耐磨材料在BGL气化炉高压含尘煤气水、激冷渣水系统的实用性探讨

崔书明

（中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017317）

中煤鄂尔多斯能源化工有限公司（简称鄂能化公司）成立于2011年，建设和运营的图克化肥项目（简称中煤图克项目）是中煤集团实施战略转型、打造蒙陕能源化工基地、建设一流煤化工企业的示范项目，项目设计年产200万t合成氨、350万t尿素、20万t液化天然气，总投资200亿元。已建成投产的一期项目设计年产100万t合成氨、171.6万t尿素，于2014年2月1日打通全流程，截至目前中煤图克项目保持满负荷、稳定运行，产能达到设计产能的105%。2018年中煤图克项目全年生产尿素185.5万t、液氨108.2万t、液化甲烷11.6万t，主、副产品全部超产，利润较好。

中煤图克项目一期建设10台气化炉，采用BGL碎煤熔渣气化技术，具有气化强度高、蒸汽消耗低、能量利用率高、产生废水少等特点。当前气化炉产气量已经达到设计能力，单炉连续稳定运行最长周期达到272 d。但在气化炉运行初期，高压含尘煤气水、激冷渣水系统出现了设备、阀门、管道及管件等磨损、泄漏的问题，现对问题原因进行分析，并介绍鄂能化公司进行的相关改造探索、实践及效果，以供参考交流。

1 煤气水、激冷渣水系统特点和问题分析

1.1 高压含尘煤气水、激冷渣水的产生

气化炉中的原料煤在1 700℃、4.0 MPa条件下与蒸汽和氧气发生氧化还原反应，生成以H2和CO为主要成分的粗煤气。575℃、4.0 MPa（G）的粗煤气进入洗涤冷却器内，被洗涤水激冷，脱除粉尘、焦油、酚、氨等部分杂质。190℃、3.95 MPa（G）的气、水混合物共同进入废热锅炉，回收粗煤气中的大量显热和潜热。粗煤气和煤气水在废热锅炉中进行气液分离，分离出的液体被收集在积液槽中，其中大部分的煤气水和积液槽上部的轻油由洗涤水循环泵加压后循环使用，其余少部分煤气水（约42.14 t/h）由积液槽液位调节阀LIC8095控制，送入高压含尘煤气水总管。

气化炉燃烧产生的液态熔渣在连接短节和激冷室中被激冷循环水淬冷，爆裂破碎为粒径3 mm的固态渣，间断排入渣沟。为降低热熔渣导致的激冷室高温，在激冷室中部设计激冷水循环，激冷水进入冷却器，被冷却至40℃后经泵加压，约302 m3/h的水量被送至连接短节和激冷室循环利用，连接短节和激冷室液位由激冷室补水液位调节阀LI3100和排水液位调节阀LV3100-01动态调整控制。

1.2 存在的问题及原因分析

在气化炉排渣周期的末期，介质中的渣含量显著增加，不论是循环利用或外排至渣水，都会造成设备、阀门、管道管件严重磨损。同样，高速流动的粗煤气夹带大量细小尘粒和焦油，这些含尘的煤气水循环洗涤和排放，造成设备底部、介质管道经常发生堵塞和磨损。磨损泄漏是前期制约项目长周期运行的主要原因之一。

除介质中颗粒物多外，工艺压差大也是造成设备管件磨损的主要原因。含尘煤气水操作压力4.0 MPa，经积液槽液位调节阀LV8095减压后去煤气水分离装置，压力骤降至0.2 MPa；激冷渣水管线中含有大量细小炉渣，操作压力为4.0 MPa，经LV3100-01减压至常压后排放。压差增大会形成高流速介质，压力骤降也会闪蒸出部分溶于液相介质中的CO2、H2S气体，形成弱酸性的固、液、气混合介质，工艺情况复杂。

