循环流化床加压煤气化炉制造与安装

张 涛 郑维信 杜金涛 厚喜荣 张志敏 李鹏飞

（1.兰州兰石重型装备股份有限公司；2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司）

煤炭气化技术已有200多年的历史，随着煤气化工艺的广泛应用，煤气化技术得到了长足的发展。目前，大型工业化运行的煤气化技术可分为固定床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术。国内流化床煤气化技术均为常压气化，而循环流化床加压气化技术是近几年研发的新型气化技术，具有煤种适应性广、负荷适应性强、灰渣易利用及清洁高效等特点，以低成本实现了较低的污染排放，越来越受到市场的重视［1～5］。目前，国内首套低阶粉煤循环流化床加压煤气化示范装置已在甘肃金昌投入运行，加压煤气化炉为该装置核心设备，对加压煤气化炉设备制造、安装及耐火衬里施工等关键技术的研究具有十分重要的意义。

1 设备介绍

如图1所示，气化炉主要由炉膛、返料器、旋风分离器3部分组成，炉膛与旋风分离器通过底部返料器连为一体，顶部通过异形连接管连通，煤气通过旋风分离器顶部弯管输入余热锅炉进行二次燃烧利用。将粒度合格的煤从返料器的回料管加入炉膛，较粗的固体颗粒下沉到炉膛底部，形成密相区，并与底部通入的富氧空气发生部分燃烧反应，产生的高温气体携带固体物料向炉膛上部输送。较细的固体颗粒参与炉膛内循环，吸收热量并与二氧化碳、蒸汽等气化剂发生反应，生成煤气。煤气和较细固体物料的混合物经过旋风分离器气固分离后，固体物料通过返料器返回炉膛并可继续参与反应。高温煤气经余热锅炉降温后，再经旋风除尘器和布袋除尘器除尘后成为清洁煤气供给下游工序。

图1 气化炉结构示意图

气化炉炉膛采用绝热结构，炉膛沿高度方向布置了多个气化剂喷入口，在炉膛下部布置有辅助给煤口。气化炉采用风帽布风，风帽通过支管与主风管相连接，炉膛底部设有排渣管。旋风分离器出口烟道采用90°弯头转向水平方向，与余热锅炉的煤气进口管相连。旋风分离器采用切向入口和中心筒偏心设计，旋风分离器筒体内壁面和入口内壁面均敷设高温耐磨耐火材料。

气化炉主要设计参数如下：

设计压力 0.8MPa

操作压力 0.3MPa

设计温度 300℃（外）、1 100℃（内）

工作温度 100℃（外）、950℃（内）

主体材料 Q345R S31008

主要介质 粉煤、CO、H2

湿煤气产量 46 900Nm3/h

给煤量 19 790kg/h

有效气产率 CO+H2＞67%

液压试验压力 1.05（立）、1.40（卧）MPa

2 关键零部件制造难点

2.1 异形连接管的制造

异形连接管为连接炉膛与旋风分离器的关键部件（图2）。 炉膛侧为圆形截面，直径1 840mm，壁厚30mm；旋风分离器侧为切向进料端口，为长圆形截面。为保证连接管制造精度，异形连接管采用三维SolidWorks展开技术进行放样、数控气割下料［6］，接管分两瓣在油压机上冷压成形，分瓣组焊、修校端口后气割去除两侧端口余量并开制坡口，保证成形尺寸和偏差符合要求。

图2 异形连接管三维示意图

2.2 热电偶接管组装

气化炉不同位置共设计21个测温口，测温不准确会导致炉膛超温、燃烧失控甚至紧急停车等事故。而热电偶接管制造组装误差直接影响热电偶的安装与精度，因此，热电偶接管精度控制是气化炉制造的关键点之一。热电偶接管材料为S31008，规格为φ45mm×5mm，内伸长度380～490mm，热电偶套管外径38mm。热电偶接管制造要点如下：

a.热电偶法兰与接管焊缝内壁必须打磨齐平光滑、防止热电偶套管卡死或损伤热电偶。

b.法兰面应垂直于接管中心线，其偏差不得大于0.825mm，若偏差过大但强力组装后使热电偶处于弯曲受力状态，则点火升温后热电偶套管将会断裂。

c.热电偶接管法兰面与筒体外表面允差为±5mm，若偏差过大，将导致热电偶伸入炉内的长度不一致，造成实测温度差异过大。

d.热电偶接管壁厚5mm，壳体壁厚18～60mm不等，厚壁位置接管与壳体角焊缝处焊接填充量大，热电偶接管易出现“收腰”现象，导致热电偶套管无法插入接管内部；采用手工钨极氩弧焊ERNiCrMo-3焊丝小电流、快速焊接，减小热输入量并严格控制层间温度。

e.热电偶接管组装完毕后需进行模拟件试通试验，同时后期设备内部耐火衬里施工需避免接管承载导致直线度不符合要求。

2.3 返料器风帽制造

返料器采用风管和风帽布风，风管采用穿墙双层套管设计，以便于清理和检修。如图3所示在返料器底部共设计H1、H2两组风管。靠近旋风分离器侧的H1风管由11根芯管组成，共计布置81个风帽；H2风管由12根芯管组成，共计布置53个风帽。安装时，先组装H1、H2风管的芯管和套管与返料器筒体间焊接接头，筒体坡口预堆焊E309L，芯管、套管与筒体焊后不再进行热处理。芯管组装完毕后组装芯管上的风帽组件，最后组装风管与芯管焊接接头，该焊接接头进行100%RT检测和100%PT检测。

