單噴嘴水煤漿水冷壁氣化爐設(shè)計改造小結(jié)

裴 雙，趙哲軍，李志強

(陽泉煤業(yè)化工集團有限責任公司，山西 太原 030006)

0 引 言

陽泉煤業(yè)化工集團有限責任公司下屬山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司(簡稱泉稷公司)焦爐氣綜合利用生產(chǎn)尿素聯(lián)產(chǎn)LNG項目，產(chǎn)能為合成氨300 kt/a、尿素520 kt/a、LNG 63 kt/a；其中,氣化裝置配置有2臺氣化爐，采用水煤漿加壓氣化技術(shù)(晉華爐2.0技術(shù)，兩開無備)，單臺氣化爐設(shè)計投煤量750 t/d，氣化爐設(shè)計操作壓力4.8 MPa、設(shè)計操作溫度1 300 ℃，單爐設(shè)計最高有效氣(CO+H2)產(chǎn)量為50 000 m3/h，由于設(shè)計以部分焦爐氣作為原料氣，實際運行中單爐有效氣(CO+H2)產(chǎn)量約40 000 m3/h。自2015年12月氣化裝置投料以來，氣化裝置的核心設(shè)備——單噴嘴水煤漿水冷壁氣化爐出現(xiàn)了上/下盤管定期泄漏、封頭螺栓拆卸難度大及頂蓋法蘭突發(fā)泄漏等一系列問題，后通過獨特的設(shè)計改造，徹底解決了長期以來困擾氣化爐長周期穩(wěn)定運行的最大難題，大大提升了氣化爐的連運周期，且在一定程度上增加了合成氨的產(chǎn)量。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 氣化爐運行中存在的問題

1.1 氣化爐上盤管頻繁泄漏

氣化爐上盤管主要功能是控制氣化爐燒嘴周圍的溫度，盤管材質(zhì)為12Cr1MoVG，管內(nèi)介質(zhì)為高溫高壓飽和水，日常操作中控制盤管內(nèi)壓力在4.0～4.2 MPa、溫度在240～245 ℃；盤管外壁直接接觸高溫高壓燃燒室，燃燒室的介質(zhì)為高溫高壓粗煤氣，粗煤氣的主要組分約為H237%、CO 43%、CO219%以及微量的H2S和CH4等，燃燒室的操作壓力控制在3.5～3.8 MPa、操作溫度控制在1 250～1 300 ℃；盤管外壁與燒嘴中間全部填充澆注料。

實際運行中發(fā)現(xiàn)，氣化爐上盤管幾乎每半年就會定期發(fā)生1次泄漏，飽和水外泄閃蒸產(chǎn)生的高壓蒸汽會沖刷、腐蝕周圍的澆注料，盤管內(nèi)壓力無法保持，須停車進行檢修更換，而上盤管更換和恢復(fù)的安裝步驟復(fù)雜，包括拆除頂蓋螺絲、更換上盤管、定位上盤管、澆筑料補充修復(fù)、修理密封面、上盤管組件安裝、水冷壁系統(tǒng)打壓、緊固頂蓋螺絲、氣密性試驗、烘爐等步驟，每次一個完整的上盤管檢修恢復(fù)耗時約5 d，且需技術(shù)、維修人員及設(shè)備制造廠家各專業(yè)之間的相互銜接與配合，人力、物力、財力及時間成本消耗大，經(jīng)濟損失巨大。

