分段式气化炉设计制造技术探讨

（西安核设备有限公司，西安 710021）

化工企业的废料中含有多种有毒，有害物质，若不经过妥善处理直接排放到环境中会产生污染。将化工企业的废弃物加以合理利用和回收变废为宝，进行资源的二次开发是目前许多化工基地的重要生产环节。利用气化技术将废料处理后，进行资源的循环、利用、回收，对环境保护和降低生产成本有着重要的现实意义和工程价值。气化技术是利用蒸汽/氧气作为气化介质在高温下和工业废料反应制造煤气的自热过程，在此过程中，废料主要转化成H2、CO 和H2S 以及一些易脱除的杂质气体，这些气体可用于高效发电以及生产下游的化工原料。气化炉是各种气化技术的核心设备，它的制造技术直接影响气化转化的效率，应予以重视。本文以我公司承揽的一台气化炉为例，阐述分析了气化炉选材、结构设计以及关键工艺的控制要点与难点。

1 设备的结构特点及功能简介

该设备主要由气化室、激冷环、激冷室三部分组成，为法兰连接分段式结构。该结构便于易损件激冷环的更换，同时避免了整体式气化炉中Y 形锻件的制造、加工、装配的困难。气化炉上部为气化室，下部为激冷室，中间夹持激冷环。气化室内筑有三层耐火砖，内层耐火砖主要耐高温冲刷，中层起支撑作用支撑拱顶，外层起绝热作用减少热量散失。气化室上部顶凸缘法兰装配喷嘴用于加热反应物料进行气化反应。激冷室包括下降筒、上升筒、连接件等部件。气化炉主体结构见图1 所示。从燃烧室出来的工艺气体夹带燃烧后的灰渣，经过激冷环和下降筒，被激冷水降温、洗涤、除渣。然后通过水封由上升筒与下降筒之间的通道进入激冷室下部的水中进行水浴，废渣冷却结块从激冷室底部排出，粗煤气通过下降筒与上升筒之间的环隙上升，在激冷室上部进行气、水初步分离后，从气体出口排出[1]。气化炉技术参数见表1。

2 设计

2.1 腐蚀机理分析

气化反应得到的粗煤气除了CO、H2、H2O 外还含有少量的H2S、C2O 等杂质气体。影响设备腐蚀的主要因素就是H2S 和H2这两种介质。其中H2S 在有水存在的情况下形成了湿硫化氢腐蚀环境，而H2则容易引起氢腐蚀。

湿H2S 腐蚀主要引起硫化氢应力腐蚀开裂和氢致开裂。因为湿H2S 腐蚀产生的氢原子渗入钢的内部固溶于晶格中，使钢的脆性增加，在拉应力或残余应力的共同作用下形成了硫化氢应力腐蚀开裂。如果氢原子向钢中渗透，在钢中某些关键部位聚集形成氢分子，随氢分子数量的增多，压力增大，形成氢鼓泡，当氢分子继续聚集，氢压力持续增大，钢内部不同层面或邻近金属表面的氢鼓泡相互连接而成的开裂称之为氢致开裂。氢致开裂的裂纹与钢内部夹杂物或合金元素的微观组织有关。通过降低钢材中的杂质含量以及对设备进行焊后热处理可以提高钢材抗硫化氢应力腐蚀及氢致开裂的能力[2]。

表1 主要技术参数Tab.1 Primal design parameters

影响氢腐蚀敏感性最关键的因素是钢材的化学成分、操作温度、暴露时间的氢分压和应力水平。金属材料因吸收氢而导致塑性降低，性能恶化的现象称为氢损伤。在高温条件下侵入钢中的氢和不稳定碳化物析出的碳起化学反应生成甲烷，导致钢材破裂形成氢腐蚀。因为氢腐蚀是由不稳定碳化物的分解造成的，所以在钢材中添加能形成稳定碳化物的元素，就可使碳的活性降低，减少和防止钢中甲烷的生成，从而提高钢材抗氢腐蚀能力[3]。

