分段式氣化爐設(shè)計(jì)制造技術(shù)探討

（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

化工企業(yè)的廢料中含有多種有毒，有害物質(zhì)，若不經(jīng)過(guò)妥善處理直接排放到環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生污染。將化工企業(yè)的廢棄物加以合理利用和回收變廢為寶，進(jìn)行資源的二次開(kāi)發(fā)是目前許多化工基地的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。利用氣化技術(shù)將廢料處理后，進(jìn)行資源的循環(huán)、利用、回收，對(duì)環(huán)境保護(hù)和降低生產(chǎn)成本有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。氣化技術(shù)是利用蒸汽/氧氣作為氣化介質(zhì)在高溫下和工業(yè)廢料反應(yīng)制造煤氣的自熱過(guò)程，在此過(guò)程中，廢料主要轉(zhuǎn)化成H2、CO 和H2S 以及一些易脫除的雜質(zhì)氣體，這些氣體可用于高效發(fā)電以及生產(chǎn)下游的化工原料。氣化爐是各種氣化技術(shù)的核心設(shè)備，它的制造技術(shù)直接影響氣化轉(zhuǎn)化的效率，應(yīng)予以重視。本文以我公司承攬的一臺(tái)氣化爐為例，闡述分析了氣化爐選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵工藝的控制要點(diǎn)與難點(diǎn)。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能簡(jiǎn)介

該設(shè)備主要由氣化室、激冷環(huán)、激冷室三部分組成，為法蘭連接分段式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)便于易損件激冷環(huán)的更換，同時(shí)避免了整體式氣化爐中Y 形鍛件的制造、加工、裝配的困難。氣化爐上部為氣化室，下部為激冷室，中間夾持激冷環(huán)。氣化室內(nèi)筑有三層耐火磚，內(nèi)層耐火磚主要耐高溫沖刷，中層起支撐作用支撐拱頂，外層起絕熱作用減少熱量散失。氣化室上部頂凸緣法蘭裝配噴嘴用于加熱反應(yīng)物料進(jìn)行氣化反應(yīng)。激冷室包括下降筒、上升筒、連接件等部件。氣化爐主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示。從燃燒室出來(lái)的工藝氣體夾帶燃燒后的灰渣，經(jīng)過(guò)激冷環(huán)和下降筒，被激冷水降溫、洗滌、除渣。然后通過(guò)水封由上升筒與下降筒之間的通道進(jìn)入激冷室下部的水中進(jìn)行水浴，廢渣冷卻結(jié)塊從激冷室底部排出，粗煤氣通過(guò)下降筒與上升筒之間的環(huán)隙上升，在激冷室上部進(jìn)行氣、水初步分離后，從氣體出口排出[1]。氣化爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 設(shè)計(jì)

2.1 腐蝕機(jī)理分析

氣化反應(yīng)得到的粗煤氣除了CO、H2、H2O 外還含有少量的H2S、C2O 等雜質(zhì)氣體。影響設(shè)備腐蝕的主要因素就是H2S 和H2這兩種介質(zhì)。其中H2S 在有水存在的情況下形成了濕硫化氫腐蝕環(huán)境，而H2則容易引起氫腐蝕。

濕H2S 腐蝕主要引起硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂。因?yàn)闈馠2S 腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼的內(nèi)部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力的共同作用下形成了硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。如果氫原子向鋼中滲透，在鋼中某些關(guān)鍵部位聚集形成氫分子，隨氫分子數(shù)量的增多，壓力增大，形成氫鼓泡，當(dāng)氫分子繼續(xù)聚集，氫壓力持續(xù)增大，鋼內(nèi)部不同層面或鄰近金屬表面的氫鼓泡相互連接而成的開(kāi)裂稱之為氫致開(kāi)裂。氫致開(kāi)裂的裂紋與鋼內(nèi)部夾雜物或合金元素的微觀組織有關(guān)。通過(guò)降低鋼材中的雜質(zhì)含量以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理可以提高鋼材抗硫化氫應(yīng)力腐蝕及氫致開(kāi)裂的能力[2]。