1.2 氣化爐下盤管頻繁泄漏

氣化爐下盤管與上盤管同屬于水冷壁系統(tǒng)的兩個組件，其設(shè)計材質(zhì)、工藝操作參數(shù)與上盤管相同，不同于上盤管之處主要體現(xiàn)在設(shè)計功能和環(huán)境工況方面，下盤管作為高溫粗煤氣從燃燒室進入激冷室的最后一道關(guān)卡，其主要功能是控制高溫粗煤氣的穩(wěn)定導(dǎo)流、防止高溫粗煤氣竄入環(huán)腔，為滿足上述要求，下盤管上端與燃燒室底部相連、下端伸入下降管內(nèi)，而下降管內(nèi)表面有一層激冷水膜，這樣下盤管的最底端外圍被濕蒸汽所包裹，該部位同時受到高溫濕蒸汽的腐蝕、H2S的露點腐蝕以及高速氣流的沖刷磨損，使用壽命大幅下降，幾乎每年會定期發(fā)生1次泄漏，泄漏后盤管內(nèi)的飽和水外泄，盤管內(nèi)壓力無法保持，須停車檢修更換，檢修恢復(fù)過程與上盤管相同，整個安裝步驟復(fù)雜，包括拆除破渣機與氣化爐連接螺栓、更換下盤管、定位下盤管、水冷壁系統(tǒng)打壓、澆筑料補充修復(fù)、恢復(fù)破渣機與氣化爐連接螺栓、氣密性試驗、烘爐等步驟，每次一個完整的檢修恢復(fù)耗時約4 d，人力、物力、財力及時間成本消耗大，經(jīng)濟損失巨大。

1.3 氣化爐封頭螺栓拆卸難度大且耗時長

氣化爐封頭螺栓設(shè)計共有68條，螺栓規(guī)格為M70×990 mm，螺栓材質(zhì)為35CrMoA，該螺栓用來連接封頭和筒體之間的密封面，承受開車時升溫/升壓及帶負荷運行過程中的附加熱應(yīng)力，為保證貼合面的密封性能，采用“冷緊+熱緊”來保證緊固螺栓達到要求的擰緊程度，每次氣化爐停車后,由于螺栓冷卻收縮應(yīng)力增加，導(dǎo)致拆卸螺栓難度很大。自2015年12月氣化裝置投料以來，氣化爐曾有2次因更換主水冷壁組件需要拆卸封頭連接螺栓，拆卸過程中發(fā)現(xiàn)螺栓非常難以松動，即便使用專用工具(液壓扳手)拆卸，效果也不佳，每次拆卸都需要經(jīng)過煤油浸滲、振擊螺母、油壓調(diào)節(jié)等過程，嚴重時甚至不得不采取破壞拆卸，整個拆卸過程耗時至少3 d，嚴重影響檢修進度。

1.4 氣化爐開車時頂蓋法蘭突發(fā)泄漏

氣化爐頂蓋螺栓設(shè)計共有20條，螺栓規(guī)格為M64×520 mm，材質(zhì)為35CrMoA，該螺栓用來連接氣化爐頂蓋與氣化爐燃燒室之間的密封面；密封墊片采用八角環(huán)密封墊，屬于線性硬密封，材質(zhì)為316L。與氣化爐封頭螺栓相同，氣化爐頂蓋螺栓同樣也承受開車時升溫/升壓及帶負荷運行過程中的附加熱應(yīng)力，為保證貼合面的密封性能，同樣采用“冷緊+熱緊”來保證緊固螺栓達到要求的擰緊程度。自2015年12月氣化裝置投料以來，共出現(xiàn)過2次氣化爐開車時頂蓋法蘭突發(fā)泄漏的情況，一旦出現(xiàn)泄漏，由于八角墊片線性硬密封被破壞，熱緊很難起到明顯效果，只能停車重新更換新墊片才能達到密封效果，而更換墊片需經(jīng)過拆除頂蓋以上部位所有管道、拆卸頂蓋螺栓、吊裝頂蓋、更換墊片、擰緊螺栓、恢復(fù)頂蓋以上所有管道、打壓試漏、重新開車等步驟，整個過程耗時至少2 d，嚴重影響開車進度。

2 氣化爐設(shè)計改造及效果

2.1 氣化爐上盤管設(shè)計改造

2.1.1改造內(nèi)容

為解決氣化爐上盤管頻繁泄漏、使用周期短的問題，泉稷公司立足于實踐，認真鉆研、獨辟蹊徑、大膽創(chuàng)新，綜合分析燒嘴及上盤管設(shè)計作用及原理，經(jīng)北京清創(chuàng)晉華科技有限公司及陽煤化機廠相關(guān)專家論證后，提出了“將上盤管進/回水口封堵，將爐內(nèi)盤管作為骨架敷設(shè)耐火澆注料包圍在燒嘴外圍，燒嘴本體靠自身夾套鍋爐水循環(huán)冷卻”的設(shè)計改造構(gòu)思，并對原上盤管組件進行了相關(guān)技術(shù)改造，即將原設(shè)計的上盤管進/回水管道配對法蘭與兩片法蘭蓋連接，剩余的上盤管進/回水管道徹底去除。技術(shù)改造的主體結(jié)構(gòu)全稱為“上盤管(上水冷壁)組件”，由氣化爐頂蓋、上盤管(上水冷壁)、角鋼、燒嘴及澆注料五部分組成，“上盤管(上水冷壁)組件”各部件的結(jié)構(gòu)與功能具體如下。

