋管，螺距70.3 mm，間距10 mm(見圖3)。

(a)第1層螺旋管螺距

(b)第1層與第2層螺旋管螺距

排渣口規(guī)格：?1 405 mm，高度H=1 326 mm；螺旋管規(guī)格為：?60 mm×5 mm。主體材料為15CrMo鋼管。15CrMo系珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性(δb≥440 MPa)和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 減少非平面彎管

排渣口盤管部分盡量減少使用異形彎管的出現(xiàn)。原結(jié)構(gòu)中為了避免水管間的干涉，采用4件非平面異形彎管連接各部分盤管。由于管子規(guī)格較大，成型難度高，異形彎管的成型難以保證，而且增加了裝配和焊接的難度。設(shè)計過程中通過U形彎頭的定位角以及盤管間接頭的徑向角度調(diào)整，將4個異形彎頭改變?yōu)槠矫鎻濐^(見圖4)，大大降低了車間彎管難度，有效提高了零件成型合格率；同時，焊接接頭截面較之前更圓滑，受力狀態(tài)更好。

圖4 平面彎頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 采用拱形盤管增強隔熱效果[11-12]

排渣口上端與氣化室側(cè)面水冷壁相接處，部件的盤管呈半圓拱形(見圖5)。與某些方形盤管相比，在安裝后，可以保證兩套盤管間有足夠厚度的隔熱層，避免熱量通過此處間隙竄至激冷室，同時拱形結(jié)構(gòu)可以確保排渣的流暢性。

圖5 半圓拱形部位結(jié)構(gòu)示意

2.3 采用盤管使部件降溫

通常排渣口部件法蘭處采用雙層夾套結(jié)構(gòu)，兩層板中間采用流動的冷卻水降溫，增強法蘭板的隔熱效果。這種結(jié)構(gòu)制造難度較大，而且在夾套中容易形成死區(qū)，降低冷卻效率，導(dǎo)致局部溫差，在法蘭強度方面產(chǎn)生隱患。所以在設(shè)計時進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使下護筒和蓋板在法蘭下部形成一片獨立的區(qū)域，蓋板下表面采用小半徑急彎頭水平布置覆蓋整個蓋板，利用中間盤管和下部盤管的冷卻水維持溫度，從而減少法蘭及其他結(jié)構(gòu)件的暴露面積，減少熱量在結(jié)構(gòu)件上的傳遞，進一步避免激冷室的熱氣削弱隔熱層的隔熱效果。

3 制造難點

3.1 螺旋管的煨制[13-14]

本設(shè)備中主體管材規(guī)格為?60 mm×5 mm，螺距固定為140.6 mm，屬于厚壁管，且需要煨彎直徑為?690 mm，需要煨彎的力矩大，但目前既可以滿足煨彎力矩要求，又可以很好控制螺距的煨制設(shè)備較少，故通過對現(xiàn)有彎管設(shè)備進行改造，并設(shè)計制造專用工裝，使其滿足煨彎要求。

3.1.1 螺旋管的單根煨制

為達到螺旋管的成型精度要求，第1次螺旋管采用單根煨制的方法成型。螺旋管內(nèi)徑為?629.7 mm，考慮工藝回彈余量，第1次工藝筒體外徑為?615 mm，螺旋管煨制成型后，經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理，螺旋管回彈量為4～5 mm，螺旋管內(nèi)徑約?620 mm，不能滿足圖紙要求。

螺旋管單根煨制成型存在的問題：螺距較大，且煨彎成型后，回彈量較小，成型效果不佳，未達到預(yù)期要求(見圖6)。

圖6 螺旋管單根煨制情況

3.1.2 螺旋管的雙根煨制

經(jīng)過第1次的單根試制，螺距間隙大，成型后回彈量大，成型未達到預(yù)期效果。第2次煨制時變換思路，將單根煨制變?yōu)殡p根煨制，這樣將單根的螺距140.6 mm，變?yōu)?0.3 mm，2根管子之間的間隙僅為10 mm，其可控性增加。第2次工藝筒體外徑?630 mm，螺旋管回彈量仍為4～5 mm，經(jīng)過調(diào)整螺距，螺旋管成型達到預(yù)期要求(見圖7)。

圖7 螺旋管雙根煨制情況

3.2 180°彎頭的制造

本設(shè)備中有4個180°彎頭(見圖8)，其材料15CrMo，規(guī)格?60 mm×5 mm。彎管之間間隙僅為9.7 mm，成型難度大。采用普通煨制成型的方法，根本不能滿足要求，故采用鍛件，通過壓制的方法成型。

