關于殼牌煤氣化裝置氣化爐問題及其探究

劉貴賓 ， 張歡歡

(河南開祥精細化工有限公司 ， 河南 義馬 472300)

近年來清潔能源的使用已經成為必然發(fā)展趨勢，主要以煤氣作為能源，所產生的污染較小。殼牌煤氣化裝置氣化爐長期處于高溫、高壓、高酸性的環(huán)境中，如果缺乏正確的使用方法與養(yǎng)護管理制度，則很容易出現(xiàn)安全事故。需要企業(yè)準確把握氣化爐的運行特點，并掌握關鍵問題因素，根據(jù)問題因素制定科學的應對措施，嚴格按照安全生產條例進行作業(yè)，保障氣化爐運行安全。

1 殼牌氣化爐裝置

殼牌氣化爐主要技術特性如下：設計制造驗收規(guī)范，JB4372《鍋制壓力容器——應力分析設計標準》；設計壓力，5.2 MPa；設計溫度，350 ℃，蒸汽過熱段450 ℃，SGC出口380 ℃；主要材質，SA387Gr，11CL2/in825+SA387Gr；主要規(guī)格，氣化爐和激冷管，ID 4630/ID 3020×30 900 mm；導管，ID 3020 mm；氣體反向室，ID 1870×285/ID 3400 mm；廢熱鍋爐，ID 3400×30 500 mm。

殼牌氣化爐主要結構圖見圖1。

圖1 殼牌氣化爐結構圖

煤氣化是指將直徑較小的煤粉與180 ℃的純氧和220 ℃的水蒸氣充分混合后輸送到氣化爐中，發(fā)生不完全的氧化反應，在高溫條件下煤中的有機質會轉化成小分子氣體。本次研究的氣化爐具有以下幾種特點：①最大投煤產量達到了2 000 t以上。②具有高碳轉化率的特點，一般在1 400～1 600 ℃，碳轉化率可高達99%以上。③氣化爐氣體潔凈，煤氣中甲烷含量極少，不含重烴，CO+H2體積分數(shù)達90%。④其技術應用過程中，耗氧相對比較低，耗氧條件在20%左右。⑤在煤氣化系統(tǒng)的應用過程中，煤氣效率達到80%～83%，其余的15%副產高壓或中壓蒸汽，總熱效率高達98%。

1.1 氣化爐反應區(qū)腐蝕問題

A1氣化爐反應區(qū)入孔處存在環(huán)形空間，受熱面管與連接管線表層會覆蓋水分和灰塵混合物，從而會造成一定的腐蝕。腐蝕速率約為0.5 mm/a，從而導致入孔合成器側與入孔熱裙區(qū)域容易出現(xiàn)裂紋。在該氣化爐的A2入孔合成氣側燒嘴端蓋的內控區(qū)域均檢測出裂紋問題，裂紋平均長度在5 mm左右，燒嘴罩的平均腐蝕速率在0.4 mm/a左右。經過技術人員的檢測，A2入孔合成氣側的冷卻水套厚度出現(xiàn)了變化，從14 mm降低到了10 mm，平均腐蝕速率約為0.8 mm/a。該企業(yè)技術人員發(fā)現(xiàn)，在該氣化爐A2入孔合成氣側的急冷區(qū)域的平臺和底部區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了明顯的裂紋，還有部分區(qū)域出現(xiàn)了凹坑。

1.2 反向室氣測控問題分析

在氣化爐的反向室內，根據(jù)技術人員的檢測，在A11入孔環(huán)形空間固定支架中有長度約50 mm的裂紋，其該合成氣側270°固定支架加強板角焊縫區(qū)域存在裂縫，裂縫長度約100 mm。根據(jù)其他檢測結果顯示，入孔A11合成氣側反向室堆焊管和鋼盤存在著腐蝕和沖刷現(xiàn)象，從而使其厚度出現(xiàn)問題。

1.3 合成冷卻室問題

在合成氣冷卻器中，根據(jù)技術人員的檢測結果顯示，A11入孔合成氣側的過熱器進口管線的管壁厚度降低，平均厚度為1.5 mm，最大厚度為3.5 mm，經過計算腐蝕速率約為0.8 mm/a。

2 殼牌煤氣化裝置氣化爐問題的原因

在氣化爐處于正常運行條件的情況下，A1入孔環(huán)形空間的壓力經檢測為4.1 MPa，溫度為210 ℃，介質中含有一定的飽和水和二氧化碳等氣體，在氣化爐正常運行條件下，因為渣池與環(huán)形空間是連通的，A1入孔環(huán)形空間中含有飽和水，對于二氧化碳等氣體而言屬于干相環(huán)境，所以在該條件下二氧化碳等氣體會發(fā)生高溫腐蝕，從而使被腐蝕的表面厚度降低。當氣化爐運行條件變化時，例如壓力升高或溫度降低，含有飽和水的環(huán)形空間氣相將會冷凝析出水相，從而形成濕環(huán)境，在濕環(huán)境下腐蝕速率將會加快，從而對管壁的腐蝕作用更強，導致管壁表面的厚度降低速度較快，最終形成表面裂紋，從而導致殼牌氣化爐運行出現(xiàn)危險。

