氣化爐急冷口燒蝕原因分析與改進(jìn)措施

蘭洪剛

(云南水富云天化股份有限公司， 水富 657800)

某公司采用殼牌粉煤氣化工藝生產(chǎn)合成氣，作為生產(chǎn)甲醇的原料。急冷口的主要作用是將約200 ℃的循環(huán)急冷氣進(jìn)行均勻分布，讓其與約1 500 ℃的合成氣進(jìn)行有效混合，從而降低合成氣溫度。急冷口的主要材料為Incoloy 825鋼,急冷氣通過(guò)爐體的4個(gè)接管口進(jìn)入環(huán)形空間，后通過(guò)8個(gè)膨脹節(jié)連接分布進(jìn)入急冷盤(pán)，再經(jīng)過(guò)急冷氣分布孔、百葉窗進(jìn)入爐堂內(nèi)部進(jìn)行混合[1]。

從2012年運(yùn)行以來(lái)，急冷口的百葉窗一直出現(xiàn)不同程度的燒蝕，由圖1可以看出，燒蝕主要表現(xiàn)為百葉窗的燒蝕及百葉窗上下底板的熔化。急冷盒的損壞影響急冷氣的有效分布，嚴(yán)重影響急冷氣與熱的合成氣的混合，導(dǎo)致合成氣回火進(jìn)入環(huán)形空間，環(huán)形空間溫度探頭報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響氣化爐的緊急連鎖。筆者對(duì)急冷口燒蝕的原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

圖1 被燒蝕的急冷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the ablated quench nozzle

1 急冷口燒蝕原因分析

1.1 急冷氣通道堵塞

急冷盤(pán)中共有384個(gè)φ11.5 mm的急冷氣分配孔，急冷孔共分為2排，急冷盒中的急冷氣通過(guò)分配孔進(jìn)入百葉窗成2.81°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流，然后進(jìn)入爐膛與熱合成氣混合。

由于急冷氣中夾雜有大量的灰垢等異物，同時(shí)由于管道長(zhǎng)期運(yùn)行在其內(nèi)部會(huì)形成片狀腐蝕產(chǎn)物，一旦檢修停車(chē)片狀腐蝕產(chǎn)物脫落會(huì)堵塞分配孔，見(jiàn)圖2。分布孔被異物堵塞會(huì)導(dǎo)致急冷氣分配不均，影響氣化爐內(nèi)部的流場(chǎng)分布，造成急冷盒局部位置急冷氣量不足，從而導(dǎo)致急冷盤(pán)百葉窗局部高溫回火燒蝕[2-4]。

同時(shí)原有的K1301壓縮機(jī)設(shè)計(jì)氣量也存在不足，導(dǎo)致冷量較少，同時(shí)平衡孔、百葉窗等流道通徑較大，嚴(yán)重影響冷氣的流速，從而造成冷氣對(duì)熱合成氣的包裹性較差，易導(dǎo)致熱合成氣回火燒蝕。

圖2 被堵塞的急冷氣分配孔宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the blocked quench air distribution holes

1.2 急冷氣量不足

從目前運(yùn)行情況及國(guó)內(nèi)較多工廠的運(yùn)行情況來(lái)看，大多都存在急冷口燒蝕的問(wèn)題，而主要分析還是認(rèn)為急冷氣壓縮機(jī)K1301的原始設(shè)計(jì)能力不足，使得氣化爐的急冷氣量不足，導(dǎo)致急冷口的冷卻效果不佳，整個(gè)后段區(qū)域的溫度都較高。

1.3 環(huán)形空間惰性氣體不足

在氣化爐的運(yùn)行過(guò)程中，為了保證環(huán)形空間的各個(gè)部件有效穩(wěn)定運(yùn)行，環(huán)形空間均充有氮?dú)猓业獨(dú)鉃槲⒄龎籂顟B(tài)，避免了發(fā)生合成氣進(jìn)入環(huán)形空間而導(dǎo)致殼體溫度升高的風(fēng)險(xiǎn)。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)形空間氮?dú)饬坎蛔悖瑲饣癄t環(huán)形空間溫度存在上升的情況，可以判斷爐膛內(nèi)部的熱合成氣進(jìn)入了環(huán)形空間。

1.4 環(huán)形空間間隙大

由于急冷盒材料為Incoloy 825鋼，其與急冷平臺(tái)水冷管道的材料不一致，兩者的熱膨脹系數(shù)不同，故在原始設(shè)計(jì)時(shí)，急冷盒與急冷平臺(tái)及水冷管之間的間隙通過(guò)單面焊密封條進(jìn)行密封，來(lái)避免熱氣串入環(huán)形空間。

而在運(yùn)行工況時(shí)，氣化爐受熱向上膨脹，導(dǎo)致急冷盒上下密封條翹曲，與上下平臺(tái)形成了較大的間隙，大量的熱合成氣進(jìn)入環(huán)形空間，導(dǎo)致急冷盒燒損[5-6]。

圖3 急冷盒與平臺(tái)間隙的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of gap between quench box and platform

2 措施及建議

2.1 工藝優(yōu)化

降低急冷氣的溫度，避免由于急冷氣溫度的升高而影響冷、熱氣的混合溫度；同時(shí)增加環(huán)形空間氮?dú)饬浚员M可能減少熱合成氣串入環(huán)形空間，從而降低環(huán)形空間溫度，不會(huì)引起緊急聯(lián)鎖。