由于水相介质的特殊性，容易在管线弯头、机泵变径处形成固定磨损区，在阀门附近出现偏流冲刷，造成管线、阀门磨损，发生泄漏，项目前期上述管线泄漏问题成为气化炉停车的一个常见原因，制约了生产的稳定运行，并对现场环境造成极大污染。采用常规的溶剂型防腐涂层很难适应其工况，因而需要在弯头、阀门位置使用耐磨铸造件，来减少磨损泄漏。

2 煤气水、渣水系统改造探索

2.1 第一阶段改造探索：普通碳钢增厚

高压含尘煤气水、激冷渣水系统原设计材料为符合GB 9948—2006标准的无缝钢管材，管道全部采用8 mm厚度的优质碳素钢20#，实际使用中管道的直筒部分可以满足生产需求，弯头部分在使用60 d左右壁厚减少5 mm～6 mm，磨损远超腐蚀裕量，装置保持连续运行时，更换难度大、经济效益差，且有安全风险。鄂能化公司尝试在易发生磨损的位置外部堆焊钢板，使易损部位厚度增大，延长弯头使用时间，但厚度增加并不能改变钢材本身的硬度、韧性和耐腐蚀性，反而在增厚后，与原管道焊接处常出现泄漏，所以单一的增厚并不能满足生产需要。

2.2 第二阶段改造探索：耐磨材料的应用和对比

鄂能化公司通过更换耐磨材料来降低高压含尘煤气水、激冷渣水系统的磨损，经试用高锰和高铬耐磨材料后，发现高铬钢铸件在磨料磨损和冲击磨损方面更适应BGL气化炉的高压含尘煤气水、激冷渣水系统。

高铬钢铸件中的高硬度马氏体基体可有力地支承碳化物颗粒，避免工作过程中碳化物从磨损表面脱落，保证材料的高抗磨性。高铬钢铸件还大大削弱了高硬度相的脆化作用，相对而言有较好的韧性。高锰钢具有良好的塑性和冲击韧性，在外力冲击下，表面产生硬化层，已硬化的表面层被磨损以后，又出现新的表面层，继续被加工硬化，因此高锰钢铸件具有高的表面耐磨性[1]。

两种材料都具有可焊性好、易切割、高耐冲击性和耐磨性的特点。前期改造中使用高锰钢铸件弯头，运行60 d后平均壁厚减少0.5 mm～1.5 mm，运行200 d后发现其内表面平整度下降，有细微的沟和凹陷，部分带尘、含渣量大的气化炉煤气水、激冷渣水系统弯头多次出现沙眼磨损，为避免泄漏，大部分弯头进行了更换。4#气化炉改造时选择了高铬钢铸件弯头，在实际运行中发现壁厚磨损量均小于1 mm，且内表面平整度优于高锰钢铸件。

高铬合金耐磨件设计使用寿命不少于24个月，经技术改造将激冷水循环泵P1201、洗涤循环泵P1204偏心异径管更换为非标耐磨的偏心异径管，且两端由法兰连接，方便更换。将粗煤气洗涤冷却器B1206和激冷水气液分离器F1206设备连接弯头、煤气水反冲洗弯头、激冷室与渣锁均压管线弯头、煤气水单炉三通、积液槽出口切断阀YV8090、LV8095、连接短接等共计14处易损部位更换耐磨件后，泄漏率明显下降。

2.3 仪表阀门的技术改造

针对含尘煤气水、渣水系统压力阀门前后压差大的问题，经技术改造，将LV8095排水管线和YV8090排水管线汇合处的管径由DN100扩大到DN300，压力得到缓释，磨损程度降低，且不易在连接或弯头处形成固定的冲刷区，放大管与3根煤气水管线采用法兰连接，方便更换，其改造与LV3100-01后扩管改造原理相同。

原设计仪表阀门的材质为不锈钢，在恶劣环境下易泄漏、扭矩大、密封面耐腐蚀性差，生产过程中经常发生阀门内漏现象，多数表现为阀芯冲刷间隙变大，频繁更换经济效益差。后将YV8090、LV8095和LV3100-01更换为带高铬合金内套或增加耐磨环，使阀门具有良好的自洁性、自润滑性和耐磨耐腐蚀性。