2.1 A2入孔合成氣側問題形成原因

在A2入孔氣側處于正常運行的狀態(tài)時，膜式水冷壁的內襯中有耐火襯里，從而能夠使水冷壁不會受到侵蝕，對水冷壁有著很好的保護作用。但是因為燒嘴、燒嘴罩以及燒嘴端蓋區(qū)域沒有耐火襯里的保護，所生成的爐渣會將表面的氧化物和硫化物溶解，進而就會增強腐蝕作用，使沒有受到保護部位的腐蝕程度增加。因為爐渣的成分有所不同，在熔點方面也存在著很大的差異，這些不同熔點的混合物，在不同溫度下的狀態(tài)，會造成不同的腐蝕，從而導致燒嘴罩、冷卻水套等出現(xiàn)不同程度的裂紋，導致殼牌氣化爐運行出現(xiàn)問題。因為熔渣中含有大量的碳，熔渣在燃燒過程中會飛濺到沒有襯里保護的燒嘴和燒嘴罩區(qū)域，從而會導致這些區(qū)域受到更為嚴重的腐蝕。經過技術人員的計算，腐蝕速率會達到普通腐蝕速率的5倍左右，所以在氣化爐的燒嘴區(qū)域以及燒嘴罩區(qū)域會發(fā)現(xiàn)凹坑的存在，嚴重威脅氣化爐的安全運行。除此之外，氣化爐A2入孔合成氣側出現(xiàn)問題的一個重要原因是腐蝕疲勞問題，因為殼牌氣化爐的內部結構設計，燒嘴內孔的邊緣位置溫度相比于其他區(qū)域更高，所以容易在燒嘴內孔邊緣處表面形成氧化物和硫化物，形成的化合物會沿著晶界不斷擴展，最終會形成裂紋，從而導致燒嘴內孔材料質量下降，產生問題。在熱交變應力的影響下，裂紋會出現(xiàn)在表面缺陷的位置，并不斷從外表面向內部逐漸擴大，在擴大的過程中，會受到氧化、硫化作用的影響，形成腐蝕疲勞開裂問題，所以需要控制燒嘴內孔邊緣位置的溫度，才能夠有效防止該問題發(fā)生。

2.2 殼牌氣化爐在燃燒運行中問題成因

氣化爐的急冷端有表面滲氮的問題，該區(qū)域正常運行狀態(tài)下溫度一般為900 ℃，會導致局部氮氣分壓過高，溫度超過316 ℃時就會發(fā)生滲氮，在超過380 ℃時滲氮問題會更為劇烈。滲透的氮會在氣化爐內部零部件表面發(fā)生反應，形成黑色的化合物，經過檢測該區(qū)域的金屬硬度會變高。但是在滲氮層內部出現(xiàn)的裂紋會擴展到金屬基體中，且滲氮會隨著金屬基體體積的增加而擴大，在熱循環(huán)或者其他作用力的影響下，滲氮層會出現(xiàn)嚴重的裂紋問題，嚴重會出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，從而導致急冷斷區(qū)域出現(xiàn)嚴重的質量問題，裂紋會導致急冷段材料出現(xiàn)嚴重的問題，從而嚴重威脅殼牌汽化路的運行安全。

2.3 A11入孔合成氣側出現(xiàn)問題

在A11入孔合成氣側方中，合成氣中存在許多固體顆粒，合成氣會在內部高速流動，從而會導致固體顆粒對熱管形成較大的沖刷作用，導致熱管管壁被磨損，進而破壞熱管保護膜，將其表面的保護物質去除，在沖刷與腐蝕作用雙重影響下，使得A11入孔氣側的換熱管管壁厚度降低，被嚴重腐蝕。

3 殼牌煤氣化裝置氣化爐問題的應對策略

導致殼牌氣化爐出現(xiàn)問題的原因主要為酸性水腐蝕、高溫液態(tài)熔渣腐蝕、高溫硫化物腐蝕以及沖刷磨損等，酸性水主要對A1入孔區(qū)域腐蝕，高溫液態(tài)熔渣腐蝕主要在A2入孔區(qū)域發(fā)生，沖刷磨損腐蝕主要發(fā)生在A11入孔區(qū)域。因此，針對三個不同的區(qū)域，需要采用不同的應對策略，制定科學的防護方法，才能夠保證殼牌氣化爐運行安全，降低意外事故發(fā)生率，使氣化爐的運行效率提高。

