关于壳牌煤气化装置气化炉问题及其探究

2022-01-14刘贵宾张欢欢

河南化工 2021年12期

刘贵宾，张欢欢

(河南开祥精细化工有限公司，河南义马 472300)

近年来清洁能源的使用已经成为必然发展趋势，主要以煤气作为能源，所产生的污染较小。壳牌煤气化装置气化炉长期处于高温、高压、高酸性的环境中，如果缺乏正确的使用方法与养护管理制度，则很容易出现安全事故。需要企业准确把握气化炉的运行特点，并掌握关键问题因素，根据问题因素制定科学的应对措施，严格按照安全生产条例进行作业，保障气化炉运行安全。

1 壳牌气化炉装置

壳牌气化炉主要技术特性如下：设计制造验收规范，JB4372《锅制压力容器——应力分析设计标准》；设计压力，5.2 MPa；设计温度，350 ℃，蒸汽过热段450 ℃，SGC出口380 ℃；主要材质，SA387Gr，11CL2/in825+SA387Gr；主要规格，气化炉和激冷管，ID 4630/ID 3020×30 900 mm；导管，ID 3020 mm；气体反向室，ID 1870×285/ID 3400 mm；废热锅炉，ID 3400×30 500 mm。

壳牌气化炉主要结构图见图1。

图1 壳牌气化炉结构图

煤气化是指将直径较小的煤粉与180 ℃的纯氧和220 ℃的水蒸气充分混合后输送到气化炉中，发生不完全的氧化反应，在高温条件下煤中的有机质会转化成小分子气体。本次研究的气化炉具有以下几种特点：①最大投煤产量达到了2 000 t以上。②具有高碳转化率的特点，一般在1 400～1 600 ℃，碳转化率可高达99%以上。③气化炉气体洁净，煤气中甲烷含量极少，不含重烃，CO+H2体积分数达90%。④其技术应用过程中，耗氧相对比较低，耗氧条件在20%左右。⑤在煤气化系统的应用过程中，煤气效率达到80%～83%，其余的15%副产高压或中压蒸汽，总热效率高达98%。

1.1 气化炉反应区腐蚀问题

A1气化炉反应区入孔处存在环形空间，受热面管与连接管线表层会覆盖水分和灰尘混合物，从而会造成一定的腐蚀。腐蚀速率约为0.5 mm/a，从而导致入孔合成器侧与入孔热裙区域容易出现裂纹。在该气化炉的A2入孔合成气侧烧嘴端盖的内控区域均检测出裂纹问题，裂纹平均长度在5 mm左右，烧嘴罩的平均腐蚀速率在0.4 mm/a左右。经过技术人员的检测，A2入孔合成气侧的冷却水套厚度出现了变化，从14 mm降低到了10 mm，平均腐蚀速率约为0.8 mm/a。该企业技术人员发现，在该气化炉A2入孔合成气侧的急冷区域的平台和底部区域都发现了明显的裂纹，还有部分区域出现了凹坑。

1.2 反向室气测控问题分析

在气化炉的反向室内，根据技术人员的检测，在A11入孔环形空间固定支架中有长度约50 mm的裂纹，其该合成气侧270°固定支架加强板角焊缝区域存在裂缝，裂缝长度约100 mm。根据其他检测结果显示，入孔A11合成气侧反向室堆焊管和钢盘存在着腐蚀和冲刷现象，从而使其厚度出现问题。

1.3 合成冷却室问题

在合成气冷却器中，根据技术人员的检测结果显示，A11入孔合成气侧的过热器进口管线的管壁厚度降低，平均厚度为1.5 mm，最大厚度为3.5 mm，经过计算腐蚀速率约为0.8 mm/a。

2 壳牌煤气化装置气化炉问题的原因

在气化炉处于正常运行条件的情况下，A1入孔环形空间的压力经检测为4.1 MPa，温度为210 ℃，介质中含有一定的饱和水和二氧化碳等气体，在气化炉正常运行条件下，因为渣池与环形空间是连通的，A1入孔环形空间中含有饱和水，对于二氧化碳等气体而言属于干相环境，所以在该条件下二氧化碳等气体会发生高温腐蚀，从而使被腐蚀的表面厚度降低。当气化炉运行条件变化时，例如压力升高或温度降低，含有饱和水的环形空间气相将会冷凝析出水相，从而形成湿环境，在湿环境下腐蚀速率将会加快，从而对管壁的腐蚀作用更强，导致管壁表面的厚度降低速度较快，最终形成表面裂纹，从而导致壳牌气化炉运行出现危险。

