氣化爐激冷罐的設(shè)計(jì)

鹿鳳云

（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

煤氣化技術(shù)是提高煤炭高效、潔凈綜合利用的核心技術(shù)。氣化爐是煤氣化的主要設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化，隨著國家對(duì)清潔能源利用政策的傾向，煤氣化技術(shù)越來越受到關(guān)注。激冷罐作為煤氣化項(xiàng)目中的核心設(shè)備——?dú)饣癄t的關(guān)鍵件，其工藝工況苛刻且復(fù)雜，主要功能是實(shí)現(xiàn)來自氣化爐上部燃燒氣化室超高溫煤氣混合物的冷卻（降溫）、洗滌（除灰渣）、飽和（增濕），為下游工序（煤氣凈化）的正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能簡介

該設(shè)備主要由激冷環(huán)、下降管、除沫盤、破渣盤組成，主體結(jié)構(gòu)見圖1。為了完成煤氣的洗滌冷卻，洗滌水先進(jìn)入內(nèi)配管，流經(jīng)激冷環(huán)噴出，環(huán)周洗滌水沿下降管壁流下，激冷環(huán)中水與粗煤氣混合，強(qiáng)化介質(zhì)熱能傳遞，煤氣經(jīng)過下降管下部擴(kuò)口進(jìn)入除沫盤（鼓泡床），床中設(shè)有氣泡橫向分割單元，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤氣洗滌、降溫、增濕的目的，絕大部分灰渣轉(zhuǎn)移到水相，沉降經(jīng)下部出口排出。洗滌過的煤氣經(jīng)激冷罐洗滌冷卻室上部擋板分離其中的霧沫后，經(jīng)出口進(jìn)入下游工序。該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 選材

該設(shè)備介質(zhì)的主要組分含[H2] 48.4%、[CO] 38.5%，屬于臨氫環(huán)境。在高溫高壓臨氫條件下，該設(shè)備主要的腐蝕形式為氫損傷，主要表現(xiàn)為擴(kuò)散氫原子在非金屬夾雜物或帶狀缺陷等部位沉積為分子氫而形成的氫鼓泡、金屬中擴(kuò)散氫所造成的氫致脆性開裂、高溫高壓下氫與固溶碳或碳化物反應(yīng)生成甲烷而造成的表面脫碳或氫腐蝕，其程度隨著操作溫度和氫分壓的提高而增加[1]。在此條件下，設(shè)備的選材既要考慮強(qiáng)度需要，又要充分考慮臨氫設(shè)備的氫腐蝕條件。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Primal design parameters

鉻鉬鋼因添加了阻止?jié)B碳體分解和碳化物析出的元素Cr、Mo、V 等作為抗氫鋼，這些合金元素同時(shí)提高了鋼材的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度，因此鉻鉬鋼作為耐熱、抗氫鋼得到了廣泛使用。API RP941《鋼在氫環(huán)境中的操作極限》中的納爾遜曲線顯示了不同溫度和氫分壓下各種鉻鉬鋼的抗氫性能。根據(jù)本設(shè)備的操作條件，參照納爾遜曲線，殼體主材最終選用1.25 Cr-0.5Mo 類鉻鉬鋼SA387 Gr11Cl2[2]。由于氫在鋼材中的擴(kuò)散速度隨著壓力及溫度的升高而加快，但在相同溫度和壓力下，氫在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度遠(yuǎn)大于其在鐵素體內(nèi)的溶解度，故選擇在殼體內(nèi)壁堆焊≥6 mm 的雙層奧氏體不銹鋼耐蝕層，防止氫在高溫高壓條件下向基材擴(kuò)散，進(jìn)一步保護(hù)主材免受腐蝕損傷。該設(shè)備核心內(nèi)件則根據(jù)其工況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用高溫耐蝕的鎳基合金Incoloy 825。

圖1 激冷罐主體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing for quench vessel

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 激冷環(huán)的設(shè)計(jì)

