气化炉激冷环结构改进

孙嫩霞

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封 475002)

国内首套年产300kt/a合成氨HT-L粉煤加压气化炉装置，于2012年10月在河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司(以下简称河南晋开集团二公司)投产。该装置采用的粉煤加压气化技术是由北京航天工程公司在借鉴德国GSP、美国TEXACO煤气化工艺的先进技术后自主研发的，配置了自主研发的顶置式烧嘴和盘管式水冷壁，形成了一套结构简单、有效实用的煤气化技术。HT-L粉煤加压气化炉是一种气流床下行激冷的气化炉，采用了很多核心技术，其中，激冷环是气化炉的核心部件，其运行工况直接影响到气化炉乃至整套装置的稳定运行。河南晋开集团二分公司有HT-L粉煤加压气化炉装置4套，从2012年10月开车以来，一直在探索实现气化炉长周期运行的方法，根据实际运行中出现的一些问题，将激冷环结构进行了改进。

1 激冷室内的结构及介质流程

图1 HT-L气化炉

HT-L粉煤加压气化炉主要由壳体和内筒两部分构成。壳体承受工作时的压力，内筒与壳体之间有保护气层，内筒仅承受微小压差。内筒上部为圆筒盘管型燃烧室，下部为激冷室(见图1)。激冷室内有激冷环、下降管、上升管和渣水分离挡板等主要部件。燃烧室与激冷室之间通过渣口相连通，渣口下面安装着激冷环，激冷环下部连接着下降管，下降管的下端深入到激冷室的正常液位以下。下降管的外面是上升管，上升管与下降管同心，两者之间形成宽度200mm的环隙。

煤粉及氧气在燃烧室反应，出燃烧室的1 300℃高温合成气和液态熔渣通过渣口进入激冷环和下降管，与激冷环和下降管内壁覆盖着的激冷水膜之间进行迅速复杂的传热传质过程。高温合成气和液态熔渣的温度迅速降低，激冷水膜的温度迅速升高，并有部分激冷水迅速蒸发进入到合成气中。合成气和液态熔渣沿激冷环和下降管下行进入激冷室的正常液面以下，合成气经过水浴冷却、洗净分离后，通过下降管和上升管之间的环隙上行，从合成气出口离开气化炉。液态熔渣被激冷固化后经过破渣机，最终从捞渣机排出。

激冷环和下降管内气、液、固三相间的传热传质和流动过程非常复杂且迅速。在离开燃烧室渣口后向下0.8m的范围内，合成气温度变化的梯度最大，合成气与激冷水之间的热交换负荷量最大，激冷环在该区域所承受的热应力也最大，激冷水蒸发量较大，激冷环内壁的水膜相对较薄，因而在这一区段比较容易发生激冷环因过热而鼓包、变形甚至烧穿的现象。激冷室的关键部件就是激冷环，激冷环的使用寿命直接影响了气化炉的运行周期。

2 激冷环的构造

激冷环由水环管、上半环管、唇环、下半环管和内环管、布水环、环板、下降短管和激冷水进水管组成，水环管、上半环管、唇环、下半环管、内环管组成激冷水分布室，下半环管与布水环焊接成一体，内环管与下降短管焊接在一起，布水环与下降短管之间形成激冷液环隙，在此环隙的布水环的内壁侧焊有均匀分布的旋流板。

下半环管上开有62个斜向下的激冷水喷淋孔(φ8)。激冷水经过激冷水泵加压到5.0MPa，从4个DN100接管进入激冷水分布室的前室，然后通过下降短管上部与上半环管之间环向间隙和内环管进入激冷水分布室的后室。大部分的激冷水沿布水环与下降短管之间环隙均匀流下，在下降管管壁形成均匀水膜，将高温气体与下降管隔开，以保护下降管，少部分激冷水经过62个φ8的喷淋孔喷出。激冷水与来自渣口的高温粗合成气混合，强化热质传递，实现合成气的洗涤、降温、增湿的作用。

由于激冷环在高温环境中使用，除法兰、接管、内环管、环板、下降管采用316L不锈钢外，其他部件均采用INCOLOY825材料。

3 激冷环的使用情况

3.1 激冷环运行工况

HT-L气化炉以粉煤为原料，燃烧室操作压力为4.0MPa；燃烧室操作温度为1 300～1 400℃；粉煤投入量54t/h；激冷水系统操作压力5.0MPa； 激冷水操作温度为221℃； 激冷水流量为350～450m3/h；合成气的主要成分有H2、CO、CO2、CH4、H2S等；排放熔渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MaO等。

3.2 激冷环使用状况

激冷环的使用工况很恶劣，从燃烧室来的1 300℃左右的高温粗合成气夹带大量熔融灰渣从激冷环穿过，在短时间和短距离内温度降到220℃左右，高温气体的炙热烘烤、温度的急剧变化加上熔渣的冲刷，要求激冷环与高温气体和熔渣接触的工作表面上必须均匀覆盖一定厚度的激冷水膜，把激冷环与高温气体和熔渣隔离开，才能使激冷环正常工作，否则就会使激冷环的使用寿命受到很大影响。

晋开HT-L气化炉运行以来，多次发生因激冷环损坏导致装置停车的情况。最严重的一次是在2017年5月，运行中的A气化炉壳体中部突然出现明火，A套装置紧急停车。判断是激冷环堵塞断水，过热烧穿，高温合成气穿过激冷环直接烧穿气化炉壳体。检修过程中发现，激冷环环隙和激冷环内部堵塞严重，一根激冷水进水管被渣全部堵塞，渣口法兰面和激冷环法兰面严重烧损，部分渣水分离挡板烧坏，激冷环的下降短管多处鼓包烧穿， HT-L气化炉壳体中部局部严重鼓包开裂，焊缝口撕裂。这次事故导致A套气化炉装置停车检修32d，损失巨大。

