水煤漿氣化爐常見問題及對策

張 路，王俊杰

(兗礦化工有限公司, 山東鄒城 273500)

水煤漿氣化工藝是美國德士古石油公司在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，于20世紀80年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，成為具有代表性的第二代煤氣化技術(shù)[1]。該技術(shù)是將煤炭與一定量的添加劑在研磨機中水磨，獲得類似油漿的懸浮液體，然后與氧氣在加壓和高溫的氣化爐內(nèi)進行燃燒反應(yīng)制得合成氣[2]。水煤漿氣化技術(shù)的特點包括煤種適應(yīng)性廣；氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，濕法加料，液態(tài)排渣；工藝簡化，操作靈活，調(diào)荷方便，生產(chǎn)連續(xù)性較強；控制系統(tǒng)先進可靠；生產(chǎn)能力強，適合大型化和經(jīng)濟規(guī)模的需要。

兗礦國宏化工有限公司是以高硫煤為原料生產(chǎn)醇烴酯類綠色產(chǎn)品的大型煤化工企業(yè)，采用德士古水煤漿氣化、低溫甲醇洗煤氣凈化、中壓合成甲醇和三級克勞斯硫回收等先進技術(shù)工藝。每年可消耗高硫煤70萬t，年產(chǎn)甲醇50萬t。運行初期,水煤漿氣化裝置暴露出諸多問題，嚴重影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定長周期生產(chǎn)。

1 黑水管線磨損

黑水管線磨損是水煤漿氣化最常見問題，特別是鎖斗沖洗水泵出口管線彎頭及入爐三通附近管道的沖刷腐蝕尤為突出。在氣化爐運行初期，出現(xiàn)鎖斗泵出口管線漏點停車事故10余次，漏點位置集中在管道彎頭、三通及其附近，在線處理漏點難度大。每次出現(xiàn)氣化爐都要停車，對漏點補焊或更換管段，給安全生產(chǎn)、效益運行帶來較大隱患。公司利用氣化爐系統(tǒng)檢修的機會，將該管線彎頭、三通及其附近管道全部更換，但運行一段時間(不到0.5 a)后，這些位置再次磨漏、穿孔。

經(jīng)過對割下的彎頭、三通及其前后部分管線仔細觀察，發(fā)現(xiàn)磨損嚴重的部位全都位于彎頭、三通及其后約20 cm直管段位置，磨損部位的管道內(nèi)壁凹凸不平，出現(xiàn)大大小小的沖擊坑。

分析認為，煤漿中細小夾矸(主要成分為SiO2，硬度高)的微切削、犁溝和刺入方式引起管道沖刷、侵蝕是造成管道破壞的主要原因，尤其在湍流場合，即彎頭、三通附近，磨損和沖刷現(xiàn)象更為突出。當流體流經(jīng)管道轉(zhuǎn)彎處，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，彎頭處流線呈曲線運行，在離心力的作用下，彎曲管道內(nèi)外側(cè)的流體流速發(fā)生變化，使黑水向外側(cè)集中，導(dǎo)致彎頭出口外側(cè)流速大、內(nèi)側(cè)流速小。最終，沖刷腐蝕在彎頭、三通出口外側(cè)非常嚴重，這就是鎖斗循環(huán)管線彎頭、三通頻繁出現(xiàn)穿孔的原因。而黑水中SO2、H2等物質(zhì)的化學(xué)作用又加速了管道內(nèi)壁的侵蝕。

經(jīng)過分析，認為應(yīng)從材料、結(jié)構(gòu)、工藝和設(shè)備管理等多方面制定解決措施。

(1)升級“肘”部(管道彎頭、三通附近的比喻性稱謂)材料，提高彎頭、三通及其后直管段材料的厚度[3]。

(2)提高管道強度。比如對管道易損部位堆焊，采用厚壁管、耐磨管，以及對管道內(nèi)壁進行滲硼、滲氮、襯陶瓷等處理。另外，某些雙相不銹鋼因較強的加工硬化能力而具有優(yōu)良的抗沖蝕性能，可以考慮用做彎頭、三通后的直管道材料?？舍槍χ惫芏沃谱鲗ｉT的夾具進行在線處理；對于彎頭、三通處等不方便用夾具在線處理的位置可考慮使用打水泥混凝土的方法。

(3)調(diào)整“肘”部尺寸。使用大半徑彎頭，增大“肘”部的流通直徑，以降低流速。

(4)調(diào)控工藝參數(shù)。適當降低液固兩相流的流速可以減緩或消除流體對“肘”部的沖蝕，不過調(diào)整余地較小，收效不大。

(5)凈化黑水水質(zhì)。選用優(yōu)質(zhì)煤炭，降低煤漿灰分進而減少細小夾矸，將煤漿灰分列為重點控制工藝指標。

(6)加強設(shè)備管理，對彎頭、三通附近管道一有機會就檢查其壁厚，要事先準備好厚壁彎頭、襯陶瓷管等備件，做到計劃檢修、機會檢修和預(yù)防性檢修相結(jié)合。