图3 返料器风帽结构示意图

2.4 炉膛风帽制造

气化炉炉膛采用风帽布风，炉膛风帽的制造精度将对风帽阻力产生影响，即风帽在不同气化风流量下的压力降［7］。炉膛风帽布置情况如图4所示，炉膛风帽位于炉膛底部，共5组15个，呈梅花状布置，风帽焊接固定于芯管支座上，通过支管与一次风主风管相连接，主管底部接点火燃烧系统。

图4 炉膛风帽布置示意图

芯管、支管和主管均采用S31008耐热不锈钢材料，先组装支管与主管，主管内部加支持圈，对称施焊5组支管防止焊接变形过大。支管组装完毕后分别组装支管上的芯管，芯管采用整体模板进行定位，保证相对位置和高度符合要求。最后组装风帽，风帽采用耐高温、耐氧化且耐磨的ZG8Cr30Ni15W2合金铸钢加工制作，风帽结构如图5所示。

图5 风帽结构示意图

3 现场安装

气化炉炉膛和旋风分离器支座标高位于32 000mm，返料器位于22 000mm，现场采用分段吊装立式组对方式安装。标高32 000mm框架安装完毕后使用400t履带吊车分别将炉膛、旋风分离器吊装就位，然后安装返料器、异形连接管、虾米腰弯管部件。组装异形连接管时根据实际方位尺寸现场分别开制炉膛与旋风分离器坡口，连接管部件端部留至少300mm余量待与炉膛、旋风分离器演装后割除切向端口并组对。返料器组件整体吊装就位后分别与旋风分离器和炉膛进行演装，然后开制坡口、割除返料器端口余量。最后进行旋风分离器虾米腰弯管组装，所有现场总装缝均采用电加热消除应力热处理。

4 水压试验

设备整体在框架上进行立置水压试验，试验压力1.05MPa。设备净重241 267kg，水压试验时充水和试压附件总重量约803 267kg（不含浇注和固定件），水压试验前由结构专业对炉膛和旋风分离器、返料器两部分载荷分别核算支撑框架结构承载力。水压试验采用扬程泵对设备进行分段灌水，依次将水灌至设备的1/3位置、1/2位置和顶部位置，并由相关单位进行设备基础沉降观测。当压力容器壁温与液体温度接近时，缓慢升压至设计压力，确认无渗漏后继续升压到规定的试验压力，保压30min后将压力降至设计压力，并保持1h后，再进行检查，水压试验曲线如图6所示。

图6 水压试验曲线

5 耐火衬里

5.1 设计结构

气化炉最高使用温度为：炉膛内部1 100℃，一级旋风分离器内部1 100℃，返料器和返料立管1 100℃，旋风除尘器300℃。承压外壁面温度要求为：当无风、环境温度小于或等于25℃时，炉墙外壁非接口处壁面温度不超过75℃，人孔门、手孔、旋风分离器进出口及返料口等接口部位壁面温度不超过80℃。耐火衬里由器壁向设备中心由7层组成，依次为：轻质保温砖、陶瓷纤维高纯毡、轻质保温可塑料、轻质保温浇注料、高强锆刚玉碳化硅可塑料、高强锆刚玉碳化硅捣打料、高强锆刚玉碳化硅浇筑料。

5.2 施工要点

设备内表面满布Y形耐高温抓钉，施工前需补焊抓钉，并在抓钉、直径不大于100mm内伸接管等表面涂刷沥青，直径大于100mm内伸接管外壁包裹陶瓷纤维纸。施工过程中不得以热电偶套管等内伸接管做支撑，防止损伤变形。气化炉炉膛和旋风分离器顶部、中部、下封头处共设计24个排气孔，水压试验后割除封堵管帽，待烘炉结束后按图7所示进行封堵。

图7 排气孔结构示意图

5.3 烘炉

衬里外侧耐磨材料在干燥过程中，经过升温、恒温等在350℃时能够充分析出游离水，在高温阶段，温度在达到550℃并经过恒温后能够满足结晶水析出条件［8，9］。由于耐磨材料密度大，内衬具有相当的厚度，水分缓慢均匀析出、并使其体积达到稳定状态极为困难，因此干燥过程是烘炉的重要环节。烘炉过程分两个阶段：常温至350℃±30℃为低温烘炉阶段；350～800℃为中高温烘炉阶段（图8）。中高温烘炉阶段在气化炉试运行过程中同时完成。为校验烘炉效果，在炉墙施工的同时制作炉膛、返料器和旋风分离器炉墙试块各一件，在烘炉前摆放到各个烘炉部位。烘炉结束后按烘炉取样分析结果进行验收，要求耐火、耐磨材料的残余水分小于2.5%为合格。

图8 烘炉曲线

6 结束语

笔者参与设计制造的循环流化床加压煤气化炉是国内首套低阶粉煤循环流化床加压煤气化示范项目的核心设备，已建成交付并成功运行。通过对加压气化炉关键零部件的制造、现场分段组焊、水压试验及耐火衬里施工等进行研究分析，制定了合理解决方案，成功解决了设备制造与安装过程中的难点、关键问题，为该新型循环流化床加压煤气化技术在国内推广奠定了重要基础。