氣流床氣化爐激冷環(huán)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要求

張亞寧，白云波，杜常宗

（寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

煤氣化技術(shù)升級和新技術(shù)開發(fā)一直是煤炭高效清潔利用領(lǐng)域研究的熱點[1]。氣流床氣化技術(shù)具有煤種適應性廣、碳轉(zhuǎn)化率高且易于大型化等優(yōu)勢，已成為當今煤氣化技術(shù)發(fā)展和煤炭清潔高效應用的重要方向。

對于下行激冷流程氣化爐，激冷環(huán)是其核心部件[2]。氣化爐激冷室直接與氣化產(chǎn)物接觸，其中的激冷環(huán)長期處于壓力4.0 MPa～7.6 MPa、溫度1 300 ℃～1 450 ℃及酸性腐蝕、高溫相變、熔融液態(tài)渣和固體顆粒物沖刷等惡劣環(huán)境中。因此氣化爐激冷環(huán)的結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸參數(shù)確定、材料選擇及加工制作一直是工程應用的一個難題，也是工程設(shè)計的難點。

本文對氣流床氣化爐激冷環(huán)的作用、主要失效模式進行了歸納，基于激冷環(huán)的極端操作工況和工藝操作要求，從結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸參數(shù)確定、材料要求及加工裝配技術(shù)等方面進行了初步分析，以便為同類型氣化爐激冷環(huán)設(shè)計和工程應用提供參考。

1 激冷環(huán)的作用

激冷環(huán)設(shè)置在燃燒室渣口和激冷室之間，兼顧高溫粗合成氣和熔融灰渣流通。科學合理的激冷環(huán)結(jié)構(gòu)有利于激冷水在下降筒內(nèi)壁形成厚度均勻的水膜，保護激冷環(huán)和下降管免受高溫沖擊；可對高溫粗合成氣、熔渣進行快速激冷，確保下降筒安全長周期運行；同時兼具對流通介質(zhì)潤濕增濕的作用。從安全方面考慮，激冷環(huán)還可以保護激冷室各構(gòu)件不超溫，確保其在安全溫度下工作。

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[3]。在離開燃燒室渣口下行約1.5 m 范圍內(nèi)，合成氣溫度梯度最大，合成氣與激冷水膜之間熱交換負荷最激烈，激冷環(huán)在該區(qū)域所承受的熱應力也最大，激冷水蒸發(fā)量最多，因此需特別關(guān)注激冷環(huán)下降筒內(nèi)壁水膜厚度的均勻性及水膜流動的連續(xù)性。

2 激冷環(huán)主要失效模式

激冷環(huán)失效模式主要有工藝介質(zhì)堵塞引起的失效、磨蝕失效及剛性變形失效。

激冷環(huán)內(nèi)部固體顆粒物和垢層脫落堵塞[4-5]會引起激冷環(huán)出口環(huán)隙局部斷流、局部無水膜，導致激冷環(huán)直接與高溫合成氣及熔渣接觸，造成激冷環(huán)及下降筒出現(xiàn)局部鼓包、凹陷、燒損，引起激冷環(huán)失效。

激冷環(huán)磨蝕穿孔后，內(nèi)部的冷卻水順穿孔處噴射而出，導致下降管處冷卻水量不足；噴射而出的激冷水中夾雜的固體顆粒物形成磨損極強的水刀效應，引起激冷環(huán)沖刷破壞。激冷環(huán)中的熔渣噴流也會磨損激冷環(huán)，激冷環(huán)內(nèi)水膜分布瓣管受熔渣沖刷會逐漸減薄、直至磨穿，導致激冷環(huán)水膜分布失效，直接后果是下降筒過燒變形和熔穿，進而使高溫合成氣走短路直接沖擊承壓激冷室外殼，嚴重時會導致裝置停車。

激冷環(huán)結(jié)構(gòu)剛性過熱變形會引起激冷水出口環(huán)隙變形，導致激冷水膜厚度不均勻，下降筒受熱梯度偏差過大。長時間操作會引起下降筒鼓包變形，進而破壞下降筒內(nèi)合成氣氣流穩(wěn)定性。

