氣化爐激冷環(huán)結(jié)構(gòu)改進

孫嫩霞

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司，河南 開封 475002)

國內(nèi)首套年產(chǎn)300kt/a合成氨HT-L粉煤加壓氣化爐裝置，于2012年10月在河南晉開化工投資控股集團有限責任公司二分公司(以下簡稱河南晉開集團二公司)投產(chǎn)。該裝置采用的粉煤加壓氣化技術(shù)是由北京航天工程公司在借鑒德國GSP、美國TEXACO煤氣化工藝的先進技術(shù)后自主研發(fā)的，配置了自主研發(fā)的頂置式燒嘴和盤管式水冷壁，形成了一套結(jié)構(gòu)簡單、有效實用的煤氣化技術(shù)。HT-L粉煤加壓氣化爐是一種氣流床下行激冷的氣化爐，采用了很多核心技術(shù)，其中，激冷環(huán)是氣化爐的核心部件，其運行工況直接影響到氣化爐乃至整套裝置的穩(wěn)定運行。河南晉開集團二分公司有HT-L粉煤加壓氣化爐裝置4套，從2012年10月開車以來，一直在探索實現(xiàn)氣化爐長周期運行的方法，根據(jù)實際運行中出現(xiàn)的一些問題，將激冷環(huán)結(jié)構(gòu)進行了改進。

1 激冷室內(nèi)的結(jié)構(gòu)及介質(zhì)流程

圖1 HT-L氣化爐

HT-L粉煤加壓氣化爐主要由殼體和內(nèi)筒兩部分構(gòu)成。殼體承受工作時的壓力，內(nèi)筒與殼體之間有保護氣層，內(nèi)筒僅承受微小壓差。內(nèi)筒上部為圓筒盤管型燃燒室，下部為激冷室(見圖1)。激冷室內(nèi)有激冷環(huán)、下降管、上升管和渣水分離擋板等主要部件。燃燒室與激冷室之間通過渣口相連通，渣口下面安裝著激冷環(huán)，激冷環(huán)下部連接著下降管，下降管的下端深入到激冷室的正常液位以下。下降管的外面是上升管，上升管與下降管同心，兩者之間形成寬度200mm的環(huán)隙。

煤粉及氧氣在燃燒室反應(yīng)，出燃燒室的1 300℃高溫合成氣和液態(tài)熔渣通過渣口進入激冷環(huán)和下降管，與激冷環(huán)和下降管內(nèi)壁覆蓋著的激冷水膜之間進行迅速復雜的傳熱傳質(zhì)過程。高溫合成氣和液態(tài)熔渣的溫度迅速降低，激冷水膜的溫度迅速升高，并有部分激冷水迅速蒸發(fā)進入到合成氣中。合成氣和液態(tài)熔渣沿激冷環(huán)和下降管下行進入激冷室的正常液面以下，合成氣經(jīng)過水浴冷卻、洗凈分離后，通過下降管和上升管之間的環(huán)隙上行，從合成氣出口離開氣化爐。液態(tài)熔渣被激冷固化后經(jīng)過破渣機，最終從撈渣機排出。

激冷環(huán)和下降管內(nèi)氣、液、固三相間的傳熱傳質(zhì)和流動過程非常復雜且迅速。在離開燃燒室渣口后向下0.8m的范圍內(nèi)，合成氣溫度變化的梯度最大，合成氣與激冷水之間的熱交換負荷量最大，激冷環(huán)在該區(qū)域所承受的熱應(yīng)力也最大，激冷水蒸發(fā)量較大，激冷環(huán)內(nèi)壁的水膜相對較薄，因而在這一區(qū)段比較容易發(fā)生激冷環(huán)因過熱而鼓包、變形甚至燒穿的現(xiàn)象。激冷室的關(guān)鍵部件就是激冷環(huán)，激冷環(huán)的使用壽命直接影響了氣化爐的運行周期。

2 激冷環(huán)的構(gòu)造

激冷環(huán)由水環(huán)管、上半環(huán)管、唇環(huán)、下半環(huán)管和內(nèi)環(huán)管、布水環(huán)、環(huán)板、下降短管和激冷水進水管組成，水環(huán)管、上半環(huán)管、唇環(huán)、下半環(huán)管、內(nèi)環(huán)管組成激冷水分布室，下半環(huán)管與布水環(huán)焊接成一體，內(nèi)環(huán)管與下降短管焊接在一起，布水環(huán)與下降短管之間形成激冷液環(huán)隙，在此環(huán)隙的布水環(huán)的內(nèi)壁側(cè)焊有均勻分布的旋流板。

