Shell殼牌氣化爐清灰裝置常見問題及分析

王欽華

Shell殼牌氣化爐清灰裝置常見問題及分析

王欽華

（河南龍宇煤化工有限公司， 河南 永城 476600）

介紹了殼牌氣化爐清灰裝置振打器的工作原理，對振打器常見故障、產生原因以及對氣化爐運行的影響因素進行了分析，分享了振打裝置產生故障后的處理經驗，這些辦法能夠保證氣化爐穩定長周期的運行。

殼牌氣化爐；振打器；撞桿；砧板

河南龍宇煤化工有限公司一期年產50萬t煤制甲醇項目，氣化裝置殼牌氣化爐清灰裝置，采用的機械振打脈沖振動原理，振打器通過氣缸提供動力源，通過氣缸撞桿撞擊振打器總成撞桿，振打器總成通過法蘭連接在氣化爐本體上，總成撞桿連接至氣化爐內部水冷壁管線各部位，氣缸的敲擊傳遞至水冷壁處，產生脈沖振動，達到清除掉沉積在水冷壁管線上積灰的效果，針對振打器在運行過程中易出現的問題，經過認真研究分析，提出改進措施，有效降低清灰裝置振打器的故障率，取得明顯改造效果。

1 Shell殼牌氣化爐清灰振打裝置簡介

殼牌氣化爐屬于干法進料氣流床氣化，干煤粉和氧氣并流進入氣化爐內瞬間爆燃，溫度高達1 600 ℃，并發生一系列化學反應，反應生成的爐渣在高溫狀態下呈液態，在重力的作用下向下流至氣化爐底部的渣池中，被冷卻水激冷成細渣排除系統。反應生成的合成氣及飛灰在氣化爐反應室頂部錐形出口處與激冷氣混合，混合后的合成氣溫度降至900 ℃，合成氣及飛灰通過輸氣管段進入氣體回流室（GRC）及合成氣冷卻器（SGC）；在此溫度下的飛灰具有一定的黏結性，有可能會黏附在水冷壁管線上，少量的飛灰粘附會造成水冷壁換熱效果的下降，大量的飛灰粘附會造成十字支撐及盤管的堵塞［1］，嚴重時造成氣化爐的被迫停爐；為了預防停爐事故的發生，就是不僅在激冷管內的所有圓筒，而且在GRC和合成氣冷卻器內的所有圓筒上裝配氣動振打器，這樣，可以提供充分的加熱面清理功能，至少每個單獨的加熱盤管分配一個振打器，合成氣冷卻器SGC膜式壁清理裝置共有14個振打器，均勻分布在整個膜式壁高度的7個平面內，GRC膜式壁共有4個振打器，分布在2個平面內。輸氣管段為防止振打器對彎管內部澆注料防沖刷磨損效果的影響并未設置振打器，共計設有58組振打裝置[2]。

氣動操作的振打器在加熱面上執行一個脈沖振動，由于這種沖擊，粘附有沉積飛灰的加熱面圓筒通過聲波被加速到一定程度，加熱面和沉積物飛灰之間質量慣性的不同而使沉積物脫落，然后被合成氣氣流帶走。從而達到清理加熱器表面飛灰的效果。

布置在氣化爐外部的氣動振打器氣缸將產生所需要的能量，由此產生的能量通過一個壓力密封盒能量傳遞系統傳遞給加熱面，為了防止由于脈沖振動傳遞而造成加熱面損壞，在加熱面上裝配一個冷卻砧板。

2 常見振打裝置故障的情況

由于氣動氣缸的脈沖擊打活塞桿傳遞給加熱面，因此所有的脈沖傳遞件必要相互直接接觸，為了給傳遞桿提供充分的密封，在振打器中置入了密封環，通過預熱后的氮氣進行密封，防止傳遞桿磨損或損壞時爐內合成氣的泄漏。所以振打器常見故障有以下幾種：①活塞桿腐蝕-磨損造成的泄漏問題；②活塞桿端部凸臺根部斷裂，造成活塞桿出來，影響正常振打的問題；③振打器氣缸故障引起的無法正常振打的問題；④內部冷卻砧板及撞桿磨損，造成活塞桿進入到振打器缸體內的問題；⑤振打器總成裝配質量較差，活塞桿與缸體密封失效，造成的密封氣或介質氣泄漏。