2.2 急冷盒改造

急冷盒的環(huán)形空間上部位置原有4個(gè)100 mm×100 mm的檢查手孔，而整個(gè)急冷盒直徑為2 620 mm，使用檢查手孔并不能有效清理內(nèi)部的異物，將檢查手孔改為長(zhǎng)弧型檢查孔，以增加其檢查長(zhǎng)度和面積，每個(gè)檢查手孔的弧長(zhǎng)角度為30°，在4個(gè)方向上分別安裝4個(gè)弧形檢查孔，使用吸塵器和人工方式清理急冷盒內(nèi)部灰塵等異物，避免堵塞急冷氣分配孔。

2.3 急冷盒百葉窗改造

氣化爐急冷部位的混合原理為均勻分布的旋流急冷氣裹挾氣化爐爐膛旋流合成氣，形成外部溫度較低內(nèi)部溫度較高的氣旋。氣化爐爐膛旋流合成氣由氣化爐燒嘴成4°，逆時(shí)針向上旋流，而急冷氣從急冷盤(pán)出來(lái)成2.81°的順時(shí)針旋流，兩者在急冷口位置形成反方向的交叉包裹向上旋流。而一旦冷氣不能有效地包裹熱合成氣，容易導(dǎo)致急冷口金屬承受1 500 ℃高溫合成氣而被燒蝕。

氣化爐急冷盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括急冷盒、急冷氣分配孔、平衡孔、百葉窗等部件，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 急冷盒相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of quench box

2.3.1 急冷口盒百葉窗改造計(jì)算

氣化爐急冷口現(xiàn)采用厚度為6 mm的Incoloy 825鋼板材，其百葉窗出口面積較大，在急冷氣壓縮機(jī)K1301能力不足的前提下，其流速較低，可以適當(dāng)改造出口面積以增大流速，保護(hù)急冷口。相關(guān)計(jì)算如下：

表2 急冷盒改造后參數(shù)對(duì)比表Tab.2 Parameters comparison table of quench box after transformation

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，將急冷盒百葉窗由6 mm增加到12 mm，然后在孔兩側(cè)各噴涂0.5 mm厚的防火涂料。急冷口流通面積由0.203 m2減小到0.150 m2，急冷口流速由6.13 m·s-1提高到8.30 m·s-1，經(jīng)過(guò)改造，急冷口流速提高了35.4%。

2.3.2 急冷盒百葉窗改造施工

在現(xiàn)有百葉窗通道的兩端隔板內(nèi)孔各加裝豎直隔板一根(尺寸為56 mm×150 mm×3 mm)，其與原有隔板之間需保證有效貼合，上下兩端需要打磨坡口，新增板材為梯形結(jié)構(gòu)，以保證與原有隔板的花焊角焊縫貼緊；同時(shí)新增隔板內(nèi)端口需打磨成60°的坡口，以保障氣流的正常流通，外端口與原有隔板之間需采用花焊進(jìn)行固定，新增隔板與原有頂板及底板也采用花焊固定。在其急冷口至環(huán)形空間150 mm區(qū)域里噴涂耐高溫防火材料，以增加急冷盒材料的防火能力及運(yùn)行時(shí)間，具體示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 急冷盒百葉窗改造前后示意圖Fig.4 Diagram of quench box blinds a) before and b) after transformation

2.4 急冷盒密封位置改造

急冷盒與上下水冷壁面安裝間隙受制于兩者膨脹系數(shù)、膨脹方向的不同，需要進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)密封，避免安裝間隙形成氣流通道，引起環(huán)形空間超溫聯(lián)鎖。

切除急冷盒原有的上下密封擋板，在密封擋板與水冷壁管之間填塞耐高溫纖維，在上下密封擋板的端部(爐膛側(cè))填塞耐高溫陶瓷纖維盤(pán)根(規(guī)格為10 mm×10 mm)兩圈；

在急冷盒頂板的密封點(diǎn)的分別加裝兩塊密封擋板(規(guī)格為20 mm×6 mm),兩塊密封板長(zhǎng)度均為20 mm，一塊單面焊接在急冷盒頂板上，頂板密封條與水冷壁管間不能有間隙，另一塊焊接在水冷壁管上，兩塊密封板間距控制在0～0.3 mm之間，如圖5所示。

圖5 急冷盒上密封條加裝示意圖Fig.5 Diagram of installing sealing strip on quench box

盒底板下密封點(diǎn)上分別加裝兩塊密封擋板(規(guī)格為12 mm×6 mm),兩塊密封板長(zhǎng)度均為12 mm，一塊單面焊接在急冷盒底板上，底板密封條與水冷壁管平臺(tái)間不能有間隙，另一塊焊接在水冷壁管上，兩塊密封板間距控制在0～0.3 mm之間，如圖6所示。

圖6 急冷盒下密封條加裝示意圖Fig.6 Diagram of installing sealing strip under quench box

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)氣化爐急冷口部位的結(jié)構(gòu)改造后，氣化爐急冷口的燒蝕情況得以緩解，氣化爐運(yùn)行良好。