氣化爐頂蓋是位于氣化爐最頂端的部件，其材質(zhì)為15CrMoA，通過20條緊固螺栓與氣化爐燃燒室連接在一起，頂蓋中心設(shè)有燒嘴法蘭孔，頂蓋兩側(cè)設(shè)有燒嘴進/回水管道孔(含開孔補強部件)。

上盤管的主要功能是控制氣化爐燒嘴周圍的溫度，結(jié)構(gòu)形式為上寬下窄的錐形鋼件，盤管材質(zhì)為12Cr1MoVG合金鋼，分別通過上盤管的進/回水管道與氣化爐頂蓋焊接在一起，在上盤管的內(nèi)側(cè)每層環(huán)圈間隔2～5 cm焊接長度為3 cm的鉚釘。

角鋼的主要功能類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，角鋼的一端垂直焊接在氣化爐頂蓋下部，與上盤管相同，為避免澆注料在使用過程中發(fā)生脫落，分別在角鋼兩直角邊的內(nèi)、外側(cè)間隔3～5 cm焊接長度為3～5 cm的直角耙釘。

最中心的部件為組合式燒嘴，它是水煤漿的主要燃燒部件，水煤漿與純氧分別從內(nèi)部的不同通道流入最后匯集在燒嘴頭部一起參與燃燒。組合式燒嘴安裝時從氣化爐頂蓋的燒嘴口裝入，通過20條緊固螺栓將燒嘴自帶的法蘭盤與氣化爐頂蓋連接在一起。在結(jié)構(gòu)上，燒嘴共設(shè)有4個通道，從內(nèi)到外分別是中心氧通道(點火烘爐用)、焦爐氣通道(點火烘爐用)、水煤漿通道(主物料通道)及外環(huán)氧通道(主物料通道)，入爐部分設(shè)計有冷卻水通道，采用鍋爐水循環(huán)泵強制循環(huán)冷卻方式。

上述各部件組裝完畢后，在上盤管內(nèi)側(cè)、燒嘴外側(cè)及角鋼周圍就形成了錐形的空腔骨架結(jié)構(gòu)，為防止高溫粗煤氣在空腔處燒壞燒嘴，原設(shè)計方綜合考慮了燒嘴向火面材料的傳熱系數(shù)、高溫介質(zhì)的溫度及冷卻水流量問題，同時為了更好地控制氣化爐拱頂溫度不超標，在空腔結(jié)構(gòu)處全部填充了澆注料(耐火材料)，澆注料是借助上盤管內(nèi)側(cè)的鉚釘與角鋼兩邊內(nèi)層的耙釘緊密粘連來固定的，這種設(shè)計在結(jié)構(gòu)上能夠保證構(gòu)件的整體塑性和剛性。

2.1.2改造效果

2018年年初泉稷公司實施了氣化爐上盤管設(shè)計改造，上盤管設(shè)計改造前后氣化爐各主要部位的溫度對比見表1。可以看出，改造后氣化爐拱頂溫度較改造前平均上升3～5 ℃，法蘭蓋溫度在130 ℃左右，對設(shè)備的本質(zhì)安全沒有任何影響。改造至今氣化爐已平穩(wěn)運行4 a有余，每次檢修均未發(fā)現(xiàn)任何異常問題。

