4.0MPa碎煤加壓氣化爐爐篦裝置的使用與優化

申文廣

（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350）

0 引言

4.0MPa碎煤加壓氣化爐是一種移動床氣化爐型，以劣質褐煤為原料，廣泛應用于煤制甲醇、乙二醇、合成油、煤制天然氣等領域。碎煤加壓氣化過程是一個在高溫和（高）壓力下進行的復雜多相的物理化學反應過程，主要是煤中的碳與氣化劑、氧和水蒸汽等之間的反應，反應生成物煤氣的組成決定于原料性質、氣化劑的種類及制氣過程的條件，作為人工天然氣（SNG）原料氣的煤氣有效組成主要是氫、一氧化碳和甲烷碎的煤加壓氣化裝置。其主體設備從上而下包括煤鎖、氣化爐、灰鎖、爐篦系統等。目前，在役使用的碎煤加壓氣化爐多為魯奇的第三代氣化爐，具有壓力下氣化，生產能力大，故障率低，技術成熟等特點，其中爐篦裝置是碎煤加壓氣化爐的核心裝置，爐篦裝置運行的穩定性直接影響氣化爐的穩定運行。

1 爐篦裝置簡介

1.1 爐篦結構

4.0MPa碎煤加壓氣化爐爐篦安裝于氣化爐下部、下灰室上方，爐篦承寶塔型結構，自上而下分為5層，分別為701、702、703、704、705爐篦蓋板，其中701、702是一體鑄造成型，703、704、705分別由4、4、6塊蓋板拼接而成。爐篦的主要作用有3方面：一是支撐整個床層移動；二是在氣化爐橫截面上分布氣化劑；三是排灰、破碎大塊灰渣以免堵塞爐篦下部下灰室空間。氣化劑從爐篦底部沿著氣化劑混合管上升，通過各層布氣孔均勻的將氣化劑分布。混合后的氣化劑溫度在350℃左右，當氣化劑流經爐篦空間時，可以起到冷卻、降溫的作用，從而提高爐篦的使用壽命[1]。

爐篦最下端設有3把刮刀安裝口，刮刀的安裝數量由原料煤的灰分含量來決定，灰分含量較少時可安裝1～2把刮刀，灰分含量較高時安裝3把刮刀，因目前市場上大部分都以褐煤為原料，普遍安裝2把右旋排灰刮刀。爐篦的傳動采用電動或液壓驅動，采用變頻電機驅動偏多，變頻電機驅動具有調速方便、可調整力矩大、工作平穩等優點。

1.2 爐篦材質介紹

爐篦上各部件材質多為耐熱鑄鋼，材質執行德國DIN標準，主要鑄件材質牌號有G-X22CrMoV121、G-X25C rNiSi2014、G-S35CrMoV104、G-X165CrMoV12、G-S17Cr Mo55等，該類材質高溫強度高、抗蠕度性能好、產品壽命長，并且廢舊件具有較高的回收價值。

其中G-X25CrNiSi2014材質主要用在爐篦蓋板、爐篦頂、爐篦環、爐篦環段、輸灰刀、刮灰刀等部分，這些部分的工況條件為高溫且與爐灰接觸摩擦，對材質的耐磨性要求較高，且使用時可能受高、低溫波動大。該材質與我國ZG25Gr20Ni14Si2材質牌號相類似（文中均以ZG25Gr20Ni14 Si2材質特性進行說明），屬于Cr-Ni型奧氏體耐熱鑄鋼，由于鋼中鉻、鎳元素含量較高，具有良好的高溫強度和抗氧化性能，最高使用溫度可達900℃。該鋼材的最高氧化溫度可達1050℃，其抗氧化腐蝕速率在900℃時為0.1mm/a，1100℃時為1.1mm/a[2]。

其化學成分為：C 0.15～0.35、Si 1.0～2.5、Mn 2、P≤0.04、S≤0.03、Cr 19.0～21.0、Mo 0.5、Ni 13.0-15.0。

室溫力學性能：屈服強度≥230MPa，抗拉強度≥450 Mpa，伸長率≥10%。

高溫力學性能：1%（1%蠕變變形）-10000h的蠕變強度/Mpa見表1。

表1 ZG25Gr20Ni14Si2材料高溫力學性能

2 氣化爐爐篦運行存在的問題

某煤制氣公司自投產以來，已經連續穩定8年，其氣化爐爐篦裝置存在的問題也逐漸暴露出來，爐篦蓋板平均使用壽命在24000小時左右，具不完全調查，同行業爐篦蓋板損壞的原因主要有2方面，一方面是裂紋，701、702爐篦蓋板產生裂紋的較為嚴重；另一方面是腐蝕磨損減薄，701-705蓋板由上至下磨損程度逐漸增大，尤其是705爐篦蓋板磨損情況更為嚴重。