3 改造前后运行效果对比

中煤图克项目各气化炉更换改造时间不同，选取2015年3月至2019年7月3台气化炉因含尘煤气水、渣水管线磨损导致的泄漏停车情况进行对比。

1#气化炉停车3次：（1）2015年6月3日B1206高压煤气水管线三通泄漏停车；（2）2015年8月31日进B1206高压煤气水管线弯头泄漏停车；（3）2016年6月24日进B1206高压煤气水管线三通磨损破裂停车。更换耐磨件后至今未发生上述管线泄漏导致的停车，含尘煤气水、渣水管线也未发生泄漏。

2#气化炉停车1次：2015年3月14日B1206含尘煤气水前球阀三通泄漏停车，更换耐磨件后至今未发生泄漏。

3#气化炉停车2次：（1）2016年1月3日P1204泄漏停车；（2）2016年6月16日激冷室入口孔板后渣水泄漏停车。更换耐磨件后至今未发生泄漏。

鄂能化公司通过更换耐磨件、扩大管径改造，并经过两年多现场试用，发现管径改造能有效降低节流点压差，降低介质流速，减少磨损。高铬合金耐磨材料比较适合用于含尘煤气水和渣水等含有固体颗粒物的介质管道，且能满足BGL气化炉生产需要，运行稳定，项目实用性好。

4 铬系铸铁材料的应用拓展及新型材料的应用探索

4.1 铬系铸铁材料的应用拓展

高铬铸铁系材料根据铬含量及其特点大致可分为3类：第一类铬系白口铸铁，具有良好的耐高温性能，这种合金除具有一定的耐磨性外，在温度≤1 050℃的条件下工作，具有良好的抗氧化性能；第二类铬系白口铸铁，当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能良好；第三类低铬合金白口铸铁，与普通白口铸铁相比，这种铸铁中碳化物的稳定性更好[2]。

生产实践中，应根据其各自特点，应用在不同装置部位，以达到减少磨损的效果。

（1）洗涤冷却器、激冷室、渣锁内件

气化炉洗涤冷却器内介质为高温、高速流动的粗煤气和含尘煤气水，不论哪种介质，对内件的磨损都比较大，适合采用第一类铬系材料。

BGL气化炉激冷室、渣锁因闪蒸出溶解的H2S和CO2气体，呈现酸性，pH值在5.0～6.5，运行一段时间后，设备内部可见气孔性腐蚀，而浸没在渣锁、激冷室内的烟气罩、激冷环管等内件因腐蚀更换频率高，渣锁上、下阀使用一段时间后，密封效果差，若使用高铬铸铁系材料增加其抗腐蚀性，可延长其使用寿命。

（2）含尘煤气水介质的上、下游工段设备

含尘煤气水介质在气化、煤气水分离、变换冷却3个工段内反复洗涤、分离，完成一个循环，由于其含尘量大，上、下游均发生过磨损泄漏，尤其是煤气水分离工段的煤气水喷射泵P1708和P1204泵壳更换频繁，预计更换使用耐磨材料后可以得到改善，且根据其工况特点适合采用第二类铬系铸铁材料。

（3）输煤、输渣装置等一般磨损部位

第三类低铬合金白口铸铁适用于输煤环节的筛网、溜槽，气化炉受煤连接处、落渣管等一般磨损部位，因其市场价格不高，既可以增强装置耐磨性，也不需过多的投入。

4.2 新材料的应用探索

纳米陶瓷材料的结构与常规材料相比，发生了很大变化，颗粒组元细小到纳米数量级，界面组元大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大为提高[3]，此类材料也可作为高压含尘煤气水、激冷渣水系统的耐磨材料，是减少磨损的一种途径。此外起着软性保护的纳米涂料在防护领域也起着重要的作用，在恶劣环境中应用纳米陶瓷涂料，可在一定程度上延长设备和管道使用寿命，节约运行成本。