表1 上盤管改造前后氣化爐各主要部位溫度的對比 ℃

改造前每臺氣化爐上盤管半年泄漏1次，每次檢修一般耗時5 d，每臺氣化爐每年共需10 d的檢修時間，按2臺氣化爐有效氣產(chǎn)量為80 000 m3/h、噸合成氨有效氣耗量2 050 m3、合成氨平均售價2 500元/t(稅后)、合成氨生產(chǎn)成本1 950元/t計算，氣化爐上盤管設(shè)計改造后年直接經(jīng)濟效益為80000×24×10÷2050×(2500-1950)÷10000=515萬元；改造前每臺氣化爐半年泄漏1次，2臺氣化爐每年各需進行2次檢修，每次氣化爐上盤管檢修備件費用5萬元/件、澆注料費用2萬元、安裝人工費3萬元，全年氣化爐上盤管檢修費用為(5+2+3)×4=40萬元，改造后避免了氣化爐上盤管的頻繁檢修，每年節(jié)省檢修費用40萬元。以上兩項合計，氣化爐上盤管設(shè)計改造后每年帶來的經(jīng)濟效益為515+40=555萬元。

2.2 氣化爐下盤管設(shè)計改造

2.2.1改造內(nèi)容

為解決氣化爐下盤管頻繁泄漏、使用周期短的問題，泉稷公司聯(lián)合北京清創(chuàng)晉華科技有限公司提出了將氣化爐下盤管“下錐型改為直筒型”的設(shè)計思路，主要包括如下三方面的改造內(nèi)容：① 材質(zhì)改變——將氣化爐下盤管材質(zhì)由原來的12Cr1MoVG改造為耐沖刷耐腐蝕的Incoloy825； ② 結(jié)構(gòu)改變——在下盤管上端最外圈焊接一圈防撞護板，以免投料時因上端盤管溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹位移而發(fā)生泄漏；③ 形狀改變——從工藝角度出發(fā)，將氣化爐下盤管的結(jié)構(gòu)由原來的錐型改造為直筒型。

2.2.2改造效果

2020年3月泉稷公司實施了氣化爐下盤管設(shè)計改造，下盤管設(shè)計改造前后氣化爐所產(chǎn)粗煤氣中有效氣(CO+H2)含量的對比見表2?？梢钥吹?，下盤管設(shè)計改造前氣化爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣(CO+H2)含量平均值為79.17%，改造后，由于下盤管直筒型設(shè)計增加了渣口壓差，使得煤漿在氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)時間延長，灰渣中的殘?zhí)扛?，氣化爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣(CO+H2)含量平均值提高至79.67%，即粗煤氣中的有效氣(CO+H2)含量提高了0.5個百分點。另外，實踐表明，氣化爐下盤管設(shè)計改造后，下盤管的使用環(huán)境得到改善，高溫粗煤氣和灰渣對下盤管的沖刷減輕，下盤管的使用壽命能延長至3～5 a。

表2 下盤管改造前后粗煤氣中有效氣含量的對比 %

改造前每臺氣化爐下盤管每年泄漏1次，2臺氣化爐每年檢修2次，檢修1次影響產(chǎn)品產(chǎn)量按4 d計算，按2臺氣化爐有效氣產(chǎn)量為80 000 m3/h、噸合成氨有效氣耗量2 050 m3、合成氨平均售價2 500元/t(稅后)、合成氨生產(chǎn)成本1 950元/t計算，氣化爐下盤管設(shè)計改造后避免檢修減產(chǎn)帶來的年直接經(jīng)濟效益為80000×24×4÷2050×(2500-1950)÷10000=206萬元；氣化爐下盤管改造后，氣化爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣(CO+H2)含量提高0.5個百分點，按2臺氣化爐的有效氣產(chǎn)量為80 000 m3/h、年運行運行時間7 200 h、噸合成氨有效氣耗量2 050 m3、合成氨平均售價2 500元/t(稅后)、合成氨生產(chǎn)成本1 950元/t計算，增產(chǎn)合成氨帶來的年直接經(jīng)濟效益為80000×0.5%÷2050×7200×(2500-1950)÷10000=77.27萬元；改造前每臺氣化爐下盤管每年泄漏1次，下盤管采購費用30萬元/套，2臺氣化爐每年各需進行1次檢修，每年下盤管的采購費用60萬元，改造后每年可節(jié)省檢修費用60萬元。以上三項合計，氣化爐下盤管設(shè)計改造后每年帶來的經(jīng)濟效益為206+77.27+60=343.27萬元。