某煤制氣公司氣化爐705爐篦蓋板在平均運行10000小時后，開始出現耐磨條磨損、磨平情況，在平均運行24000小時后，開始出現耐磨條磨沒、蓋板磨透的情況，具體磨損情況如圖1、圖2。

圖1 氣化爐運行10000小時后磨損情況

圖2 氣化爐運行24000小時后磨損情況

同行業魯奇爐705爐篦蓋板使用更換情況如表2。

表2 同行業魯奇爐705爐篦蓋板使用情況

3 爐篦蓋板缺陷原因分析

3.1 累計磨損

因為爐篦的主要作用是分布氣化劑、排灰、破碎大塊灰渣、使整個床層移動，氣化爐正常運行時爐內存煤、灰渣在70噸左右，爐篦正常轉速4-6轉/h，每小時排灰量6.5噸左右，爐篦在轉動過程中與灰渣之間相互摩擦，運轉時要克服灰渣的重量摩擦阻力，必然會造成爐篦蓋板的磨損，且705爐篦蓋板處于寶塔結構最下端邊緣處、與灰渣接觸面積最大、相對線速度大、也最容易磨損。此外，某煤制氣公司原料煤為劣質褐煤，灰分偏大，多在11%左右，再加上煤源不穩定，頻繁更換煤種，褐煤、煙煤摻燒比例不定，爐篦轉速也較設計值高的多，多以大轉速排灰、調整工況，從而加速其磨損。

3.2 高溫疲勞

碎煤加壓氣化是移動床逆流工藝過程，在氣化爐的縱剖面自下而上可分為五個區：灰床層、燃燒層、氣化層、干餾層、干燥和預熱層，五個區的高度和溫度如表3所示。

表3 床層高度與溫度之間的關系

從表3中得知，正常運行形時，灰層溫度在450℃左右，一旦出現氣化爐工況不好，燃燒層下移，勢必會造成灰層溫度升高。通常以約比溫度來判斷一種金屬材料是否在高溫環境下工作，約比溫度=使用溫度（K）/合金熔點（K），當約比溫度＞0.5時表示在高溫狀態，當約比溫度＜0.5時表示在低溫狀態，ZG25Gr20Ni14Si2材料的熔點在1371～1427℃，這里熔點按1400℃計算，可得知當溫度高于563.5℃時即在高溫狀態下工作。

而金屬材料在長時間、高溫環境、載荷作用下，會緩慢產生塑性變形的現象，也就是蠕變現象，由于蠕變變形的存在而最終導致蠕變斷裂，從表1中也可得知隨著溫度的升高其蠕變強度也在逐漸降低。同時，在高溫長期載荷下其持久強度、高溫疲勞強度和高溫硬度也會降低，材料的整體力學性能下降。隨著溫度的升高，金屬晶粒強度和晶界強度都會降低，當環境溫度小于等強溫度時會造成穿晶斷裂，當環境溫度大于等強溫度時會造成沿晶斷裂。尤其是701和702爐篦蓋板為整體鑄造，溫度升高后，本體膨脹受阻，應力無處釋放，從而產生裂紋。

3.3 其他腐蝕

原料褐煤、粗煤氣以及灰渣都含有一定的硫元素或硫化物，硫元素或硫化物的存在會對設備造成一定的腐蝕，尤其是在高溫環境下硫化腐蝕要比氧化腐蝕厲害的多。原料褐煤空氣干基全硫含量在0.84%左右，粗煤氣中H2S含量在0.56%左右，從硫含量對設備腐蝕速度的影響來看，當含硫量在0.5～2范圍內，在高溫條件下，設備材料的硫化腐蝕速度將明顯上升。單質硫和H2S可直接與金屬發生硫化反應，其他硫化物在高溫分解后也可與金屬發生硫化反應[3]。同時，該材質對硫氣氛較為敏感，在600～800℃時有析出σ相脆化傾向[4]，而且硫及其化合物對材料的晶間腐蝕也有較大的促進作用，這些對鑄鋼件的耐腐蝕性能都是極其不利的。

4 處理爐篦蓋板缺陷的方法

4.1 改善鑄鋼件的組織結構

爐篦在鑄造過程中，可添加或提高一些熔點高、自擴散激活能大、層錯能低的金屬含量，從而改善或提高爐篦綜合性能。如加入鉻、鉬、錳、鎢、鈮等金屬元素后可形成單相固溶體，產生固溶強化，提高蠕變極限。加入硅、鎢、鈷合金后，其耐磨性、強度、耐熱、耐腐蝕等一系列性能都有所提高，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在650℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。也可適當提高材質的含碳量，隨含碳量的增加，其硬度增大，但塑性、韌性會下降。像ZG40Cr22Ni11Si2最高使用溫度可達950℃，ZG40Cr25Ni12Si2、ZG40Cr24Ni24Si2Nb1最高使用溫度可達1050℃，ZG40Cr25Ni20Si2最高使用溫度可達1100℃，ZG40Cr20Co20Ni20Mo3W3最高使用溫度可達1150℃，但是其經濟成本會大幅度提高。