4 激冷环损坏表现形式及原因分析

4.1 激冷环主要损坏形式

河南晋开集团二分公司4台HT-L气化炉激冷环损坏的主要原因是布水环被过烧熔化甚至形成缺口、下半环管被过烧开裂甚至变形、下降短管鼓包变形甚至烧穿。

4.2 激冷环损坏原因

4.2.1激冷环内部堵渣

根据激冷环的工作原理和现场的损坏情况分析，激冷环损坏的主要原因是由于激冷环内部堵渣和激冷环环隙局部堵渣，引起激冷环环隙局部断水无水膜，激冷环直接与高温合成气及熔渣接触，致使激冷环高温过热变形，而这种变形加剧了激冷水分布不均，激冷环变形进一步加剧，最终出现鼓起、凹陷、裂纹、烧损，导致激冷环损坏。同时，高温合成气及熔渣对激冷环的直接冲刷也降低激冷环的使用寿命。

4.2.2激冷环环隙变形

环隙变形的主要原因如下：在激冷水分布不均匀及热应力的长期作用下，金属材料会发生变形，环隙局部变大，也有局部变小，导致不能在下降管形成均匀连续的水膜。

4.2.3激冷环喷淋孔堵塞

在检修过程中发现，喷淋孔堵塞的现象很普遍，基本上每次检修，三分之二以上的喷淋孔都被堵塞。激冷水在进入气化炉之前经过激冷水过滤器，过滤器中安装一层多孔板过滤激冷水，多孔板上均匀分布着φ6mm的孔。φ8mm喷淋孔在正常情况下是不会堵塞的，但由于前期多孔板的设计厚度只有3mm偏薄，在激冷水压差的作用下容易变形，使激冷水中的固体颗粒从多孔板变形处滑过，进入激冷环堵塞喷淋孔。根据这种情况，把多孔板厚度增加到12mm，使激冷环喷淋孔堵塞得到改善，同时也减轻了激冷环的堵塞情况。

激冷水本身含有一些细小固体颗粒，这些细小固体颗粒会在管壁堆积结垢，在垢片脱落的情况下也会堵塞喷淋孔。每次检修时，都应对激冷水管内壁进行清理清洗。

5 改进激冷环

5.1 激冷环改进的思路

激冷环4个进水管与激冷环中心线呈45°，沿圆周均匀分布，激冷水进入激冷环，沿激冷环圆周方向流动，同时通过下降短管上部与上半环管的间隙、布水环与下降短管的环隙，沿下降短管向下流动形成激冷水膜。在气化炉的多次检修中发现，激冷环的堵渣先从激冷水分布室和环隙中堵渣开始，严重时，激冷环内局部被渣堵死后，激冷水进水管内也堵满了渣。激冷水在激冷环中流速偏低，容易造成激冷水中垢片和颗粒的沉积，堵塞激冷环。因此，通过提高激冷水在激冷环中的流速，减少激冷水中垢片和颗粒的沉积，降低激冷环的堵塞现象，可以延长激冷环的使用寿命。

5.2 激冷环结构改进

把原来激冷环4个进水口全部改为与激冷环中心线呈90°、沿激冷环圆周切线方向进水(见图2)，切向进水可以使激冷水沿切向方向进入分布室。激冷水在切向力的作用下产生切向加速度，切向加速度的方向与线速度的方向相同，激冷水的线速度增大，激冷水流速加快，在激冷环内快速旋转流动，有效减少了激冷水在分布室内的沉淀和积渣，还可以将一些水垢冲刷、碰撞成小颗粒排除，通过环隙后在下降短管内壁形成旋转向下的水膜，旋转水膜还可以弥补因激冷环环隙受损后引起的水膜分布不均的危害。

安装切向进水激冷环后，可以利用原激冷水进水管，把与激冷环进水口连接处局部重新配管，焊接时要采用氩弧焊打底，保证进水管内壁光滑。

图2 改进前后激冷环局部剖面示意

5.3 改进后激冷环使用情况

2018年3月27日，在D套HT-L气化炉上第一次试用切向进水激冷环，至2018年11月7日停炉检修时检查激冷环，环隙处有两段轻微堵渣，分别长约40mm和130mm，堵渣较疏松，很容易清理。在激冷环背部挖开一个100mm×60mm的方孔检查，只有少量垢片沉积，无堵渣现象。改造前，在炉子运行6个月停炉检修时，激冷环内已结垢堵渣如石块，只能更换激冷环或大面积挖开激冷环进行清理。对激冷环简单清理后，D炉继续运行至2019年5月，检查激冷环，基本无堵渣，继续投入运行，至今运行良好。根据D炉切向进水激冷环的运行情况，目前，另外ABC 3台HT-L气化炉已经全部使用切向进水激冷环，最长运行周期302d。

6 结语

在气化炉的各主要部件中，除了气化炉烧嘴外，激冷环对气化炉运行周期影响最大。更换烧嘴所需时间少，且不需要气化炉彻底降温，但更换激冷环则非常复杂，要求气化炉彻底降温、气化炉下部破渣机推开，并要清理、清洗激冷室，需进入激冷室内部进行拆卸和回装，检修恢复时间长。所以，激冷环的使用寿命对气化炉的稳定运行有很大影响。 从近一年多运行情况来看，改造后的激冷环使用效果良好，气化炉运行周期从6个月延长到了10个月，停炉检查时发现，激冷环只有轻微堵渣，清理后可以继续投入运行，下降管完好无变形。