最終采用15CrMoⅢ的鍛件，規(guī)格為?60 mm×8.5 mm的管料進行壓制。彎頭成型后，對其進行解剖測量(見圖9)，各部位測量值見表1。

圖8 180°彎頭結(jié)構(gòu)示意

圖9 彎頭解剖測量

mm

由表1可看出，180°彎頭在壓制前，厚度為8.55～8.84 mm，內(nèi)側(cè)增厚部位厚度為12.18～12.63 mm，厚度增厚約42.3%；外側(cè)減薄部位厚度為6.07～6.26 mm，厚度減薄約29.1%。通過壓制成型的180°彎頭，管壁厚度及各項性能滿足要求。

3.3 內(nèi)螺紋螺柱的焊接[15-16]

本部件螺旋盤管內(nèi)彎壁上有5 760個規(guī)格為M10內(nèi)螺紋螺柱，螺柱之間焊接間隙較小，縱向16 mm，橫向20 mm，盤管存在拼焊位置螺柱距焊縫中心線15-20mm(見圖10)，必須采用特制的螺柱焊機進行施焊。根據(jù)實際情況，定制特殊的焊接用槍頭(見圖11)，槍頭外側(cè)定位裝置與周邊焊接間隙僅為10 mm，可滿足圖紙要求。

因螺柱焊槍頭為特殊定制，且螺旋管內(nèi)壁曲率較大，螺柱排列緊密、間隙較小，焊接容易出現(xiàn)飛邊、偏焊、冷焊等缺陷，常規(guī)的焊接參數(shù)不能直接應(yīng)用于該設(shè)備上內(nèi)螺紋螺柱的焊接，經(jīng)過大量的試驗，內(nèi)螺紋螺柱焊接的最佳參數(shù)見表2。

圖10 內(nèi)螺紋螺柱分布

圖11 螺柱焊機及定制的焊接用槍頭

螺柱規(guī)格/mm焊接電流/A焊接時間/ms螺柱伸出槍頭長度/mm?101 200100～1

焊接過程中的注意事項如下：

(1)焊接過程中，焊槍與工件必須垂直，若焊接后的螺柱不垂直，則會導(dǎo)致后續(xù)的螺柱無法施焊；

(2)盡可能地采用平焊位置施焊，可根據(jù)實際施焊位置調(diào)整設(shè)備角度，使工件焊接位置保持在平焊位置進行，避免產(chǎn)生磁偏吹；

(3)焊前必須清理螺柱、陶瓷環(huán)及工件表面的污漬，避免焊接過程中產(chǎn)生缺陷。

3.4 螺旋管組裝難點

因螺旋管主體外側(cè)存在漸變部位，管與管之間有10 mm間隙，且中徑公差只有±2 mm；組裝時難度較大，精度要求高。為此專門設(shè)計了螺旋管裝配專用工裝(見圖12)，既可滿足螺旋管主體的安裝焊接要求，又可滿足螺旋管焊接接頭的射線檢測要求。

圖12 螺旋管裝配專用工裝

通過螺旋裝配專用工裝的使用，在組裝過程中很好地控制了螺旋管之間10 mm間隙和螺旋管中徑690 mm±2 mm的公差要求。工裝上部采用鏤空結(jié)構(gòu)，既可滿足螺旋管的裝配精度要求，又為螺旋管之間焊接接頭的施焊和射線檢測提供足夠的操作空間。

4 結(jié)語

(1)對于排渣口部件，通過減少非平面彎管，采用拱形盤管的方式，既降低了制造難度，又有效增加了隔熱厚度。

(2)螺旋管通過雙排煨制成型，既可避免單根成型帶來裝配難的問題，又可控制成型質(zhì)量及精度。

(3)180°彎頭的制造，考慮其壁厚較厚且半徑較小，成型通過煨彎的方式比較困難，故通過壓制的方式成型。

(4)耐火螺柱與螺旋管的焊接，必須采用特殊定制的電弧螺柱焊機。因螺柱規(guī)格小，螺旋管直徑小，曲率變化大，所以必須嚴格控制焊接過程中的焊接參數(shù)、螺柱伸出焊槍的長度以及焊槍與螺旋管的垂直度，才能使焊接達到預(yù)期的效果。