耐磨材料在BGL氣化爐高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)的實用性探討

崔書明

（中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017317）

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司（簡稱鄂能化公司）成立于2011年，建設和運營的圖克化肥項目（簡稱中煤圖克項目）是中煤集團實施戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、打造蒙陜能源化工基地、建設一流煤化工企業(yè)的示范項目，項目設計年產(chǎn)200萬t合成氨、350萬t尿素、20萬t液化天然氣，總投資200億元。已建成投產(chǎn)的一期項目設計年產(chǎn)100萬t合成氨、171.6萬t尿素，于2014年2月1日打通全流程，截至目前中煤圖克項目保持滿負荷、穩(wěn)定運行，產(chǎn)能達到設計產(chǎn)能的105%。2018年中煤圖克項目全年生產(chǎn)尿素185.5萬t、液氨108.2萬t、液化甲烷11.6萬t，主、副產(chǎn)品全部超產(chǎn)，利潤較好。

中煤圖克項目一期建設10臺氣化爐，采用BGL碎煤熔渣氣化技術，具有氣化強度高、蒸汽消耗低、能量利用率高、產(chǎn)生廢水少等特點。當前氣化爐產(chǎn)氣量已經(jīng)達到設計能力，單爐連續(xù)穩(wěn)定運行最長周期達到272 d。但在氣化爐運行初期，高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)出現(xiàn)了設備、閥門、管道及管件等磨損、泄漏的問題，現(xiàn)對問題原因進行分析，并介紹鄂能化公司進行的相關改造探索、實踐及效果，以供參考交流。

1 煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)特點和問題分析

1.1 高壓含塵煤氣水、激冷渣水的產(chǎn)生

氣化爐中的原料煤在1 700℃、4.0 MPa條件下與蒸汽和氧氣發(fā)生氧化還原反應，生成以H2和CO為主要成分的粗煤氣。575℃、4.0 MPa（G）的粗煤氣進入洗滌冷卻器內(nèi)，被洗滌水激冷，脫除粉塵、焦油、酚、氨等部分雜質(zhì)。190℃、3.95 MPa（G）的氣、水混合物共同進入廢熱鍋爐，回收粗煤氣中的大量顯熱和潛熱。粗煤氣和煤氣水在廢熱鍋爐中進行氣液分離，分離出的液體被收集在積液槽中，其中大部分的煤氣水和積液槽上部的輕油由洗滌水循環(huán)泵加壓后循環(huán)使用，其余少部分煤氣水（約42.14 t/h）由積液槽液位調(diào)節(jié)閥LIC8095控制，送入高壓含塵煤氣水總管。

氣化爐燃燒產(chǎn)生的液態(tài)熔渣在連接短節(jié)和激冷室中被激冷循環(huán)水淬冷，爆裂破碎為粒徑3 mm的固態(tài)渣，間斷排入渣溝。為降低熱熔渣導致的激冷室高溫，在激冷室中部設計激冷水循環(huán)，激冷水進入冷卻器，被冷卻至40℃后經(jīng)泵加壓，約302 m3/h的水量被送至連接短節(jié)和激冷室循環(huán)利用，連接短節(jié)和激冷室液位由激冷室補水液位調(diào)節(jié)閥LI3100和排水液位調(diào)節(jié)閥LV3100-01動態(tài)調(diào)整控制。

1.2 存在的問題及原因分析

在氣化爐排渣周期的末期，介質(zhì)中的渣含量顯著增加，不論是循環(huán)利用或外排至渣水，都會造成設備、閥門、管道管件嚴重磨損。同樣，高速流動的粗煤氣夾帶大量細小塵粒和焦油，這些含塵的煤氣水循環(huán)洗滌和排放，造成設備底部、介質(zhì)管道經(jīng)常發(fā)生堵塞和磨損。磨損泄漏是前期制約項目長周期運行的主要原因之一。

除介質(zhì)中顆粒物多外，工藝壓差大也是造成設備管件磨損的主要原因。含塵煤氣水操作壓力4.0 MPa，經(jīng)積液槽液位調(diào)節(jié)閥LV8095減壓后去煤氣水分離裝置，壓力驟降至0.2 MPa；激冷渣水管線中含有大量細小爐渣，操作壓力為4.0 MPa，經(jīng)LV3100-01減壓至常壓后排放。壓差增大會形成高流速介質(zhì)，壓力驟降也會閃蒸出部分溶于液相介質(zhì)中的CO2、H2S氣體，形成弱酸性的固、液、氣混合介質(zhì)，工藝情況復雜。

