殼牌氣化爐激冷口盤管損壞原因分析及改進(jìn)

郎啟富

（云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338）

1 前言

殼牌煤氣化技術(shù)屬于氣流床氣化工藝。所謂氣流床氣化，就是在固體燃料氣化過程中，氣化劑（氧和蒸汽）和粉煤一起進(jìn)入氣化爐進(jìn)行疏相并流氣化。疏相并流氣化是指固體微粒隨氣流運(yùn)動時(shí)，煤粒被氣流隔開，每個(gè)顆粒都能單獨(dú)膨脹、軟化、燒盡（或形成熔渣）而與鄰近的顆粒不相干。由于反應(yīng)在高溫火焰中進(jìn)行，因此燃料顆粒及其釋放出來的氣態(tài)烴都將通過一個(gè)溫度極高的區(qū)域，并在此區(qū)域中迅速氣化和分解，使粒度很細(xì)的粉煤在塑性階段的凝聚無生從發(fā)。

殼牌煤氣化技術(shù)多采用殼牌粉煤氣化工藝。通過將粉煤和氧氣/蒸汽混合物并流噴入氣化爐，在高溫高壓的環(huán)境中瞬間迅速著火進(jìn)行反應(yīng)。最終形成以CO和H2為主要成分的煤氣離開氣化爐。到目前為止，已投產(chǎn)的殼牌煤氣化裝置在運(yùn)行過程中均出現(xiàn)激冷口盤管損壞泄漏而導(dǎo)致整個(gè)裝置停車的情況。為解決這一難題，我公司多次與殼牌公司、同行業(yè)溝通、交流并結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及我公司現(xiàn)場實(shí)際對激冷口盤管損壞原因進(jìn)行分析及如何避免、檢修優(yōu)化。

2 殼牌氣化爐結(jié)構(gòu)

氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

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3 殼牌氣化爐工藝流程

煤粉與輸送煤粉用的高壓氮?dú)饨?jīng)計(jì)量后輸送到氣化爐內(nèi)的煤燒嘴中心管，由煤燒嘴中心管噴入氣化爐內(nèi)；從空分來的高壓氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器預(yù)熱到180℃后進(jìn)入氧/蒸汽混合器。在氧/蒸汽混合器中，預(yù)熱后的氧氣與從界區(qū)外送來的過熱蒸汽按比例混合后從煤燒嘴環(huán)隙噴入氣化爐。在氣化爐內(nèi)，氧/蒸汽混合物與煤粉在壓力4.0MPa，溫度1400～1600℃的環(huán)境下發(fā)生部分氧化反應(yīng)。反應(yīng)生成的粗合成氣離開氣化爐頂部，在激冷段被來自循環(huán)氣壓縮機(jī)的激冷氣激冷到900℃，以便將粗合成氣攜帶的液態(tài)渣固化和冷卻成沒有黏性的飛灰顆粒。激冷后，粗合成氣通過輸氣管進(jìn)入合成氣冷卻器，經(jīng)回收熱量后，溫度降至340℃左右，進(jìn)入高溫高壓飛灰過濾器過濾；氣化產(chǎn)生的溶渣沿氣化爐膜式壁流入渣池。

氣化爐用點(diǎn)火燒嘴進(jìn)行點(diǎn)火，用液化氣作燃料，在氣化爐內(nèi)與按比例加入的儀表空氣燃燒，所產(chǎn)生的煙氣經(jīng)合成氣冷卻器、高溫高壓飛灰過濾器，再經(jīng)文丘里洗滌器、洗滌塔冷卻后用開工噴射器抽出排空。氣化爐用開工燒嘴進(jìn)行開車，用開工燒嘴柴油泵送來的柴油作燃料，在氣化爐內(nèi)與高壓氧氣燃燒，給氣化爐升溫。開工燒嘴投運(yùn)時(shí)，使用高壓工藝水冷卻開工燒嘴，出開工燒嘴的冷卻水返回工藝水緩沖槽。當(dāng)氣化爐溫度升高后，開啟煤燒嘴，4個(gè)煤燒嘴全部投運(yùn)后轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。初期不合格的煤氣經(jīng)火炬燃燒后放空。

4 激冷段部件簡介

激冷段部件如圖2所示。

圖2 激冷段部件

激冷段部件主要由外殼體1、激冷區(qū)2和激冷膜式壁管3三個(gè)部分組成。外殼體材質(zhì)為Cr-Mo耐熱鋼，內(nèi)襯耐火材料。

激冷區(qū)有兩個(gè)作用：第一個(gè)作用是將濕洗單元經(jīng)過冷卻過濾后的溫度約為200℃的合成氣與反應(yīng)段頂部流出的溫度約為1500℃的高溫合成氣混合（比例大約為1∶1），混合后的合成氣溫度驟降到900℃左右；第二個(gè)作用是該處配置192根高壓氮?dú)鈬姶倒軐⒌獨(dú)馑腿氪颂帲蓢姶倒苓M(jìn)行噴吹，便可減少或清除掉氣化段出口區(qū)域積聚的灰渣。激冷區(qū)域部件材質(zhì)為INCOLOY合金，可承受腐蝕與高溫。

5 激冷口盤管簡介

激冷口盤管如圖3所示。

激冷口盤管共由 2根 φ38×7.1，材質(zhì)為1.7335的管子繞成7圈而成。管子之間用1.7335材質(zhì)的圓鋼填充密封焊，管子2堆焊INCOLOY625耐磨層。由這7圈盤管組成的平臺（也稱激冷底部清潔區(qū)）上的積灰由192根高壓氮?dú)鈬姶倒苓M(jìn)行吹掃，便可減少或清除掉氣化段出口區(qū)域積聚的灰渣。