當振打器出現以上問題時就要及時停用振打器，振打器的停用，會造成飛灰黏附在水冷壁管線上，易造成十字支撐及盤管的堵塞，影響盤管的換熱效果，造成合成氣出口溫度偏高，嚴重時造成氣化爐的被迫停爐，所以振打裝置的穩定運行必須引起足夠的重視。

3 振打裝置故障原因分析

1）在整個氣化振打過程中，振打器的工作環境主要取決于兩方面：其一氣化爐內部合成氣CO和H2，包含少量的SO2和SO3等腐蝕成分，以及少量的飽和蒸汽等，其二為密封氣源，目前使用的密封氣源為預熱后的N2；在壓力和溫度的波動下，含有高溫的飽和蒸汽可能析出液相高溫酸性物質，導致活塞桿發生腐蝕，露點腐蝕是飽和水蒸氣因冷卻或壓降而凝結成液體對材料造成的腐蝕，二氧化硫、三氧化硫等硫的氧化物與空氣中的水分共同在露點部位冷凝，生成硫酸、亞硫酸等、亞硫酸穩定性較差容易被氧化成硫酸，進而出現硫酸露點腐蝕，在循環沖擊作用和局部腐蝕的共同作用下，發生了腐蝕-疲勞開裂[3]。

2）活塞桿斷裂失效部位主要在端部凸臺的根部，由于該區域局部應力集中，在運行過程中峰值應力最大，是典型的易疲勞失效部位。在加工或安裝過程中出現偏差，即使活塞桿運行過程中存在較小的傾斜角，也會導致活塞桿端部凸臺根部產生較大的彎矩應力和剪應力，加之露點腐蝕在表面形成微小的腐蝕小凹坑，加速形成疲勞裂紋和表面裂紋，在循環沖擊載荷下，裂紋快速擴展，同時在長時間的循環振打下，撞桿與導向套之間的磨損也會造成活塞桿與撞桿之間的傾斜，最終導致強度不足而斷裂失效。

3）振打裝置的安裝及振打器活塞與活塞桿的裝配質量問題，也是造成活塞桿端部凸臺根部斷裂及泄漏的關鍵，當活塞桿與撞桿不在一條直線上時，活塞桿與撞桿就會存在一定的傾斜角，最終造成活塞桿端部凸臺根部斷裂；活塞桿與振打缸體之間是通過兩道支撐環和兩道組合密封圈來密封，并用預熱后3.5 MPa的N2密封，裝配質量要求較高，當密封圈裝配質量不到位時就會造成密封氣的外漏[4]。

4）活塞桿本身的加工及材質不合適，撞桿部件采用的材料為：15GrMo，代替了進口材料12GrMoV，降低了耐蝕性能和抗擊打能力，12GrMoV中的Gr和Mo元素能提高材料的耐蝕性能和抗高溫性能，沖擊載荷作用的過程中，會有應力波在桿件中傳遞，為提高應力波傳遞效率和傳遞桿的抗擊打能力，活塞桿的表面需具有很高的硬度，并且表面要形成連續的硬化層。否則在快速磨損-腐蝕的共同作用下，撞桿的根部凸臺處出現斷裂或泄露。

5）振打裝置的撞桿和冷卻砧板之間長時間的循環撞擊，接觸部位出現磨損或長時間的撞擊造成砧板的脫落。

6）檢修人員技術水平交底，振打器總成裝配質量較差，活塞桿與缸體處的四道密封圈安裝不到位，未能提前氣密封型試驗。

4 振打裝置故障后的處理辦法

針對振打裝置故障的部位情況主要分為三方面：①是振打器活塞桿處磨損、密封的問題；②是振打器氣缸的問題；③振打器總成裝配質量問題。

當振打器活塞桿處密封氣泄漏時，就要對該振打器進行停用，對活塞桿進行帶壓堵漏，防止密封氣泄漏量變大或防止氣化爐內部合成氣外漏；而振打器活塞桿出來或進入到氣缸內時，目前暫沒有較好的解決辦法，只有停用該振打器觀察運行。相對于活塞桿處的問題，氣缸的故障處理方法相對簡單一些，停用該氣缸的氣源，在線更換氣缸就能解決問題；而對于振打器總成的裝配質量問題，只能從提高檢修人員的技能水平，在振打器總成安裝與氣化爐殼體之前，提前對振打器總成做氣密性試驗，保證振打器總成活塞桿處氣密封的完好性。

