水煤浆气化炉常见问题及对策

张 路，王俊杰

(兖矿化工有限公司, 山东邹城 273500)

水煤浆气化工艺是美国德士古石油公司在重油气化的基础上发展起来的，于20世纪80年代投入工业化生产，成为具有代表性的第二代煤气化技术[1]。该技术是将煤炭与一定量的添加剂在研磨机中水磨，获得类似油浆的悬浮液体，然后与氧气在加压和高温的气化炉内进行燃烧反应制得合成气[2]。水煤浆气化技术的特点包括煤种适应性广；气化炉结构简单，湿法加料，液态排渣；工艺简化，操作灵活，调荷方便，生产连续性较强；控制系统先进可靠；生产能力强，适合大型化和经济规模的需要。

兖矿国宏化工有限公司是以高硫煤为原料生产醇烃酯类绿色产品的大型煤化工企业，采用德士古水煤浆气化、低温甲醇洗煤气净化、中压合成甲醇和三级克劳斯硫回收等先进技术工艺。每年可消耗高硫煤70万t，年产甲醇50万t。运行初期,水煤浆气化装置暴露出诸多问题，严重影响了系统的安全稳定长周期生产。

1 黑水管线磨损

黑水管线磨损是水煤浆气化最常见问题，特别是锁斗冲洗水泵出口管线弯头及入炉三通附近管道的冲刷腐蚀尤为突出。在气化炉运行初期，出现锁斗泵出口管线漏点停车事故10余次，漏点位置集中在管道弯头、三通及其附近，在线处理漏点难度大。每次出现气化炉都要停车，对漏点补焊或更换管段，给安全生产、效益运行带来较大隐患。公司利用气化炉系统检修的机会，将该管线弯头、三通及其附近管道全部更换，但运行一段时间(不到0.5 a)后，这些位置再次磨漏、穿孔。

经过对割下的弯头、三通及其前后部分管线仔细观察，发现磨损严重的部位全都位于弯头、三通及其后约20 cm直管段位置，磨损部位的管道内壁凹凸不平，出现大大小小的冲击坑。

分析认为，煤浆中细小夹矸(主要成分为SiO2，硬度高)的微切削、犁沟和刺入方式引起管道冲刷、侵蚀是造成管道破坏的主要原因，尤其在湍流场合，即弯头、三通附近，磨损和冲刷现象更为突出。当流体流经管道转弯处，由于弯曲管壁的导流作用，弯头处流线呈曲线运行，在离心力的作用下，弯曲管道内外侧的流体流速发生变化，使黑水向外侧集中，导致弯头出口外侧流速大、内侧流速小。最终，冲刷腐蚀在弯头、三通出口外侧非常严重，这就是锁斗循环管线弯头、三通频繁出现穿孔的原因。而黑水中SO2、H2等物质的化学作用又加速了管道内壁的侵蚀。

经过分析，认为应从材料、结构、工艺和设备管理等多方面制定解决措施。

(1)升级“肘”部(管道弯头、三通附近的比喻性称谓)材料，提高弯头、三通及其后直管段材料的厚度[3]。

(2)提高管道强度。比如对管道易损部位堆焊，采用厚壁管、耐磨管，以及对管道内壁进行渗硼、渗氮、衬陶瓷等处理。另外，某些双相不锈钢因较强的加工硬化能力而具有优良的抗冲蚀性能，可以考虑用做弯头、三通后的直管道材料。可针对直管段制作专门的夹具进行在线处理；对于弯头、三通处等不方便用夹具在线处理的位置可考虑使用打水泥混凝土的方法。