2.3 氣化爐封頭螺栓設(shè)計改造

2.3.1改造內(nèi)容

為解決氣化爐封頭螺栓拆卸難度大、耗時長的問題，泉稷公司在氣化爐封頭原有68條螺栓M70螺母根部新增136個螺栓墊片，墊片規(guī)格為70 mm×80 mm×8 mm、墊片材質(zhì)為45#鋼，每次拆卸時僅需將螺母墊片破壞拆除，螺栓即可松動，大大節(jié)省了氣化爐封頭的拆卸時間，確保了檢修進度。

2.3.2改造效果

泉稷公司氣化爐更換主水冷壁后再未發(fā)生過水冷壁泄漏，未再進行過氣化爐封頭螺栓拆卸，氣化爐封頭螺栓設(shè)計改造的經(jīng)濟效益據(jù)經(jīng)驗進行如下估算：氣化爐主水冷壁使用壽命按10 a計算，共有2臺氣化爐，10 a內(nèi)共檢修2次，每次檢修氣化爐螺栓拆卸時間為3 d，改造后每臺氣化爐螺栓拆卸時間縮減為0.5 d，節(jié)約2.5 d的時間，即2臺氣化爐10 a內(nèi)共節(jié)約5 d的檢修時間，按2臺氣化爐有效氣產(chǎn)量為80 000 m3/h、噸合成氨有效氣耗量2 050 m3、合成氨平均售價2 500元/t(稅后)、合成氨生產(chǎn)成本1 950元/t計算，縮短檢修時間帶來的年直接經(jīng)濟效益為80000×24×5÷2050×(2500-1950)÷10000÷10=25.76萬元。

2.4 氣化爐頂蓋法蘭設(shè)計改造

2.4.1改造內(nèi)容

為徹底解決氣化爐開車時頂蓋法蘭無征兆突發(fā)泄漏、檢修耗時長的問題，泉稷公司對氣化爐頂蓋法蘭進行設(shè)計改造——緊固螺栓采用“焊接法蘭密封空間及螺母管蓋”的等效替代方法。具體為，先將法蘭密封空間進行焊接，再在原來的20條M64螺母上套扣20個管蓋，然后把所有管蓋與頂蓋的接觸面進行焊接；臨時管蓋采用管道制作，管道的一端用鋼板封堵，另一端直接將螺母包裹，管道規(guī)格133 mm×8 mm×17 mm，材質(zhì)為15CrMoG，整個制作過程僅需0.5 d。改造后，徹底解決了氣化爐開車時頂蓋法蘭突發(fā)泄漏的問題。

2.4.2改造效果

氣化爐頂蓋法蘭設(shè)計改造前，泉稷公司的氣化裝置已運行7 a，共發(fā)生過2次開車時氣化爐頂蓋法蘭密封面突發(fā)泄漏的情況，每次泄漏至少需要2 d的處理時間，2臺氣化爐共需4 d的處理時間，改造后處理1臺氣化爐頂蓋法蘭密封面泄漏僅需0.5 d的時間，2臺氣化爐共節(jié)約3 d的檢修時間，按2臺氣化爐有效氣產(chǎn)量為80 000 m3/h、噸合成氨有效氣耗量2 050 m3、合成氨平均售價2 500元/t(稅后)、合成氨生產(chǎn)成本1 950元/t計算，縮短檢修時間帶來的年直接經(jīng)濟效益為80000×24×3÷2050×(2500-1950)÷10000÷7=22.08萬元。

3 結(jié)束語

泉稷公司針對其單噴嘴水煤漿水冷壁氣化裝置的核心設(shè)備——氣化爐投運以來出現(xiàn)的上/下盤管定期泄漏、封頭螺栓拆卸難度大及頂蓋法蘭突發(fā)泄漏等一系列問題，通過對氣化爐的上/下盤管、封頭螺栓、頂蓋法蘭等部件實施獨特的設(shè)計改造，徹底解決了氣化爐上/下盤管頻繁泄漏、使用周期短以及常規(guī)檢修工序多、耗時長等難題，不僅延長了氣化爐的穩(wěn)定運行周期，而且在一定程度上增加了合成氨的產(chǎn)量，上述設(shè)計改造對水煤漿水冷壁氣化技術(shù)的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，對水煤漿水冷壁氣化技術(shù)的發(fā)展與進步具有積極的推動作用。