圖3 激冷口盤管

6 激冷口盤管損壞原因分析

6.1 熱疲勞裂紋

金屬零部件在環(huán)境溫度不恒定的、急劇反復(fù)變化的高溫條件下工作，當(dāng)膨脹和收縮受到約束時(shí)，在其內(nèi)部會產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。且熱應(yīng)力隨著溫度的反復(fù)變化而變化，從而使材料受到疲勞損傷而產(chǎn)生熱疲勞裂紋。如圖4。

6.2 磨蝕

1）第1,3,4,5,6,7圈環(huán)管材質(zhì)為1.7335，第2圈基層材質(zhì)為1.7335，表面堆焊INCOLOY625。1.7335屬于珠光體耐熱鋼，堆焊層INCOLOY625為鎳基材料。由于長時(shí)間在高溫、粉粒條件下工作，管子上表面嚴(yán)重磨損。

2）192根高速氮?dú)獯祾吖荛L時(shí)間對這7圈環(huán)管組成的平臺進(jìn)行吹掃導(dǎo)致環(huán)管上表面嚴(yán)重沖刷、磨損（如上圖中橢圓內(nèi)坑窩）。

圖4 熱疲勞裂紋示意圖

7 避免盤管損壞措施

1）避免管子溫度急冷急熱反復(fù)變化。如控制好停車降溫速度、水汽系統(tǒng)升溫速率及排水時(shí)的溫度。

2）嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書要求施焊。做到焊前預(yù)熱、焊后消氫并嚴(yán)格控制好溫度。

3）安裝192根高速氮?dú)獯祾吖軙r(shí)盡量使其管口上揚(yáng)，以減小對管子上表面的沖刷與磨損。

4）管子表面堆焊后的總厚度應(yīng)與原來的管子厚度接近，相差不宜過大，以避免較大的溫度梯度。

8 損壞盤管修補(bǔ)

更換部分對接焊縫采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面，補(bǔ)焊部分采用焊條電弧焊堆焊。用角向磨光機(jī)打磨待焊接表面及兩側(cè)，直至待堆焊坡口露出金屬光澤，具體工藝過程如下：

8.1 坡口表面清理

手工清除坡口表面粉塵等雜質(zhì)后，采用角向磨光機(jī)或內(nèi)磨圓打磨坡口表面的氧化皮及未清除干凈的粉塵等雜質(zhì)；坡口表面修磨平整、圓滑、不得存有尖角。坡口表面及周圍20mm范圍內(nèi)的銹蝕、油污等雜物必須清除干凈，打磨至露出金屬光澤。

焊接前坡口表面做100%PT檢測，確認(rèn)無裂紋及其他缺陷（如圖5）。

圖5 坡口表面清理

8.2 焊前預(yù)熱

現(xiàn)場預(yù)熱采用火焰加熱，對待焊表面及周圍100mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150℃，保持恒溫約10min后開始焊接。預(yù)熱時(shí)，坡口及邊緣需均勻加熱。

8.3 焊接方法和焊材選用

對接焊縫采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面（如圖6）；

圖6 焊接方法示意圖

氬弧焊絲選用 H13CrMoA/φ1.6，焊條選用R307/φ3.2。堆焊部分采用焊條電弧焊堆焊，焊材選用ENiCrMo-3/φ3.2。焊條電弧焊時(shí)采用小電流多層多道焊。R307焊條使用前必須經(jīng)過350℃烘干并保溫1hENiCrMo-3焊條使用前必須經(jīng)過150℃烘干并保溫1h，烘干的焊條應(yīng)放在100℃保溫箱內(nèi)，焊接時(shí)用保溫桶隨取隨用。

8.4 補(bǔ)焊工藝及技術(shù)要求

①對接焊縫組對坡口要求如圖7所示。

圖7 對接焊縫坡口

堆焊焊縫如圖8所示。

圖8 堆焊焊縫示意

②焊接工藝參數(shù)

鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 氬弧焊工藝參數(shù)

焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)見表2。

③焊接時(shí)要連續(xù)施焊，若中斷焊接，應(yīng)采取保溫措施；再次施焊時(shí)應(yīng)先預(yù)熱焊件。焊接過程中，層間溫度應(yīng)等于或高于預(yù)熱溫度，且不得低于150℃，若層間溫度低于預(yù)熱溫度，應(yīng)重新預(yù)熱。

表2 焊條電弧焊工藝參數(shù)

④焊接時(shí)，焊條不應(yīng)做過大的橫向擺動，擺動幅度不得超過焊條直徑的3倍。

⑤每層焊接后及時(shí)清除焊渣，補(bǔ)焊過程中若發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)消除后才能繼續(xù)焊接。

⑥選用有相應(yīng)資質(zhì)的技能熟練焊工進(jìn)行施焊。

⑦焊接完成后進(jìn)行消氫（后熱）處理，消氫溫度為300～350℃，恒溫0.5h。

對焊縫外觀檢查合格后，進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

8.5 修補(bǔ)前后對照

盤管修復(fù)前后對比見表3。

表3 損壞盤管修復(fù)前后對照表

9 結(jié)語

通過對激冷口盤管損壞的原因分析、如何避免盤管損壞及損壞盤管修復(fù)，延長了運(yùn)行周期，降低了檢修成本。作為一名工程技術(shù)人員我對裝置的優(yōu)化運(yùn)行和改進(jìn)，將永不停息。