(3)调整“肘”部尺寸。使用大半径弯头，增大“肘”部的流通直径，以降低流速。

(4)调控工艺参数。适当降低液固两相流的流速可以减缓或消除流体对“肘”部的冲蚀，不过调整余地较小，收效不大。

(5)净化黑水水质。选用优质煤炭，降低煤浆灰分进而减少细小夹矸，将煤浆灰分列为重点控制工艺指标。

(6)加强设备管理，对弯头、三通附近管道一有机会就检查其壁厚，要事先准备好厚壁弯头、衬陶瓷管等备件，做到计划检修、机会检修和预防性检修相结合。

(7)在保证环保的前提下，适当加大水系统置换量，降低黑水中含固量(小于1 500 mg/L)。

2 烧嘴头部损坏

烧嘴是水煤浆气化炉的核心设备，整套装置的大部分技术、经济指标都与烧嘴有关，其性能的好坏、使用寿命的长短直接影响整个装置的运行质量。

烧嘴运行中常出现的问题有：(1)烧嘴使用后期会出现煤浆喷头磨损大、雾化效果差等问题，从而导致气化反应工况变差、碳转化率下降、渣中残碳升高，有效气成分降低等情况，总之就是同样负荷下粗煤气产量降低。烧嘴磨损后还会引起煤浆偏流、耐火砖寿命降低现象。(2)烧嘴外氧喷头水室龟裂、烧蚀、磨损严重会导致气化炉内高压气体窜入烧嘴冷却水系统，导致气化炉跳车甚至并联运行的气化炉跳车。(3)烧嘴冷却水盘管外部有大量积渣，导致烧嘴拆卸时冷却水盘管拉长拉坏。

解决措施如下:

(1)烧嘴外氧喷头龟裂是高温热辐射、冲刷造成的结果，与工艺操作有较大关系[4]。建议选择挥发分不要太高的合适煤种，保证炉内回流区温度不致过高。根据煤种、负荷优化调整中心氧流量(使用本地高硫煤时，一般控制中心氧流量占氧气总量的13%～15%)，以保证较好的雾化效果，防止高温热区上移，避免局部过氧烧蚀烧嘴外氧喷头。

(2)使用氧化铝浇注料对烧嘴头部盘管部位进行保护，既减少了烧嘴的高温腐蚀，又能使烧嘴室形成相对密闭空间，可有效防止气化炉内灰渣进入烧嘴室，方便拆卸烧嘴。氧化铝浇注料具有耐腐蚀、耐高温、易成型，以及喷嘴拆卸时易清理的特性，根据烧嘴头部盘管尺寸制作模具，整体浇筑一次成型。

(3)采用特殊的耐高温、耐冲刷的陶瓷内套，镶嵌在烧嘴的头部。针对外氧喷头端面的强化处理工艺研发喷涂技术，改善外氧喷头端面大面积龟裂的现象。

(4)经验表明，气化炉连投操作对烧嘴的影响非常大，尽量减少气化炉开停车次数，尤其是气化炉的连投次数，以减少烧嘴受到的冲击次数。

(5)保证烧嘴加工精度、焊接质量、机械加工精度，严格焊后热处理，以保证烧嘴的强度、硬度、耐高温、耐冲刷、耐磨损等各项力学性能。

(6)对烧嘴冷却水系统优化改造。适当加粗烧嘴冷却水泵入口管线，增大泵的汽蚀余量，防止汽蚀，保证流量；将烧嘴冷却水泵出口母管改造扩容，增加其缓冲能力，有效吸收高温气体，进而保证气化炉烧嘴冷却水盘管即使泄漏也不会影响其他气化炉的正常运行；每次气化炉停车检修时要检查烧嘴冷却水上水管线单向阀，防止阀头脱落。

3 气化炉炉口法兰泄漏

气化炉产生的水煤气含水量大，任何与水煤气接触且温度低于其露点温度的物体表面，都会形成液膜，而当液膜呈酸性时，会对物体表面造成严重腐蚀。对于水煤浆气化过程来讲，水煤气露点温度大约为205 ℃。特别是单喷嘴气化炉，炉口法兰位置在气化炉顶部，而产生的气体向气化炉底部运行，通过激冷环、下降管、上升管后从气化炉的中部出气化炉，造成气化炉炉口部分水煤气不流通。再加上烧嘴冷却水盘管的冷却作用，一般炉口温度为170 ℃左右，低于水煤气的露点温度，因此，炉口法兰密封面存在露点腐蚀。