4.2 去除雜質加恰當的熱處理

各種耐熱鋼及高溫合金鋼對冶煉工藝要求比較嚴格，即使鋼中雜質含量只有十萬分之一，當其晶界偏聚后也會導致晶界弱化，材料的持久強度極限降低，這就要求在冶煉、鑄造過程中嚴格控制硫、磷等雜質的含量。

在GB/T8492《一般用途耐熱鋼合金鑄件》標準中并未對ZG25Gr20Ni14Si2材質的熱處理有明確要求，可在鑄態下供貨，經咨詢相關鑄造廠，該材質在經過980℃正火處理后，可細化晶粒、消除鑄造應力，增強材料的綜合機械性能。一般奧氏體不銹耐熱鋼還需經固溶處理，固溶處理后使碳化物或其他析出相溶解于固溶體中，獲得過飽和的單相組織。

4.3 控制爐篦的表面溫度

嚴格按照工藝操作規程操作，控制好爐篦表面溫度，及時調整氣化爐工況，避免火層下移，使爐篦產生回火脆性，沿原奧氏體晶界易形成滲碳體薄膜，這種滲碳體薄膜是造成脆性晶界斷裂原因之一，同時爐篦內的交變應力進一步加劇了晶間裂紋的產生和擴展。因此控制好爐篦的表面溫度有利于穩定爐篦的組織結構，避開爐篦的回火脆性溫度區域，有效地避免了回火脆性斷裂的產生。

4.4 杜絕向爐內澆水

氣化爐檢修時，為縮短檢修周期，提前具備檢修作業條件，工藝操作上往往會采取向爐內澆水、夾套內注水進行強制冷卻的方法，這種突然的冷激也會導致熾熱爐篦內的應力裂紋迅速擴展。一般建議采用氮氣置換冷卻方法較為妥當，爐溫降至70℃以下后方可進行檢修作業。

4.5 調整刮刀

目前，爐篦普遍安裝2把右旋排灰刮刀，排灰量一定時2把刮刀的轉速要比3把刮刀的轉速高，高轉速會加速爐篦的磨損，可以考慮安裝3把刮刀降低爐篦轉速，但是爐篦轉速降低后會對爐內工況有一定的影響，對工況的調整和操作難度也會增加，刮刀數量的調整還應根據生產負荷、煤種等多方因素進行確定。當然，為了減緩爐篦蓋板的磨損，在運行一定周期后，可以改變爐篦旋轉方向，從上往下看順時針旋轉改為逆時針旋轉，并把右旋刮刀改為左旋刮刀，使爐篦的磨損方向改變，提高爐篦的使用壽命。

4.6 改善爐篦蓋板結構

4.6.1 增加爐篦蓋板耐磨筋條的厚度

原設計爐篦蓋板耐磨筋條的高度和寬度分別為20mm、12mm，可將其高度和寬度均提高至25～30mm，這樣可以延長爐篦蓋板的使用壽命。

4.6.2 改變702蓋板結構形式

可將702爐篦蓋板由一體鑄造成型改為2半式組合安裝，當爐篦受熱膨脹后應力可以釋放，較少或避免裂紋的產生。此改造已在國內多家煤化工氣化爐爐篦上應用，應用效果較好。

4.6.3 增加破渣板

在704爐篦蓋板安裝破渣板（見圖3），選取其中一塊704爐篦蓋板安裝破渣板，為提高破渣板的機械強度，破渣板與704爐篦蓋板一體鑄造成型，破渣板形狀類似魚背鰭狀，安裝破渣板后可明顯提高破渣率并降低汽氧比，減少產水量，相對減少爐篦的磨損，對維持氣化爐的穩定運行有積極促進作用。此項技術已在國外部分煤化工中應用，國內也正在推廣應用。

圖3 704爐篦蓋安裝破渣板

4.6.4 添加耐磨陶瓷

鑄造爐篦蓋板時，預先在砂型的耐磨金條位置處放置耐磨金屬陶瓷體，在澆注高溫鋼水后，鋼水與耐磨金屬陶瓷體結為一體。因為是冶金結合，使用過程中陶瓷體不易脫落。耐磨陶瓷體一般選用碳化鈦材質，具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等優點。據不完全統計耐磨陶瓷爐篦使用壽命可達現有爐篦材質使用壽命的1.5倍[5]。

5 結語

爐篦作為碎煤加壓氣化爐的重要裝置之一，采用鑄造成型技術已經較為成熟，應用廣泛。通過優化運行操作，改變部分結構和提高材料等級等措施，對緩解爐篦蓋板裂紋、磨損、腐蝕有著積極促進作用，從而延長了爐篦的使用壽命。