下半環(huán)管上開有62個斜向下的激冷水噴淋孔(φ8)。激冷水經(jīng)過激冷水泵加壓到5.0MPa，從4個DN100接管進入激冷水分布室的前室，然后通過下降短管上部與上半環(huán)管之間環(huán)向間隙和內(nèi)環(huán)管進入激冷水分布室的后室。大部分的激冷水沿布水環(huán)與下降短管之間環(huán)隙均勻流下，在下降管管壁形成均勻水膜，將高溫氣體與下降管隔開，以保護下降管，少部分激冷水經(jīng)過62個φ8的噴淋孔噴出。激冷水與來自渣口的高溫粗合成氣混合，強化熱質(zhì)傳遞，實現(xiàn)合成氣的洗滌、降溫、增濕的作用。

由于激冷環(huán)在高溫環(huán)境中使用，除法蘭、接管、內(nèi)環(huán)管、環(huán)板、下降管采用316L不銹鋼外，其他部件均采用INCOLOY825材料。

3 激冷環(huán)的使用情況

3.1 激冷環(huán)運行工況

HT-L氣化爐以粉煤為原料，燃燒室操作壓力為4.0MPa；燃燒室操作溫度為1 300～1 400℃；粉煤投入量54t/h；激冷水系統(tǒng)操作壓力5.0MPa； 激冷水操作溫度為221℃； 激冷水流量為350～450m3/h；合成氣的主要成分有H2、CO、CO2、CH4、H2S等；排放熔渣主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MaO等。

3.2 激冷環(huán)使用狀況

激冷環(huán)的使用工況很惡劣，從燃燒室來的1 300℃左右的高溫粗合成氣夾帶大量熔融灰渣從激冷環(huán)穿過，在短時間和短距離內(nèi)溫度降到220℃左右，高溫氣體的炙熱烘烤、溫度的急劇變化加上熔渣的沖刷，要求激冷環(huán)與高溫氣體和熔渣接觸的工作表面上必須均勻覆蓋一定厚度的激冷水膜，把激冷環(huán)與高溫氣體和熔渣隔離開，才能使激冷環(huán)正常工作，否則就會使激冷環(huán)的使用壽命受到很大影響。

晉開HT-L氣化爐運行以來，多次發(fā)生因激冷環(huán)損壞導致裝置停車的情況。最嚴重的一次是在2017年5月，運行中的A氣化爐殼體中部突然出現(xiàn)明火，A套裝置緊急停車。判斷是激冷環(huán)堵塞斷水，過熱燒穿，高溫合成氣穿過激冷環(huán)直接燒穿氣化爐殼體。檢修過程中發(fā)現(xiàn)，激冷環(huán)環(huán)隙和激冷環(huán)內(nèi)部堵塞嚴重，一根激冷水進水管被渣全部堵塞，渣口法蘭面和激冷環(huán)法蘭面嚴重燒損，部分渣水分離擋板燒壞，激冷環(huán)的下降短管多處鼓包燒穿， HT-L氣化爐殼體中部局部嚴重鼓包開裂，焊縫口撕裂。這次事故導致A套氣化爐裝置停車檢修32d，損失巨大。

4 激冷環(huán)損壞表現(xiàn)形式及原因分析

4.1 激冷環(huán)主要損壞形式

河南晉開集團二分公司4臺HT-L氣化爐激冷環(huán)損壞的主要原因是布水環(huán)被過燒熔化甚至形成缺口、下半環(huán)管被過燒開裂甚至變形、下降短管鼓包變形甚至燒穿。

4.2 激冷環(huán)損壞原因

4.2.1激冷環(huán)內(nèi)部堵渣

根據(jù)激冷環(huán)的工作原理和現(xiàn)場的損壞情況分析，激冷環(huán)損壞的主要原因是由于激冷環(huán)內(nèi)部堵渣和激冷環(huán)環(huán)隙局部堵渣，引起激冷環(huán)環(huán)隙局部斷水無水膜，激冷環(huán)直接與高溫合成氣及熔渣接觸，致使激冷環(huán)高溫過熱變形，而這種變形加劇了激冷水分布不均，激冷環(huán)變形進一步加劇，最終出現(xiàn)鼓起、凹陷、裂紋、燒損，導致激冷環(huán)損壞。同時，高溫合成氣及熔渣對激冷環(huán)的直接沖刷也降低激冷環(huán)的使用壽命。

4.2.2激冷環(huán)環(huán)隙變形

環(huán)隙變形的主要原因如下：在激冷水分布不均勻及熱應(yīng)力的長期作用下，金屬材料會發(fā)生變形，環(huán)隙局部變大，也有局部變小，導致不能在下降管形成均勻連續(xù)的水膜。

4.2.3激冷環(huán)噴淋孔堵塞

在檢修過程中發(fā)現(xiàn)，噴淋孔堵塞的現(xiàn)象很普遍，基本上每次檢修，三分之二以上的噴淋孔都被堵塞。激冷水在進入氣化爐之前經(jīng)過激冷水過濾器，過濾器中安裝一層多孔板過濾激冷水，多孔板上均勻分布著φ6mm的孔。φ8mm噴淋孔在正常情況下是不會堵塞的，但由于前期多孔板的設(shè)計厚度只有3mm偏薄，在激冷水壓差的作用下容易變形，使激冷水中的固體顆粒從多孔板變形處滑過，進入激冷環(huán)堵塞噴淋孔。根據(jù)這種情況，把多孔板厚度增加到12mm，使激冷環(huán)噴淋孔堵塞得到改善，同時也減輕了激冷環(huán)的堵塞情況。