2.2 材料的选择

由于气化反应的高温高压及介质中H2及H2S 的腐蚀，材料选择的正确与否关系到整个气化反应能否正常进行。气化的反应温度在400℃左右，如果选择Q345R，极易造成钢材的氢腐蚀倾向导致设备整体失效。铬钼钢因含有强碳化物形成元素Cr、Mo、V 具有良好的热稳定性，阻止碳化物分解并对铁素体有固溶强化作用，从而改善钢材抗氢腐蚀的能力，其温度持久极限和蠕变极限较高，因此常用作高温抗氢钢以防止氢腐蚀。该设备气化室选择14Cr1MoR， 激冷室选择Q345R 正火材料堆焊S31603。湿H2S 腐蚀与焊接残余应力有关，属于延迟破坏。预防措施应减少热影响区的扩散氢含量，焊接时预热，保持层间温度、焊后消氢热处理避免焊缝中溶入氢。设备制造完成后进行整体热处理，尽可能地将氢驱除，可有效防止湿硫化氢应力腐蚀。

2.3 激冷室内件设计

激冷室内件主要有材质为00Cr17Ni14Mo2（316L），厚度8 mm 的上升筒与材质为Incoloy 825，厚度8 mm 的下降筒组成。Incoloy 825 合金具有耐高温和抗冲蚀的优良性能，适宜制作下降筒，但是价格昂贵，故只是在耐高温部件选用，而其他部件根据气化炉激冷室的特点选用316L，节约材料和制造成本。下降筒与激冷环短节焊接连接，作用是通过激冷环形成一层均匀的水膜，工艺气走下降筒内侧，从而起到激冷工艺气的作用。上升筒与激冷室壳体通过螺栓连接并可拆，作用是引导气流方向将激冷后的合成气引至激冷室液面上部，不至于气流鼓泡时对整个液面产生过大波动。下降筒与上升筒通过两组各8 块连接板连接，连接方式如图2 所示，连接板设计为长圆孔，可适当调节上升筒的位置。在设备运行过程中，因激冷环工况恶劣，长期受高温气体冲刷，使用寿命一般为2 ～ 3年，考虑方便激冷环的更换，所以该气化炉设计分为二段可拆式，气化和激冷两腔用法兰连接，中间夹持激冷环。这样设计便于拆卸更换易损件激冷环及下降筒。

图2 上升筒与下降筒连接结构Fig.2 Connecting structure of ascending cylinder and descending cylinder

3 设备制造的难点及重点

3.1 球封与筒体

球形封头半径为1 405 mm，缺高118 mm，壁厚27 mm。二拼一下料，整体热压成型。为保证封头与顶部凸缘法兰之间的同轴度及后续与筒体合拢时的整体同轴度，采取了二者相焊、热处理后加工密封面与螺栓孔及合拢处坡口等的工艺，且其焊缝采用全焊透的对接结构型式。

气化室筒体的成型、焊接是该设备制造的技术关键及难点。板材下料后，保证钢板的对边平行，按要求划线展开长尺寸，要求划线后钢板的对角线长度相等，偏差控制在2 mm 以内，用刨边机加工纵环焊缝坡口，考虑到筒体椭圆度需严格控制，成型过程中控制好进给量，不间断用样板检测筒节的曲率，确保不会过卷。

因激冷室筒体内表面需堆焊不锈钢覆层，为保证堆焊后筒体内径不变，在筒节卷制成形时，应严格控制各筒节的碾压圈数，控制其错边量，同时也应控制棱角度等相关要求。筒节环焊缝焊接完毕后再进行堆焊。为保证堆焊效果，对内表面进行了打砂处理。

气化炉壳体坡口型式设计为对接接头全焊透结构，如图3 所示。坡口加工完成后进行壳体组对焊接，焊前预热温度150 ～ 200℃，焊后应立即做325 ～ 375℃下保温2 h 消氢处理，内外部同时加热，热电偶点焊在焊缝上，且焊接过程必须是连续的，并要保证焊件温度维持预热温度并严格控制层间温度。如果在焊接过程中出现间歇或停止现象，焊件必须一直保持预热状态直到焊接结束。