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

影響氫腐蝕敏感性最關(guān)鍵的因素是鋼材的化學(xué)成分、操作溫度、暴露時(shí)間的氫分壓和應(yīng)力水平。金屬材料因吸收氫而導(dǎo)致塑性降低，性能惡化的現(xiàn)象稱為氫損傷。在高溫條件下侵入鋼中的氫和不穩(wěn)定碳化物析出的碳起化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，導(dǎo)致鋼材破裂形成氫腐蝕。因?yàn)闅涓g是由不穩(wěn)定碳化物的分解造成的，所以在鋼材中添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素，就可使碳的活性降低，減少和防止鋼中甲烷的生成，從而提高鋼材抗氫腐蝕能力[3]。

2.2 材料的選擇

由于氣化反應(yīng)的高溫高壓及介質(zhì)中H2及H2S 的腐蝕，材料選擇的正確與否關(guān)系到整個(gè)氣化反應(yīng)能否正常進(jìn)行。氣化的反應(yīng)溫度在400℃左右，如果選擇Q345R，極易造成鋼材的氫腐蝕傾向?qū)е略O(shè)備整體失效。鉻鉬鋼因含有強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V 具有良好的熱穩(wěn)定性，阻止碳化物分解并對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，從而改善鋼材抗氫腐蝕的能力，其溫度持久極限和蠕變極限較高，因此常用作高溫抗氫鋼以防止氫腐蝕。該設(shè)備氣化室選擇14Cr1MoR， 激冷室選擇Q345R 正火材料堆焊S31603。濕H2S 腐蝕與焊接殘余應(yīng)力有關(guān)，屬于延遲破壞。預(yù)防措施應(yīng)減少熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫含量，焊接時(shí)預(yù)熱，保持層間溫度、焊后消氫熱處理避免焊縫中溶入氫。設(shè)備制造完成后進(jìn)行整體熱處理，盡可能地將氫驅(qū)除，可有效防止?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕。

2.3 激冷室內(nèi)件設(shè)計(jì)

激冷室內(nèi)件主要有材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2（316L），厚度8 mm 的上升筒與材質(zhì)為Incoloy 825，厚度8 mm 的下降筒組成。Incoloy 825 合金具有耐高溫和抗沖蝕的優(yōu)良性能，適宜制作下降筒，但是價(jià)格昂貴，故只是在耐高溫部件選用，而其他部件根據(jù)氣化爐激冷室的特點(diǎn)選用316L，節(jié)約材料和制造成本。下降筒與激冷環(huán)短節(jié)焊接連接，作用是通過(guò)激冷環(huán)形成一層均勻的水膜，工藝氣走下降筒內(nèi)側(cè)，從而起到激冷工藝氣的作用。上升筒與激冷室殼體通過(guò)螺栓連接并可拆，作用是引導(dǎo)氣流方向?qū)⒓だ浜蟮暮铣蓺庖良だ涫乙好嫔喜?，不至于氣流鼓泡時(shí)對(duì)整個(gè)液面產(chǎn)生過(guò)大波動(dòng)。下降筒與上升筒通過(guò)兩組各8 塊連接板連接，連接方式如圖2 所示，連接板設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，可適當(dāng)調(diào)節(jié)上升筒的位置。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，因激冷環(huán)工況惡劣，長(zhǎng)期受高溫氣體沖刷，使用壽命一般為2 ～ 3年，考慮方便激冷環(huán)的更換，所以該氣化爐設(shè)計(jì)分為二段可拆式，氣化和激冷兩腔用法蘭連接，中間夾持激冷環(huán)。這樣設(shè)計(jì)便于拆卸更換易損件激冷環(huán)及下降筒。

圖2 上升筒與下降筒連接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connecting structure of ascending cylinder and descending cylinder