3 激冷環(huán)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

3.1激冷環(huán)結(jié)構(gòu)分析

激冷環(huán)結(jié)構(gòu)一般包括激冷水進水管、激冷環(huán)腔體、高壓清洗孔、激冷環(huán)內(nèi)外瓣管、激冷水環(huán)形出口以及下降筒等,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。激冷水通過激冷水進水管充滿激冷環(huán)水腔，經(jīng)高壓清洗孔對應小孔噴射進入激冷環(huán)內(nèi)外瓣管的弧形間隙空間，而后激冷水經(jīng)激冷水出口至下降筒內(nèi)側(cè)，形成貼壁、穩(wěn)定、厚度均勻的水膜。

圖1 激冷環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

激冷水進水管位于氣化爐激冷室下降筒與激冷室外殼之間的環(huán)隙，該環(huán)隙是粗合成氣的折返流通通道。為了確保激冷環(huán)水腔內(nèi)的水有效流動，激冷水進水管數(shù)量越多激冷水充滿腔體越均勻。但是，較多的激冷水進水管線會增加灰渣堆積概率，成為激冷室結(jié)灰的源頭。

高壓清洗孔與內(nèi)側(cè)流通孔一一對應，較小的清洗孔可以強化沖洗作用，但較大的流通孔可降低激冷水噴射流速，進而減小固液介質(zhì)對內(nèi)瓣管的沖刷。

激冷環(huán)內(nèi)外瓣管環(huán)隙是激冷水流經(jīng)通道，瓣管會受固液兩相沖刷。整體加厚瓣管一定程度上可以延長耐磨蝕周期，但也會增加加工制造難度，還會導致激冷水無法及時冷卻外瓣管，致其燒損失效。

激冷水出口間隙尺寸控制：在激冷水量不變的前提下，增加出口間隙，可以得到較厚的水膜，較大流通間隙，垢片不會輕易堵塞激冷環(huán)，但增大間隙會降低水膜流速，甚至直接形成重力流，使水膜不易布滿下降筒內(nèi)壁，下降筒燒損風險較大；出口間隙減小可提高水膜流速，有利于水膜布滿下降筒內(nèi)壁，但易引發(fā)水垢堵塞，激冷環(huán)流通阻力增大，下降管局部缺水，燒損風險也會增加。

3.2激冷環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 激冷環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計時務必確定一定數(shù)量的激冷環(huán)進水管。工程實際應用表明[6]，在運行氣化爐激冷環(huán)進水管以4 組和8 組居多，在進水滿足工藝操作基礎(chǔ)上，盡量選用4 組進水管線；其次將直沖進水管改為微繞流進水管結(jié)構(gòu)，可以強化激冷環(huán)腔內(nèi)水的流動，減輕激冷水沖刷效應[7]，并為進入瓣管的水流提供切向動量。

3.2.2 高壓清洗孔與內(nèi)側(cè)流通孔徑要大于進入氣化爐激冷室時過濾器的過濾直徑（通常為6 mm），以確保垢片及顆粒物順利通過內(nèi)側(cè)流通孔。確定適當流速，可有效減緩內(nèi)瓣管沖刷腐蝕，內(nèi)側(cè)流通孔采用與進水管同切向流通角，可進一步提高激冷環(huán)水流切向速率。

3.2.3 激冷環(huán)內(nèi)外瓣管環(huán)隙設(shè)計時，可考慮兩瓣管偏心設(shè)置，使激冷水形成環(huán)向擠壓流，進一步提高出激冷環(huán)水膜流速，強化切向流動量傳遞，確保下降管水膜達到無死角分布要求。

3.2.4 激冷水出口間隙寬度要求大于6 mm，以防止激冷環(huán)內(nèi)部顆粒物堵塞。為保證出口間隙均勻，須在出口處間次設(shè)置固定支撐塊。

3.2.5 為防止激冷環(huán)管線振動影響進水管法蘭密封性，推薦選用高一等級法蘭或者將法蘭采用雙螺母連接緊固。

3.2.6 氣化爐用激冷水屬于液固兩相流，沖刷磨損是激冷不可避免的失效形式，因此強化激冷環(huán)耐磨功能是延長激冷環(huán)使用壽命的首選方案：（1）對于噴射沖刷較強區(qū)域，可考慮對構(gòu)件進行局部優(yōu)化，如對外瓣管正對高壓清洗孔的部位進行局部加厚設(shè)計[8]；（2）適當降低激冷水流速，減弱對激冷環(huán)流通孔的沖刷效應；（3）激冷環(huán)盡可能設(shè)置在熔渣沖刷較弱的區(qū)域；（4）優(yōu)化激冷環(huán)選材和制造工藝，有效提高其耐磨特性；（5）激冷環(huán)腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應盡可能規(guī)避結(jié)構(gòu)突變和流動死區(qū)。