(7)在保證環(huán)保的前提下，適當加大水系統(tǒng)置換量，降低黑水中含固量(小于1 500 mg/L)。

2 燒嘴頭部損壞

燒嘴是水煤漿氣化爐的核心設(shè)備，整套裝置的大部分技術(shù)、經(jīng)濟指標都與燒嘴有關(guān)，其性能的好壞、使用壽命的長短直接影響整個裝置的運行質(zhì)量。

燒嘴運行中常出現(xiàn)的問題有：(1)燒嘴使用后期會出現(xiàn)煤漿噴頭磨損大、霧化效果差等問題，從而導(dǎo)致氣化反應(yīng)工況變差、碳轉(zhuǎn)化率下降、渣中殘?zhí)忌?，有效氣成分降低等情況，總之就是同樣負荷下粗煤氣產(chǎn)量降低。燒嘴磨損后還會引起煤漿偏流、耐火磚壽命降低現(xiàn)象。(2)燒嘴外氧噴頭水室龜裂、燒蝕、磨損嚴重會導(dǎo)致氣化爐內(nèi)高壓氣體竄入燒嘴冷卻水系統(tǒng)，導(dǎo)致氣化爐跳車甚至并聯(lián)運行的氣化爐跳車。(3)燒嘴冷卻水盤管外部有大量積渣，導(dǎo)致燒嘴拆卸時冷卻水盤管拉長拉壞。

解決措施如下:

(1)燒嘴外氧噴頭龜裂是高溫熱輻射、沖刷造成的結(jié)果，與工藝操作有較大關(guān)系[4]。建議選擇揮發(fā)分不要太高的合適煤種，保證爐內(nèi)回流區(qū)溫度不致過高。根據(jù)煤種、負荷優(yōu)化調(diào)整中心氧流量(使用本地高硫煤時，一般控制中心氧流量占氧氣總量的13%～15%)，以保證較好的霧化效果，防止高溫熱區(qū)上移，避免局部過氧燒蝕燒嘴外氧噴頭。

(2)使用氧化鋁澆注料對燒嘴頭部盤管部位進行保護，既減少了燒嘴的高溫腐蝕，又能使燒嘴室形成相對密閉空間，可有效防止氣化爐內(nèi)灰渣進入燒嘴室，方便拆卸燒嘴。氧化鋁澆注料具有耐腐蝕、耐高溫、易成型，以及噴嘴拆卸時易清理的特性，根據(jù)燒嘴頭部盤管尺寸制作模具，整體澆筑一次成型。

(3)采用特殊的耐高溫、耐沖刷的陶瓷內(nèi)套，鑲嵌在燒嘴的頭部。針對外氧噴頭端面的強化處理工藝研發(fā)噴涂技術(shù)，改善外氧噴頭端面大面積龜裂的現(xiàn)象。

(4)經(jīng)驗表明，氣化爐連投操作對燒嘴的影響非常大，盡量減少氣化爐開停車次數(shù)，尤其是氣化爐的連投次數(shù)，以減少燒嘴受到的沖擊次數(shù)。

(5)保證燒嘴加工精度、焊接質(zhì)量、機械加工精度，嚴格焊后熱處理，以保證燒嘴的強度、硬度、耐高溫、耐沖刷、耐磨損等各項力學(xué)性能。

(6)對燒嘴冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改造。適當加粗燒嘴冷卻水泵入口管線，增大泵的汽蝕余量，防止汽蝕，保證流量；將燒嘴冷卻水泵出口母管改造擴容，增加其緩沖能力，有效吸收高溫氣體，進而保證氣化爐燒嘴冷卻水盤管即使泄漏也不會影響其他氣化爐的正常運行；每次氣化爐停車檢修時要檢查燒嘴冷卻水上水管線單向閥，防止閥頭脫落。

3 氣化爐爐口法蘭泄漏

氣化爐產(chǎn)生的水煤氣含水量大，任何與水煤氣接觸且溫度低于其露點溫度的物體表面，都會形成液膜，而當液膜呈酸性時，會對物體表面造成嚴重腐蝕。對于水煤漿氣化過程來講，水煤氣露點溫度大約為205 ℃。特別是單噴嘴氣化爐，爐口法蘭位置在氣化爐頂部，而產(chǎn)生的氣體向氣化爐底部運行，通過激冷環(huán)、下降管、上升管后從氣化爐的中部出氣化爐，造成氣化爐爐口部分水煤氣不流通。再加上燒嘴冷卻水盤管的冷卻作用，一般爐口溫度為170 ℃左右，低于水煤氣的露點溫度，因此，爐口法蘭密封面存在露點腐蝕。