3 設(shè)備制造的難點(diǎn)及重點(diǎn)

3.1 球封與筒體

球形封頭半徑為1 405 mm，缺高118 mm，壁厚27 mm。二拼一下料，整體熱壓成型。為保證封頭與頂部凸緣法蘭之間的同軸度及后續(xù)與筒體合攏時(shí)的整體同軸度，采取了二者相焊、熱處理后加工密封面與螺栓孔及合攏處坡口等的工藝，且其焊縫采用全焊透的對(duì)接結(jié)構(gòu)型式。

氣化室筒體的成型、焊接是該設(shè)備制造的技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)。板材下料后，保證鋼板的對(duì)邊平行，按要求劃線展開(kāi)長(zhǎng)尺寸，要求劃線后鋼板的對(duì)角線長(zhǎng)度相等，偏差控制在2 mm 以內(nèi)，用刨邊機(jī)加工縱環(huán)焊縫坡口，考慮到筒體橢圓度需嚴(yán)格控制，成型過(guò)程中控制好進(jìn)給量，不間斷用樣板檢測(cè)筒節(jié)的曲率，確保不會(huì)過(guò)卷。

因激冷室筒體內(nèi)表面需堆焊不銹鋼覆層，為保證堆焊后筒體內(nèi)徑不變，在筒節(jié)卷制成形時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制各筒節(jié)的碾壓圈數(shù)，控制其錯(cuò)邊量，同時(shí)也應(yīng)控制棱角度等相關(guān)要求。筒節(jié)環(huán)焊縫焊接完畢后再進(jìn)行堆焊。為保證堆焊效果，對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行了打砂處理。

氣化爐殼體坡口型式設(shè)計(jì)為對(duì)接接頭全焊透結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。坡口加工完成后進(jìn)行殼體組對(duì)焊接，焊前預(yù)熱溫度150 ～ 200℃，焊后應(yīng)立即做325 ～ 375℃下保溫2 h 消氫處理，內(nèi)外部同時(shí)加熱，熱電偶點(diǎn)焊在焊縫上，且焊接過(guò)程必須是連續(xù)的，并要保證焊件溫度維持預(yù)熱溫度并嚴(yán)格控制層間溫度。如果在焊接過(guò)程中出現(xiàn)間歇或停止現(xiàn)象，焊件必須一直保持預(yù)熱狀態(tài)直到焊接結(jié)束。

3.2 氣化室的整體加工

氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中，如果頂部噴嘴出現(xiàn)嚴(yán)重偏噴，會(huì)對(duì)耐火磚造成燒蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致耐火磚大量脫落，造成竄氣爐壁超溫現(xiàn)象。因此保證頂部凸緣法蘭公差要求非常關(guān)鍵。為保證設(shè)備頂部凸緣法蘭與托磚盤的平行度與同軸度要求，需在筒體成型、零部件工藝留量、劃線開(kāi)孔定位、焊接變形控制、裝配順序及焊后精加工等方面進(jìn)行詳細(xì)工藝控制方案。