3.2 气化室的整体加工

气化炉在运行过程中，如果顶部喷嘴出现严重偏喷，会对耐火砖造成烧蚀，严重时导致耐火砖大量脱落，造成窜气炉壁超温现象。因此保证顶部凸缘法兰公差要求非常关键。为保证设备顶部凸缘法兰与托砖盘的平行度与同轴度要求，需在筒体成型、零部件工艺留量、划线开孔定位、焊接变形控制、装配顺序及焊后精加工等方面进行详细工艺控制方案。

图3 壳体焊接结构详图Fig.3 Detailed drawing of shell welding structure

具体加工方式采用将设备顶封头组件、气化室壳体与托砖盘组件组焊后整体加工顶部凸缘法兰中心孔和密封面的型式。首先车封头中心孔前应以封头与筒体对接端面为基准，严格按照与筒体对接处外圆找正车中心孔，保证中心孔与封头轴心同轴。同时顶部凸缘法兰内径和密封面留机加量，气化室壳体、托砖盘组件等各件加工成品，在各组件组焊合拢时，严格控制合拢缝间隙，按机加工的坡口钝边为基准找正组对，焊接时对称施焊，以保证在合拢过程中不造成大的变形；然后利用数控镗床定位找正托砖盘底面，保证该面与镗床工作台垂直，与镗轴轴线平行，即保证托砖盘面0°、90°、180°、270°四点纵向坐标一致，找出托砖盘底孔圆心，镗床数据清零作为设备轴线零点，移动镗床至顶部凸缘法兰面，按托砖盘底面及底孔圆心为基准确定顶部凸缘法兰孔心及平面尺寸数据并记录；最后调整设备轴线与镗床镗轴轴线平行，根据记录数据确定加工基准，一次性装卡完成加工顶部凸缘法兰内孔、密封面、螺栓孔。通过严格的工艺控制保证了顶部凸缘法兰密封面与托砖盘底面平行，顶部凸缘法兰、气化室壳体、托砖盘同轴度满足要求，保证喷嘴安装后的公差要求，防止偏喷[4]。

3.3 热处理

铬钼钢容器在加工过程中会经历各种热处理，而热处理会对材料力学性能产生影响，试件是用来检验主体材料各项性能指标的元件，为保证材料的力学性能，铬钼钢制设备需要制作模拟焊后热处理试件。其作用是模拟试件在制造过程中将要经受的所有焊后热处理时间，包括焊后热处理、返修热处理、现场检修热处理等，所以提出了最小模拟焊后热处理和最大模拟焊后热处理时间。最大模拟焊后热处理包括焊后热处理、返修后热处理、现场检修热处理折算后累计的所有时间，最小模拟焊后热处理仅包括焊后热处理累计时间。模拟焊后热处理时间的选择与设备制造过程材料消应力热处理次数及材料的厚度有关，一般情况下最大模拟焊后热处理时间是最小模拟焊后热处理时间的3 倍。对于封头用钢板，由于封头在热加工成型过程中，其加热温度超过了钢板材料的正火温度，破坏了材料原有力学性能，因此必须进行恢复材料力学性能的热处理，所以封头用钢板的试件在模拟焊后热处理前，应先模拟封头的热成型和热处理过程。铬钼钢制压力容器制造过程中还应把握好“三热”，即焊前预热、后热（焊后消氢热处理）和最终焊后热处理。焊前对坡口进行预热，温度≥150 ℃，焊接过程中保持材料的层间温度150 ～ 250 ℃；焊后进行不小于2 h，温度为325 ～ 375 ℃的消氢热处理；设备制造完成后最终对设备进行整体消应力热处理[5]。焊后整体热处理曲线见图4。

图4 热处理曲线Fig.4 heat treatment curve

4 结论

气化炉材料的选择是设计重点，经过分析讨论铬钼钢是较好的中温抗氢腐蚀开裂的钢材，在高温下防腐性能完全满足设备的使用工况要求。制造过程中充分考虑制造工艺方法并结合生产实际情况，制定合理的加工工艺满足结构设计的需要，解决了超大设备的组装公差要求，确保设备工艺性能和质量。设备自投入运行以来，安全可靠，工艺性能良好。