激冷水本身含有一些細小固體顆粒，這些細小固體顆粒會在管壁堆積結(jié)垢，在垢片脫落的情況下也會堵塞噴淋孔。每次檢修時，都應(yīng)對激冷水管內(nèi)壁進行清理清洗。

5 改進激冷環(huán)

5.1 激冷環(huán)改進的思路

激冷環(huán)4個進水管與激冷環(huán)中心線呈45°，沿圓周均勻分布，激冷水進入激冷環(huán)，沿激冷環(huán)圓周方向流動，同時通過下降短管上部與上半環(huán)管的間隙、布水環(huán)與下降短管的環(huán)隙，沿下降短管向下流動形成激冷水膜。在氣化爐的多次檢修中發(fā)現(xiàn)，激冷環(huán)的堵渣先從激冷水分布室和環(huán)隙中堵渣開始，嚴重時，激冷環(huán)內(nèi)局部被渣堵死后，激冷水進水管內(nèi)也堵滿了渣。激冷水在激冷環(huán)中流速偏低，容易造成激冷水中垢片和顆粒的沉積，堵塞激冷環(huán)。因此，通過提高激冷水在激冷環(huán)中的流速，減少激冷水中垢片和顆粒的沉積，降低激冷環(huán)的堵塞現(xiàn)象，可以延長激冷環(huán)的使用壽命。

5.2 激冷環(huán)結(jié)構(gòu)改進

把原來激冷環(huán)4個進水口全部改為與激冷環(huán)中心線呈90°、沿激冷環(huán)圓周切線方向進水(見圖2)，切向進水可以使激冷水沿切向方向進入分布室。激冷水在切向力的作用下產(chǎn)生切向加速度，切向加速度的方向與線速度的方向相同，激冷水的線速度增大，激冷水流速加快，在激冷環(huán)內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)流動，有效減少了激冷水在分布室內(nèi)的沉淀和積渣，還可以將一些水垢沖刷、碰撞成小顆粒排除，通過環(huán)隙后在下降短管內(nèi)壁形成旋轉(zhuǎn)向下的水膜，旋轉(zhuǎn)水膜還可以彌補因激冷環(huán)環(huán)隙受損后引起的水膜分布不均的危害。

安裝切向進水激冷環(huán)后，可以利用原激冷水進水管，把與激冷環(huán)進水口連接處局部重新配管，焊接時要采用氬弧焊打底，保證進水管內(nèi)壁光滑。

圖2 改進前后激冷環(huán)局部剖面示意

5.3 改進后激冷環(huán)使用情況

2018年3月27日，在D套HT-L氣化爐上第一次試用切向進水激冷環(huán)，至2018年11月7日停爐檢修時檢查激冷環(huán)，環(huán)隙處有兩段輕微堵渣，分別長約40mm和130mm，堵渣較疏松，很容易清理。在激冷環(huán)背部挖開一個100mm×60mm的方孔檢查，只有少量垢片沉積，無堵渣現(xiàn)象。改造前，在爐子運行6個月停爐檢修時，激冷環(huán)內(nèi)已結(jié)垢堵渣如石塊，只能更換激冷環(huán)或大面積挖開激冷環(huán)進行清理。對激冷環(huán)簡單清理后，D爐繼續(xù)運行至2019年5月，檢查激冷環(huán)，基本無堵渣，繼續(xù)投入運行，至今運行良好。根據(jù)D爐切向進水激冷環(huán)的運行情況，目前，另外ABC 3臺HT-L氣化爐已經(jīng)全部使用切向進水激冷環(huán)，最長運行周期302d。

6 結(jié)語

在氣化爐的各主要部件中，除了氣化爐燒嘴外，激冷環(huán)對氣化爐運行周期影響最大。更換燒嘴所需時間少，且不需要氣化爐徹底降溫，但更換激冷環(huán)則非常復雜，要求氣化爐徹底降溫、氣化爐下部破渣機推開，并要清理、清洗激冷室，需進入激冷室內(nèi)部進行拆卸和回裝，檢修恢復時間長。所以，激冷環(huán)的使用壽命對氣化爐的穩(wěn)定運行有很大影響。 從近一年多運行情況來看，改造后的激冷環(huán)使用效果良好，氣化爐運行周期從6個月延長到了10個月，停爐檢查時發(fā)現(xiàn)，激冷環(huán)只有輕微堵渣，清理后可以繼續(xù)投入運行，下降管完好無變形。