由于氣化爐爐口法蘭材質(zhì)多為SA387Gr11CL2，該材質(zhì)不能有效防止露點腐蝕，因此需要在此母材的基礎(chǔ)上進一步加工，即對爐口法蘭進行車削后加溫處理，選用E309MoL-16焊條進行過渡層焊接，然后采用E347-16焊條進行堆焊。E347-16焊條材料可以有效解決露點腐蝕帶來的侵害，堆焊完成后可通過加熱消除應(yīng)力[5]。步驟如下：

(1)對爐口法蘭密封面進行現(xiàn)場車削，其深度為4 mm。

(2)對爐口法蘭整體加溫至300～400 ℃，然后整體冷卻到100～150 ℃后用E309MoL-16焊條進行過渡層焊接，焊層厚度約為2 mm。

(3)對過渡層進行應(yīng)力消除處理，即加熱至300～400 ℃后保溫2～3 h。

(4)采用E347-16焊條進行堆焊，焊層厚度約為4 mm。

(5)按照圖紙尺寸對爐口進行重新現(xiàn)場車削加工。

改造前，氣化爐爐口運行20 d，就會出現(xiàn)漏點，隨著運行周期的延長，泄漏量逐漸增多，嚴重時氣化爐被迫停車。爐口密封面多處出現(xiàn)侵蝕的麻點和凹溝，為系統(tǒng)的長周期運行帶來極大安全隱患。改造后，經(jīng)過長周期運行實踐檢驗，未出現(xiàn)爐口泄漏，正常停車后檢查爐口密封面也未發(fā)現(xiàn)侵蝕的麻點和凹溝。

4 氣化爐液位計損壞

液位計的可靠性直接影響氣化爐的安全運行，是十分重要的控制儀表。某公司氣化爐激冷室、碳洗塔液位計均采用雙法蘭加厚膜片和耐真空、高溫氟油、鍍金變送器。在前期使用中，每次開停車過程中都出現(xiàn)損壞測量膜盒的情況，導(dǎo)致液位計測量不準,對氣化爐安全運行帶來極大隱患。

分析認為，造成液位計指示不準的原因如下：

(1)臟堵。粗煤氣和熔融態(tài)灰渣進入激冷室的水浴中，其中含有大量灰渣等介質(zhì)，長期在液位計下法蘭取壓管路及測量膜盒表面沉積，致使測量失準。

(2)膜盒沖蝕。為減少臟堵的影響，氣化爐液位計設(shè)計時將下法蘭取壓管路傾斜45°，并增加沖洗水。由于沖洗水壓力較高，沖洗水接頭噴出的高壓水柱對膜盒表面產(chǎn)生切割，輕者出現(xiàn)線狀凹痕，重者將膜盒割裂開，造成膜盒漏油報廢。

(3)膜盒腐蝕。膜盒材質(zhì)一般為316不銹鋼。不銹鋼耐腐蝕性能好是由于在其表面形成一層鈍化膜，該鈍化膜的形成是不銹鋼與氧反應(yīng)或與其他含氧環(huán)境接觸的結(jié)果。如果鈍化膜被破壞，不銹鋼將被繼續(xù)腐蝕。由于高壓沖洗水的切割及黑水中固體顆粒的沖蝕，加上激冷水中含有氯離子，在240 ℃左右高溫下膜盒表面常產(chǎn)生無規(guī)律點蝕，以致出現(xiàn)膜盒漏油現(xiàn)象[6]。

為防止氣化爐液位計損壞，在液位計取壓根部閥后增加平衡筒,可有效降低沖洗水壓力，長期連續(xù)投用可使測量膜盒接液部分變得清潔；同時接液部分溫度明顯降低(激冷室內(nèi)液體溫度約為240 ℃，沖洗水溫度約為130 ℃)，使膜盒內(nèi)氟油工作溫度相對較低。此措施一定程度上降低了含氯液體對膜盒的腐蝕，可有效緩解接頭部分的靜密封點泄漏。

5 結(jié)語

兗礦國宏化工德士古水煤漿氣化爐在解決了氣化爐黑水管線磨損、燒嘴頭部龜裂磨蝕、爐口法蘭點蝕泄漏、液位計損壞指示不準等問題后，運行周期已由原來的50 d左右延長至目前的90 d以上，實現(xiàn)較長周期的安全穩(wěn)定運行。