3.1 A1區(qū)域出現(xiàn)的酸性水腐蝕問題

殼牌氣化爐內部運行壓力和溫度的變化能夠加劇腐蝕作用，是腐蝕速率加快的主要原因。因此，針對A1區(qū)域腐蝕問題的保護，需要嚴格控制氣化爐內部運行壓力和溫度，保證壓力和溫度能夠始終保持在正常范圍之內，防止因溫度和壓力變化過大導致水相問題出現(xiàn)。與此同時，因為渣裙冷卻水堵塞會導致溫度升高，所以在日常管理過程中需要注意冷卻水的通暢性，如果出現(xiàn)了堵塞問題需要第一時間修復，防止出現(xiàn)長時間堵塞現(xiàn)象，能夠降低腐蝕速率，從而對氣化爐能夠發(fā)揮出很好的保護作用。

針對腐蝕問題預防和處理提出以下幾點操作：①選擇合適的抗堿腐蝕計量裝置，使用堿液實現(xiàn)酸堿中和處理，并且在氣化爐開始使用之前，加熱N2進行滌塔，掃除腐蝕性的影響，這直接關系到清洗效果，確保殼牌氣化爐的使用更加合理。②在氣化爐使用過程中，應該做好循環(huán)水的質量控制，主要是控制好循環(huán)水的pH值，要求循環(huán)水pH值控制在6.5～7.5，氯離子控制在1×10-6mol/L之內，這樣可以減少對殼牌氣化爐氣化的影響，提升解決效果。通過相關操作，實現(xiàn)對腐蝕性問題的控制。③可以選擇使用緩蝕劑，實現(xiàn)對殼牌氣化爐的酸性腐蝕控制。也能夠最大程度地提升酸性處理效果。采用小劑量緩蝕劑即可減少腐蝕作用。

3.2 A2入孔合成氣側存在的問題

導致該區(qū)域出現(xiàn)問題的因素較多，需要采用不同的方法。燒嘴、燒嘴罩、燒嘴端蓋零部件沒有保護措施，所以腐蝕程度較大，可以針對這些零部件加裝保護，使其表面能夠具有防止腐蝕作用的保護膜，從而能夠降低腐蝕速率，減少腐蝕問題的發(fā)生。保護裝置還能夠防止爐渣飛濺對燒嘴等區(qū)域的影響，使燒嘴區(qū)域的腐蝕速率降低，防止出現(xiàn)較大腐蝕孔洞、凹坑等問題。腐蝕疲勞主要是因為殼牌氣化爐在燒嘴內孔方面的結構設計不夠科學，導致局部受熱溫度較高，所以需要優(yōu)化殼牌氣化爐燒嘴內部結構設計，使其受熱更加合理，避免局部溫度過高的問題出現(xiàn)。氮化作用也是導致氣化爐出現(xiàn)較大問題的主要原因之一，因此需要做好氮化保護處理，防止出現(xiàn)大面積的滲氮層，滲氮層會導致金屬基體更加脆弱，所以需要增加隔離裝置，防止氮化作用發(fā)生，從而能夠為氣化爐運行安全提供良好的保護。

燒嘴罩是入孔合成氣側問題的主要影響因素，所以做好對燒嘴罩實效問題的控制，可以實現(xiàn)對入孔合成氣側的影響控制。①可以相應增加氮氣加熱裝置，氮氣加熱裝置應用之后，實現(xiàn)了煤粉溫度的提升，要求煤粉溫度>80 ℃，減少煤粉的流失量，要求其流失量控制在5%之內。②針對煤粉質量進行提升，可以使用人工初檢和過濾的方式對煤粉進行過濾， 減少纖維材料堵塞角閥，提升煤粉的流動性。③燒嘴罩也存在腐蝕性問題，應該控制好鍋爐水的pH值，要求鍋爐水的pH值在9～10，磷離子約為30×10-6，水處理溶解氧含量更多，也能夠減少腐蝕。

3.3 A11入孔合成氣側沖刷腐蝕的問題

需要加強對A11入孔合成氣側的日常巡檢，當沖刷腐蝕導致?lián)Q熱管管壁厚度減少到一定程度時，需要立即開展修復工作，從而使其管壁厚度恢復正常，防止因管壁過薄出現(xiàn)重大安全事故。

氣化爐使用過程中，還應該做好其使用注意事項的綜合完善，把控氣化爐的使用要點，提升氣化爐使用效果。要求控制生產符合在40%～120%，才能夠保證氣化爐的使用效果；做好低溫環(huán)境下的控制，如在0 ℃條件以下，要求氣化爐在啟?？刂浦行枰褂梅纼鲆?。

綜合來看，企業(yè)在使用殼牌氣化爐過程中，需要重點關注A1入孔、A2入孔、A3入孔以及A11入孔區(qū)域的日常巡檢和維護，從而能夠提高氣化爐運行安全性。

4 結束語

本文結合KX企業(yè)殼牌煤氣化裝置氣化爐存在具體的問題分析，對其問題產生的原因做了深入研究，并提出一些有效的應對保護措施，希望能夠對我國相關企業(yè)使用殼牌煤氣化裝置氣化爐起到一定的借鑒和幫助作用，提高氣化爐安全運行水平。