圖3 殼體焊接結(jié)構(gòu)詳圖Fig.3 Detailed drawing of shell welding structure

具體加工方式采用將設(shè)備頂封頭組件、氣化室殼體與托磚盤組件組焊后整體加工頂部凸緣法蘭中心孔和密封面的型式。首先車封頭中心孔前應(yīng)以封頭與筒體對(duì)接端面為基準(zhǔn)，嚴(yán)格按照與筒體對(duì)接處外圓找正車中心孔，保證中心孔與封頭軸心同軸。同時(shí)頂部凸緣法蘭內(nèi)徑和密封面留機(jī)加量，氣化室殼體、托磚盤組件等各件加工成品，在各組件組焊合攏時(shí)，嚴(yán)格控制合攏縫間隙，按機(jī)加工的坡口鈍邊為基準(zhǔn)找正組對(duì)，焊接時(shí)對(duì)稱施焊，以保證在合攏過(guò)程中不造成大的變形；然后利用數(shù)控鏜床定位找正托磚盤底面，保證該面與鏜床工作臺(tái)垂直，與鏜軸軸線平行，即保證托磚盤面0°、90°、180°、270°四點(diǎn)縱向坐標(biāo)一致，找出托磚盤底孔圓心，鏜床數(shù)據(jù)清零作為設(shè)備軸線零點(diǎn)，移動(dòng)鏜床至頂部凸緣法蘭面，按托磚盤底面及底孔圓心為基準(zhǔn)確定頂部凸緣法蘭孔心及平面尺寸數(shù)據(jù)并記錄；最后調(diào)整設(shè)備軸線與鏜床鏜軸軸線平行，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定加工基準(zhǔn)，一次性裝卡完成加工頂部凸緣法蘭內(nèi)孔、密封面、螺栓孔。通過(guò)嚴(yán)格的工藝控制保證了頂部凸緣法蘭密封面與托磚盤底面平行，頂部凸緣法蘭、氣化室殼體、托磚盤同軸度滿足要求，保證噴嘴安裝后的公差要求，防止偏噴[4]。

3.3 熱處理

鉻鉬鋼容器在加工過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種熱處理，而熱處理會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響，試件是用來(lái)檢驗(yàn)主體材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的元件，為保證材料的力學(xué)性能，鉻鉬鋼制設(shè)備需要制作模擬焊后熱處理試件。其作用是模擬試件在制造過(guò)程中將要經(jīng)受的所有焊后熱處理時(shí)間，包括焊后熱處理、返修熱處理、現(xiàn)場(chǎng)檢修熱處理等，所以提出了最小模擬焊后熱處理和最大模擬焊后熱處理時(shí)間。最大模擬焊后熱處理包括焊后熱處理、返修后熱處理、現(xiàn)場(chǎng)檢修熱處理折算后累計(jì)的所有時(shí)間，最小模擬焊后熱處理僅包括焊后熱處理累計(jì)時(shí)間。模擬焊后熱處理時(shí)間的選擇與設(shè)備制造過(guò)程材料消應(yīng)力熱處理次數(shù)及材料的厚度有關(guān)，一般情況下最大模擬焊后熱處理時(shí)間是最小模擬焊后熱處理時(shí)間的3 倍。對(duì)于封頭用鋼板，由于封頭在熱加工成型過(guò)程中，其加熱溫度超過(guò)了鋼板材料的正火溫度，破壞了材料原有力學(xué)性能，因此必須進(jìn)行恢復(fù)材料力學(xué)性能的熱處理，所以封頭用鋼板的試件在模擬焊后熱處理前，應(yīng)先模擬封頭的熱成型和熱處理過(guò)程。鉻鉬鋼制壓力容器制造過(guò)程中還應(yīng)把握好“三熱”，即焊前預(yù)熱、后熱（焊后消氫熱處理）和最終焊后熱處理。焊前對(duì)坡口進(jìn)行預(yù)熱，溫度≥150 ℃，焊接過(guò)程中保持材料的層間溫度150 ～ 250 ℃；焊后進(jìn)行不小于2 h，溫度為325 ～ 375 ℃的消氫熱處理；設(shè)備制造完成后最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理[5]。焊后整體熱處理曲線見(jiàn)圖4。

圖4 熱處理曲線Fig.4 heat treatment curve

4 結(jié)論

氣化爐材料的選擇是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析討論鉻鉬鋼是較好的中溫抗氫腐蝕開(kāi)裂的鋼材，在高溫下防腐性能完全滿足設(shè)備的使用工況要求。制造過(guò)程中充分考慮制造工藝方法并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，制定合理的加工工藝滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，解決了超大設(shè)備的組裝公差要求，確保設(shè)備工藝性能和質(zhì)量。設(shè)備自投入運(yùn)行以來(lái)，安全可靠，工藝性能良好。