激冷環(huán)是氣化爐的核心部件，結(jié)構(gòu)見圖2。該部件操作工況最為苛刻，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，是關(guān)鍵功能部件，也是易損部件。保證其進(jìn)、出水可靠，布水均勻，易于拆卸更換等是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素。它安裝在氣化爐燃燒室和激冷室相連接的喉部，與激冷罐四根內(nèi)配管及托磚盤相連接，激冷環(huán)由分布管箱、半環(huán)管及擋板組成。分布管箱側(cè)面開多個(gè)斜切向螺塞孔，斜孔可產(chǎn)生旋切向水流，有利于流體平穩(wěn)均勻流動(dòng)，減少了流體的壓力及流量波動(dòng)。洗滌水先進(jìn)入分布管箱，流經(jīng)管箱排孔再經(jīng)半環(huán)管下部縫隙噴出，環(huán)縫洗滌水沿下降管壁流下，該周向噴流的洗滌水與來自燃燒氣化室的粗煤氣充分混合，進(jìn)行熱質(zhì)傳遞，實(shí)現(xiàn)煤氣的初級(jí)降溫。隨后該經(jīng)初次降溫的煤氣經(jīng)下降管下端擴(kuò)口進(jìn)入除沫盤（鼓泡床），進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤氣洗滌、降溫、增濕的目的?？椎臄?shù)量、分布角度及大小決定了下降管是否能均勻布水從而避免其缺水掛渣燒損。設(shè)計(jì)中經(jīng)過流體模擬分析、驗(yàn)算、論證，通過調(diào)整管箱結(jié)構(gòu)、孔距及角度等尺寸，為使冷卻液的流動(dòng)阻力盡可能減小，內(nèi)環(huán)的水分布更均勻，以期有效延長激冷環(huán)的使用壽命。

圖2 激冷環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing for quench ring

本次設(shè)計(jì)中在激冷環(huán)與下降管連接部位增加一內(nèi)錐筒（見圖1），該內(nèi)錐筒與外部錐形筒體形成一個(gè)夾套空腔，外錐筒體增加3 個(gè)進(jìn)水接管，內(nèi)錐筒上均布開3 個(gè)R200 橢圓孔，從而使充滿該夾套空腔的補(bǔ)充冷卻水從內(nèi)錐上部橢圓缺口噴射而出，并沿下降管外壁均勻流下，該夾套冷卻水與激冷環(huán)冷卻水使承受高溫的下降管實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外雙重冷卻，避免了因激冷環(huán)側(cè)水孔堵塞造成的下降管斷水而導(dǎo)致下降管高溫?zé)龘p的危險(xiǎn)，并大幅提高了洗滌冷卻的工作效率，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效提高激冷環(huán)及下降管的使用壽命，為設(shè)備節(jié)約了后期維修成本。

激冷環(huán)通過連接螺栓和螺母固定于托磚盤下段，連接螺栓固定激冷環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖3，激冷環(huán)與托磚盤之間有密封墊片，防止工藝氣短路串火，因?yàn)榻橘|(zhì)中含有少量的H2S 等酸性氣體，一般碳鋼或低合金鋼在此環(huán)境中腐蝕速率較快，以往的設(shè)計(jì)中該處螺栓均采用昂貴的Incoloy 825 材料，本次設(shè)計(jì)經(jīng)過對(duì)設(shè)備的使用工況及介質(zhì)組分進(jìn)行詳細(xì)的分析論證后，最終確定該處螺栓選用超低碳不銹鋼316L，既可滿足耐腐蝕性及連接要求，也節(jié)省了特材螺栓的費(fèi)用。

圖3 激冷環(huán)與托磚盤的連接圖Fig.3 Quench ring and brick supporting tray

3.2 托磚盤及其連接的設(shè)計(jì)

激冷環(huán)上部連接氣化爐燃燒室，燃燒室內(nèi)為約400 ℃的高溫煤氣，燃燒室內(nèi)部設(shè)置厚＞0.8 m、質(zhì)量數(shù)噸的絕熱層及耐火磚，該絕熱耐火磚將完全由激冷罐上部的托磚盤支承，托磚盤與設(shè)備本體的連接處受力較大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮連接的合理性、可靠性。該處比較典型的結(jié)構(gòu)為斷面似Y 的環(huán)形鍛件內(nèi)部突肩與托磚盤對(duì)接焊形式（見圖4），該結(jié)構(gòu)既方便焊接又利于無損檢測，同時(shí)保證托磚盤的安裝水平度要求，該Y 型鍛件材料與筒體一致，為SA336F11Cl2。

圖4 托磚盤結(jié)構(gòu)方案1Fig.4 Structure option 1 for brick supporting

3.3 除沫盤的設(shè)計(jì)