由于水相介質(zhì)的特殊性，容易在管線彎頭、機泵變徑處形成固定磨損區(qū)，在閥門附近出現(xiàn)偏流沖刷，造成管線、閥門磨損，發(fā)生泄漏，項目前期上述管線泄漏問題成為氣化爐停車的一個常見原因，制約了生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，并對現(xiàn)場環(huán)境造成極大污染。采用常規(guī)的溶劑型防腐涂層很難適應其工況，因而需要在彎頭、閥門位置使用耐磨鑄造件，來減少磨損泄漏。

2 煤氣水、渣水系統(tǒng)改造探索

2.1 第一階段改造探索：普通碳鋼增厚

高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)原設計材料為符合GB 9948—2006標準的無縫鋼管材，管道全部采用8 mm厚度的優(yōu)質(zhì)碳素鋼20#，實際使用中管道的直筒部分可以滿足生產(chǎn)需求，彎頭部分在使用60 d左右壁厚減少5 mm～6 mm，磨損遠超腐蝕裕量，裝置保持連續(xù)運行時，更換難度大、經(jīng)濟效益差，且有安全風險。鄂能化公司嘗試在易發(fā)生磨損的位置外部堆焊鋼板，使易損部位厚度增大，延長彎頭使用時間，但厚度增加并不能改變鋼材本身的硬度、韌性和耐腐蝕性，反而在增厚后，與原管道焊接處常出現(xiàn)泄漏，所以單一的增厚并不能滿足生產(chǎn)需要。

2.2 第二階段改造探索：耐磨材料的應用和對比

鄂能化公司通過更換耐磨材料來降低高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)的磨損，經(jīng)試用高錳和高鉻耐磨材料后，發(fā)現(xiàn)高鉻鋼鑄件在磨料磨損和沖擊磨損方面更適應BGL氣化爐的高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)。

高鉻鋼鑄件中的高硬度馬氏體基體可有力地支承碳化物顆粒，避免工作過程中碳化物從磨損表面脫落，保證材料的高抗磨性。高鉻鋼鑄件還大大削弱了高硬度相的脆化作用，相對而言有較好的韌性。高錳鋼具有良好的塑性和沖擊韌性，在外力沖擊下，表面產(chǎn)生硬化層，已硬化的表面層被磨損以后，又出現(xiàn)新的表面層，繼續(xù)被加工硬化，因此高錳鋼鑄件具有高的表面耐磨性[1]。

兩種材料都具有可焊性好、易切割、高耐沖擊性和耐磨性的特點。前期改造中使用高錳鋼鑄件彎頭，運行60 d后平均壁厚減少0.5 mm～1.5 mm，運行200 d后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面平整度下降，有細微的溝和凹陷，部分帶塵、含渣量大的氣化爐煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)彎頭多次出現(xiàn)沙眼磨損，為避免泄漏，大部分彎頭進行了更換。4#氣化爐改造時選擇了高鉻鋼鑄件彎頭，在實際運行中發(fā)現(xiàn)壁厚磨損量均小于1 mm，且內(nèi)表面平整度優(yōu)于高錳鋼鑄件。

高鉻合金耐磨件設計使用壽命不少于24個月，經(jīng)技術改造將激冷水循環(huán)泵P1201、洗滌循環(huán)泵P1204偏心異徑管更換為非標耐磨的偏心異徑管，且兩端由法蘭連接，方便更換。將粗煤氣洗滌冷卻器B1206和激冷水氣液分離器F1206設備連接彎頭、煤氣水反沖洗彎頭、激冷室與渣鎖均壓管線彎頭、煤氣水單爐三通、積液槽出口切斷閥YV8090、LV8095、連接短接等共計14處易損部位更換耐磨件后，泄漏率明顯下降。

2.3 儀表閥門的技術改造

針對含塵煤氣水、渣水系統(tǒng)壓力閥門前后壓差大的問題，經(jīng)技術改造，將LV8095排水管線和YV8090排水管線匯合處的管徑由DN100擴大到DN300，壓力得到緩釋，磨損程度降低，且不易在連接或彎頭處形成固定的沖刷區(qū)，放大管與3根煤氣水管線采用法蘭連接，方便更換，其改造與LV3100-01后擴管改造原理相同。

原設計儀表閥門的材質(zhì)為不銹鋼，在惡劣環(huán)境下易泄漏、扭矩大、密封面耐腐蝕性差，生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生閥門內(nèi)漏現(xiàn)象，多數(shù)表現(xiàn)為閥芯沖刷間隙變大，頻繁更換經(jīng)濟效益差。后將YV8090、LV8095和LV3100-01更換為帶高鉻合金內(nèi)套或增加耐磨環(huán)，使閥門具有良好的自潔性、自潤滑性和耐磨耐腐蝕性。