由于气化炉炉口法兰材质多为SA387Gr11CL2，该材质不能有效防止露点腐蚀，因此需要在此母材的基础上进一步加工，即对炉口法兰进行车削后加温处理，选用E309MoL-16焊条进行过渡层焊接，然后采用E347-16焊条进行堆焊。E347-16焊条材料可以有效解决露点腐蚀带来的侵害，堆焊完成后可通过加热消除应力[5]。步骤如下：

(1)对炉口法兰密封面进行现场车削，其深度为4 mm。

(2)对炉口法兰整体加温至300～400 ℃，然后整体冷却到100～150 ℃后用E309MoL-16焊条进行过渡层焊接，焊层厚度约为2 mm。

(3)对过渡层进行应力消除处理，即加热至300～400 ℃后保温2～3 h。

(4)采用E347-16焊条进行堆焊，焊层厚度约为4 mm。

(5)按照图纸尺寸对炉口进行重新现场车削加工。

改造前，气化炉炉口运行20 d，就会出现漏点，随着运行周期的延长，泄漏量逐渐增多，严重时气化炉被迫停车。炉口密封面多处出现侵蚀的麻点和凹沟，为系统的长周期运行带来极大安全隐患。改造后，经过长周期运行实践检验，未出现炉口泄漏，正常停车后检查炉口密封面也未发现侵蚀的麻点和凹沟。

4 气化炉液位计损坏

液位计的可靠性直接影响气化炉的安全运行，是十分重要的控制仪表。某公司气化炉激冷室、碳洗塔液位计均采用双法兰加厚膜片和耐真空、高温氟油、镀金变送器。在前期使用中，每次开停车过程中都出现损坏测量膜盒的情况，导致液位计测量不准,对气化炉安全运行带来极大隐患。

分析认为，造成液位计指示不准的原因如下：

(1)脏堵。粗煤气和熔融态灰渣进入激冷室的水浴中，其中含有大量灰渣等介质，长期在液位计下法兰取压管路及测量膜盒表面沉积，致使测量失准。

(2)膜盒冲蚀。为减少脏堵的影响，气化炉液位计设计时将下法兰取压管路倾斜45°，并增加冲洗水。由于冲洗水压力较高，冲洗水接头喷出的高压水柱对膜盒表面产生切割，轻者出现线状凹痕，重者将膜盒割裂开，造成膜盒漏油报废。

(3)膜盒腐蚀。膜盒材质一般为316不锈钢。不锈钢耐腐蚀性能好是由于在其表面形成一层钝化膜，该钝化膜的形成是不锈钢与氧反应或与其他含氧环境接触的结果。如果钝化膜被破坏，不锈钢将被继续腐蚀。由于高压冲洗水的切割及黑水中固体颗粒的冲蚀，加上激冷水中含有氯离子，在240 ℃左右高温下膜盒表面常产生无规律点蚀，以致出现膜盒漏油现象[6]。

为防止气化炉液位计损坏，在液位计取压根部阀后增加平衡筒,可有效降低冲洗水压力，长期连续投用可使测量膜盒接液部分变得清洁；同时接液部分温度明显降低(激冷室内液体温度约为240 ℃，冲洗水温度约为130 ℃)，使膜盒内氟油工作温度相对较低。此措施一定程度上降低了含氯液体对膜盒的腐蚀，可有效缓解接头部分的静密封点泄漏。

5 结语

兖矿国宏化工德士古水煤浆气化炉在解决了气化炉黑水管线磨损、烧嘴头部龟裂磨蚀、炉口法兰点蚀泄漏、液位计损坏指示不准等问题后，运行周期已由原来的50 d左右延长至目前的90 d以上，实现较长周期的安全稳定运行。