振打器氣密裝置簡圖如圖1。

1—振打器總成撞針；2—振打器總成；3—連接螺栓孔；4—氣密裝置；5—軟金屬管；6—墊片。

5 運行總結

1）密封氣進入振打器之前進行預熱，保證密封氣體溫度大于250 ℃，防止高溫水蒸氣結凝，從而降低發生露點腐蝕的概率。

2）采用合適的材料及加工工藝振打器部件，振打器雖看似簡單，但其材質選型和尺寸優化，均需要進行嚴格的理論分析和試驗測試，不合適的修改及尺寸會顯著降低振打器的使用壽命，嚴格控制活塞桿的表面硬度HRC在60左右，表面粗糙度控制在0.4 μm及活塞桿端部凸臺根部的圓弧倒角半徑。

3）嚴格控制工藝操作，在工藝運行正常的情況下，振打器大循環周期以20～30 min為宜，每個循環周期內，每臺振打器的敲擊次數以2次為宜[5]。

4）提高工人檢修質量，嚴格把控每臺振打器的裝配質量，針對振打器總成安裝之前的氣密封性試驗，制作專用工具，氣化爐清灰系統振打器氣密試驗裝置，該裝置包括承載腔體和移動式高壓氮氣源，承載腔體的空腔上端敞口，空腔內用于放置振打器總成，承載腔體的上端與振打器總成之間可拆卸連接，移動式高壓氮氣源通過軟金屬管連接至振打器總成的進氣口，本氣密專用工具可有效地提前對振打器總成進行氣密性驗收，以防止振打器總成安裝于氣化爐本體上之后造成二次拆裝，大大節約檢修時間，使振打器安全高質量的一次裝配到位，提高了氣化爐運行的安全性、可靠性和經濟性。

5）做好檢修臺賬，保證振打器使用壽命在2年之內，對撞桿及砧板處做好停車檢查，發現有磨損及傾斜時及時進行調整或更換。

6 結束語

引起氣化爐運行工況波動及停車的原因有很多，但是振打清灰裝置運行的好壞也是造成運行不穩定的因素之一，通過對振打裝置運行的分析及總結，及時了解每臺振打器的運行狀況，生產過程中加強設備的巡檢，隨著技術人員對操作經驗及維修方面的總結，Shell煤氣化長周期運行的目標一定能夠實現。

［1］霍元彬. Shell氣化工藝積灰堵渣問題淺析[J]. 廣州化工, 2021, 49 (03) : 97-99.

［2］史鵬聖, 劉崇國, 邵琳濤, 等. 振打除灰在煤氣化工藝中的研究與應用現狀[J]. 應用化工, 2020, 49 (12): 3115-3119.

［3］喻九陽. 潔凈煤重大裝備自動振打除灰裝置的研究與工業應用［D］. 湖北: 武漢工程大學, 2011.

［4］趙雨波. 殼牌煤氣化裝置技術改造與工藝優化[J]. 化工管理, 2019 (07): 183-184.

［5］王小雨. 機械振打器活塞桿的沖擊應力分析及動態應變測量[D].武漢工程大學, 2011.

Common Problems and Analysis of Ash Cleaning Device of Shell Gasifier

(Henan Longyu Coal Chemical Co., Ltd., Yongcheng Henan 476600, China)

The working principle of rapper of Shell gasifier ash cleaning device was analyzed, as well as the influence of common faults of rapper on gasifier operation, common problems were discussed, and some experience was summarized, so as to ensure stable and long-term operation of gasifier.

Shell gasifier; Rapper; Bar; Chopping board

2021-08-18

王欽華（1987-），男，河南省蘭考縣人，助理工程師，2016年畢業于中國石油學校機電一體化專業，研究方向：殼牌煤氣化裝置設備管理工作。

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1004-0935（2021）11-1725-03