4 激冷環(huán)的選材要求

基于激冷環(huán)苛刻的操作工況，結(jié)合其主要失效模式和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，從以下幾方面提出選材要求。

4.1激冷環(huán)構(gòu)件直接與高溫粗合成氣介質(zhì)接觸，因此須選用耐酸性氣腐蝕的奧氏體不銹鋼[9]及耐高溫抗氧化的特種材料。

4.2一般情況下根據(jù)沖刷、磨損及抗高溫工況，與熔渣介質(zhì)等直接接觸面選用UNS N08825 材料，內(nèi)外瓣管構(gòu)件選用整體鎳基鍛件加工制作，其余構(gòu)件可選S31603 材料，激冷環(huán)進水管繞彎部位采用厚壁彎頭管件。UNS N08825 材料的化學成分應符合表1 的相關(guān)規(guī)定。

表1 UNS N08825 材料的化學成分 %

考慮耐晶間腐蝕和耐應力腐蝕要求，基于工程應用經(jīng)驗提出ω（Ti）/ω（C）≥15。N08825 板材應在敏化熱處理后進行抗晶間腐蝕試驗，試件的溫度和敏化時間依據(jù)制造過程的受熱情況而定，抗晶間腐蝕試驗為Streicher 試驗，按《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標準試驗方法》ASTM G28—2002（R2008）方法A 進行，經(jīng)過120 h 試驗周期，要求腐蝕速率≤0.08 mm/月。

激冷環(huán)所用S31603 板材應符合《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》GB/T 24511—2017 的要求，S31603 材料在敏化熱處理后按《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》GB/T 4334—2020 中E 法進行晶間腐蝕試驗，試件敏化熱處理溫度為650 ℃，保溫2 h。

4.3激冷環(huán)外瓣管內(nèi)側(cè)受沖刷腐蝕是制約激冷環(huán)長周期運行的主要因素，該構(gòu)件內(nèi)側(cè)建議采用堆焊硬質(zhì)合金內(nèi)襯或噴涂防磨材料。

5 激冷環(huán)加工及裝配技術(shù)要求

激冷環(huán)整體部件為組焊結(jié)構(gòu)形式，奧氏體不銹鋼焊接變形傾向嚴重，因此在部件加工制作過程中需加強控制。

5.1激冷環(huán)構(gòu)件盡量選用機加工部件，減小焊接作業(yè)量，進而減小焊接變形。

5.2激冷環(huán)部件與氣化爐渣口采用螺栓連接，為確保螺栓連接面平整，要求整體激冷環(huán)組焊完成后，再對頂部連接法蘭平面進行精加工。

5.3為確保激冷環(huán)水膜貼壁流、水膜均勻以及對接接頭連續(xù)，激冷環(huán)底部與下降筒焊接后，要求將內(nèi)外焊接接頭加工至與母材齊平。

5.4內(nèi)側(cè)瓣管采用整體鍛件加工成型，然后按要求對內(nèi)側(cè)進行硬質(zhì)合金噴涂，再與激冷環(huán)本體組對。

5.5激冷環(huán)與下降筒體組焊為整體部件后，再與氣化爐組裝，裝配時必須兼顧燃燒室、渣口與激冷環(huán)組件的同軸度要求以及激冷環(huán)組件與氣化爐底部出渣口法蘭同軸度要求。

5.6根據(jù)實際工程應用經(jīng)驗，為防止熔渣堵塞激冷環(huán)出口環(huán)隙，激冷環(huán)與渣口裝配時渣口底部盤管不得將激冷環(huán)外瓣管完全包覆，且預留約三分之一瓣管。

6 結(jié) 語

本文基于激冷環(huán)功能及其苛刻的運行操作工況，總結(jié)了激冷環(huán)失效模式，發(fā)現(xiàn)激冷環(huán)磨蝕失效是制約激冷環(huán)長周期、安全運行的主要影響因素。結(jié)合激冷環(huán)設(shè)計改造經(jīng)驗和實際工程應用情況，發(fā)現(xiàn)強化激冷環(huán)局部結(jié)構(gòu)耐磨特性，同時適當降低激冷水沖擊流速是延長激冷環(huán)運行壽命的有效措施；在材料耐腐蝕方面，建議激冷環(huán)UNS N08825 材料其化學成分中ω（Ti）/ω（C）≥15。