除沫盤設(shè)置于激冷罐罐體中部洗滌室，處于最低、最高液位之間，該部件主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)物料進(jìn)行除沫、濾渣的功能。該部件應(yīng)固定牢靠，拆卸及取出方便，以利于設(shè)備成型后內(nèi)件的裝配及后期激冷環(huán)的維修、更換操作。除沫盤結(jié)構(gòu)見圖5，由等間隙平行排列的角鋼組成，角鋼為等邊三角形，下部開口處連續(xù)均布開滿三角形槽口形成鋸齒形，該平行角鋼通過連接螺栓安裝于可靠固定在下降管及殼體上的大、小支撐環(huán)上，角鋼條組成的除沫盤安裝好后形似篦子。相鄰兩層安裝時(shí)使其角鋼互相垂直交錯(cuò)，每層間距700 mm。該件結(jié)構(gòu)簡單易于制造，而且可較好發(fā)實(shí)現(xiàn)除沫、濾渣的功能。為了防止氣泡運(yùn)動(dòng)以及系統(tǒng)卸壓震動(dòng)引起的松脫，連接螺栓固定螺母端點(diǎn)焊于角鋼部件本體上，另一端配雙螺母防松。

圖5 除沫盤結(jié)構(gòu)Fig.5 Remove bubble structure

3.4 破渣盤的設(shè)計(jì)

激冷室下部錐段處，設(shè)置破渣結(jié)構(gòu)，為一組尖角向上的柵條交錯(cuò)組焊成垂直方向等間隙的錐形篩網(wǎng)罩，錐頂角為60°，其軸與設(shè)備軸線平行，結(jié)構(gòu)見圖6 所示。其錐頂尖角部分可使下落撞擊其上的大塊物料破碎變小，經(jīng)網(wǎng)罩篩漏而下；較大物料在沿錐體側(cè)斜面滑落的過程中與柵條尖角相互摩擦而變小下漏。該破渣盤錐形篩網(wǎng)底面直徑為φ2 244 mm，高度為1 943 mm。為了不影響激冷環(huán)的更換與維修及其本身的安裝，破渣盤組件分成四部分，各部分用螺栓連接，從而保證每一部分都可從下部容器法蘭處取出。并在破渣盤錐底上部焊一圈角鋼環(huán)，與殼體之間有5 mm 間隙，期望實(shí)現(xiàn)破渣盤在小范圍內(nèi)振動(dòng)，抖散大塊灰渣物料，又能連接固定。該破渣盤柵條截面最初方案定為菱形，在實(shí)際運(yùn)行中通過與一線人員的切磋交流，根據(jù)實(shí)際最終改為三角形截面，從而在不降低功能性的前提下大幅節(jié)省材料，并降低了制造難 度。

圖6 破渣盤結(jié)構(gòu)Fig.6 Slag-removing tray structure

3.5 支座的設(shè)計(jì)

該設(shè)備為非標(biāo)大直徑立式設(shè)備，帶料操作時(shí)最大質(zhì)量＞260 t，常規(guī)設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用裙式支座。但該設(shè)備現(xiàn)場所處的位置和工藝管路布置不允許其采用裙座支撐形式。若采用耳式支座，由于該設(shè)備質(zhì)量大，外載荷較大，直徑為φ3 368 mm 沒有標(biāo)準(zhǔn)耳座可選。在此情況下采用帶剛性環(huán)的非標(biāo)耳式支座，經(jīng)過手工計(jì)算校核，最終確定出合理的支座尺寸。一般設(shè)備要求支座盡量布置在設(shè)備的重心之上。按用戶設(shè)計(jì)條件和實(shí)際特殊使用工況，最初設(shè)計(jì)方案中將支座布置于人孔之上。但按照該方案，土建設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)支座座下的大梁與人孔相碰，該人孔蓋無法打開。經(jīng)過與土建及工藝管路各方面的協(xié)商，進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算，最終將支座下移于人孔之下，并在下部錐體上設(shè)置4個(gè)附加導(dǎo)向支座進(jìn)行加固的組合支撐方案（見圖1），該導(dǎo)向支座可實(shí)現(xiàn)輔助承載并導(dǎo)向定位的滑動(dòng)支座的功能[3]。

4 結(jié)束語

由于該設(shè)備材料的特殊性、設(shè)備操作工況的惡劣性及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)階段，從選材到設(shè)備出廠交付等各方面均制定了詳細(xì)且系統(tǒng)的規(guī)范要求，通過多方案分析論證并結(jié)合我公司的工藝方法和生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，在滿足設(shè)備工藝性、功能性及相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí)，確保了該設(shè)備的竣工并安全順利投入運(yùn)行，希望對(duì)同行在設(shè)計(jì)同類設(shè)備時(shí)有所參 考。