3 改造前后運行效果對比

中煤圖克項目各氣化爐更換改造時間不同，選取2015年3月至2019年7月3臺氣化爐因含塵煤氣水、渣水管線磨損導致的泄漏停車情況進行對比。

1#氣化爐停車3次：（1）2015年6月3日B1206高壓煤氣水管線三通泄漏停車；（2）2015年8月31日進B1206高壓煤氣水管線彎頭泄漏停車；（3）2016年6月24日進B1206高壓煤氣水管線三通磨損破裂停車。更換耐磨件后至今未發(fā)生上述管線泄漏導致的停車，含塵煤氣水、渣水管線也未發(fā)生泄漏。

2#氣化爐停車1次：2015年3月14日B1206含塵煤氣水前球閥三通泄漏停車，更換耐磨件后至今未發(fā)生泄漏。

3#氣化爐停車2次：（1）2016年1月3日P1204泄漏停車；（2）2016年6月16日激冷室入口孔板后渣水泄漏停車。更換耐磨件后至今未發(fā)生泄漏。

鄂能化公司通過更換耐磨件、擴大管徑改造，并經(jīng)過兩年多現(xiàn)場試用，發(fā)現(xiàn)管徑改造能有效降低節(jié)流點壓差，降低介質(zhì)流速，減少磨損。高鉻合金耐磨材料比較適合用于含塵煤氣水和渣水等含有固體顆粒物的介質(zhì)管道，且能滿足BGL氣化爐生產(chǎn)需要，運行穩(wěn)定，項目實用性好。

4 鉻系鑄鐵材料的應用拓展及新型材料的應用探索

4.1 鉻系鑄鐵材料的應用拓展

高鉻鑄鐵系材料根據(jù)鉻含量及其特點大致可分為3類：第一類鉻系白口鑄鐵，具有良好的耐高溫性能，這種合金除具有一定的耐磨性外，在溫度≤1 050℃的條件下工作，具有良好的抗氧化性能；第二類鉻系白口鑄鐵，當基體全部為馬氏體時，這種合金的耐磨性能良好；第三類低鉻合金白口鑄鐵，與普通白口鑄鐵相比，這種鑄鐵中碳化物的穩(wěn)定性更好[2]。

生產(chǎn)實踐中，應根據(jù)其各自特點，應用在不同裝置部位，以達到減少磨損的效果。

（1）洗滌冷卻器、激冷室、渣鎖內(nèi)件

氣化爐洗滌冷卻器內(nèi)介質(zhì)為高溫、高速流動的粗煤氣和含塵煤氣水，不論哪種介質(zhì)，對內(nèi)件的磨損都比較大，適合采用第一類鉻系材料。

BGL氣化爐激冷室、渣鎖因閃蒸出溶解的H2S和CO2氣體，呈現(xiàn)酸性，pH值在5.0～6.5，運行一段時間后，設備內(nèi)部可見氣孔性腐蝕，而浸沒在渣鎖、激冷室內(nèi)的煙氣罩、激冷環(huán)管等內(nèi)件因腐蝕更換頻率高，渣鎖上、下閥使用一段時間后，密封效果差，若使用高鉻鑄鐵系材料增加其抗腐蝕性，可延長其使用壽命。

（2）含塵煤氣水介質(zhì)的上、下游工段設備

含塵煤氣水介質(zhì)在氣化、煤氣水分離、變換冷卻3個工段內(nèi)反復洗滌、分離，完成一個循環(huán)，由于其含塵量大，上、下游均發(fā)生過磨損泄漏，尤其是煤氣水分離工段的煤氣水噴射泵P1708和P1204泵殼更換頻繁，預計更換使用耐磨材料后可以得到改善，且根據(jù)其工況特點適合采用第二類鉻系鑄鐵材料。

（3）輸煤、輸渣裝置等一般磨損部位

第三類低鉻合金白口鑄鐵適用于輸煤環(huán)節(jié)的篩網(wǎng)、溜槽，氣化爐受煤連接處、落渣管等一般磨損部位，因其市場價格不高，既可以增強裝置耐磨性，也不需過多的投入。

4.2 新材料的應用探索

納米陶瓷材料的結構與常規(guī)材料相比，發(fā)生了很大變化，顆粒組元細小到納米數(shù)量級，界面組元大幅度增加，可使材料的強度、韌性和超塑性等力學性能大為提高[3]，此類材料也可作為高壓含塵煤氣水、激冷渣水系統(tǒng)的耐磨材料，是減少磨損的一種途徑。此外起著軟性保護的納米涂料在防護領域也起著重要的作用，在惡劣環(huán)境中應用納米陶瓷涂料，可在一定程度上延長設備和管道使用壽命，節(jié)約運行成本。