2.1 A2入孔合成气侧问题形成原因

在A2入孔气侧处于正常运行的状态时，膜式水冷壁的内衬中有耐火衬里，从而能够使水冷壁不会受到侵蚀，对水冷壁有着很好的保护作用。但是因为烧嘴、烧嘴罩以及烧嘴端盖区域没有耐火衬里的保护，所生成的炉渣会将表面的氧化物和硫化物溶解，进而就会增强腐蚀作用，使没有受到保护部位的腐蚀程度增加。因为炉渣的成分有所不同，在熔点方面也存在着很大的差异，这些不同熔点的混合物，在不同温度下的状态，会造成不同的腐蚀，从而导致烧嘴罩、冷却水套等出现不同程度的裂纹，导致壳牌气化炉运行出现问题。因为熔渣中含有大量的碳，熔渣在燃烧过程中会飞溅到没有衬里保护的烧嘴和烧嘴罩区域，从而会导致这些区域受到更为严重的腐蚀。经过技术人员的计算，腐蚀速率会达到普通腐蚀速率的5倍左右，所以在气化炉的烧嘴区域以及烧嘴罩区域会发现凹坑的存在，严重威胁气化炉的安全运行。除此之外，气化炉A2入孔合成气侧出现问题的一个重要原因是腐蚀疲劳问题，因为壳牌气化炉的内部结构设计，烧嘴内孔的边缘位置温度相比于其他区域更高，所以容易在烧嘴内孔边缘处表面形成氧化物和硫化物，形成的化合物会沿着晶界不断扩展，最终会形成裂纹，从而导致烧嘴内孔材料质量下降，产生问题。在热交变应力的影响下，裂纹会出现在表面缺陷的位置，并不断从外表面向内部逐渐扩大，在扩大的过程中，会受到氧化、硫化作用的影响，形成腐蚀疲劳开裂问题，所以需要控制烧嘴内孔边缘位置的温度，才能够有效防止该问题发生。

2.2 壳牌气化炉在燃烧运行中问题成因

气化炉的急冷端有表面渗氮的问题，该区域正常运行状态下温度一般为900 ℃，会导致局部氮气分压过高，温度超过316 ℃时就会发生渗氮，在超过380 ℃时渗氮问题会更为剧烈。渗透的氮会在气化炉内部零部件表面发生反应，形成黑色的化合物，经过检测该区域的金属硬度会变高。但是在渗氮层内部出现的裂纹会扩展到金属基体中，且渗氮会随着金属基体体积的增加而扩大，在热循环或者其他作用力的影响下，渗氮层会出现严重的裂纹问题，严重会出现破碎现象，从而导致急冷断区域出现严重的质量问题，裂纹会导致急冷段材料出现严重的问题，从而严重威胁壳牌汽化路的运行安全。

2.3 A11入孔合成气侧出现问题

在A11入孔合成气侧方中，合成气中存在许多固体颗粒，合成气会在内部高速流动，从而会导致固体颗粒对热管形成较大的冲刷作用，导致热管管壁被磨损，进而破坏热管保护膜，将其表面的保护物质去除，在冲刷与腐蚀作用双重影响下，使得A11入孔气侧的换热管管壁厚度降低，被严重腐蚀。

3 壳牌煤气化装置气化炉问题的应对策略

导致壳牌气化炉出现问题的原因主要为酸性水腐蚀、高温液态熔渣腐蚀、高温硫化物腐蚀以及冲刷磨损等，酸性水主要对A1入孔区域腐蚀，高温液态熔渣腐蚀主要在A2入孔区域发生，冲刷磨损腐蚀主要发生在A11入孔区域。因此，针对三个不同的区域，需要采用不同的应对策略，制定科学的防护方法，才能够保证壳牌气化炉运行安全，降低意外事故发生率，使气化炉的运行效率提高。

3.1 A1区域出现的酸性水腐蚀问题

壳牌气化炉内部运行压力和温度的变化能够加剧腐蚀作用，是腐蚀速率加快的主要原因。因此，针对A1区域腐蚀问题的保护，需要严格控制气化炉内部运行压力和温度，保证压力和温度能够始终保持在正常范围之内，防止因温度和压力变化过大导致水相问题出现。与此同时，因为渣裙冷却水堵塞会导致温度升高，所以在日常管理过程中需要注意冷却水的通畅性，如果出现了堵塞问题需要第一时间修复，防止出现长时间堵塞现象，能够降低腐蚀速率，从而对气化炉能够发挥出很好的保护作用。

针对腐蚀问题预防和处理提出以下几点操作：①选择合适的抗碱腐蚀计量装置，使用碱液实现酸碱中和处理，并且在气化炉开始使用之前，加热N2进行涤塔，扫除腐蚀性的影响，这直接关系到清洗效果，确保壳牌气化炉的使用更加合理。②在气化炉使用过程中，应该做好循环水的质量控制，主要是控制好循环水的pH值，要求循环水pH值控制在6.5～7.5，氯离子控制在1×10-6mol/L之内，这样可以减少对壳牌气化炉气化的影响，提升解决效果。通过相关操作，实现对腐蚀性问题的控制。③可以选择使用缓蚀剂，实现对壳牌气化炉的酸性腐蚀控制。也能够最大程度地提升酸性处理效果。采用小剂量缓蚀剂即可减少腐蚀作用。

3.2 A2入孔合成气侧存在的问题

导致该区域出现问题的因素较多，需要采用不同的方法。烧嘴、烧嘴罩、烧嘴端盖零部件没有保护措施，所以腐蚀程度较大，可以针对这些零部件加装保护，使其表面能够具有防止腐蚀作用的保护膜，从而能够降低腐蚀速率，减少腐蚀问题的发生。保护装置还能够防止炉渣飞溅对烧嘴等区域的影响，使烧嘴区域的腐蚀速率降低，防止出现较大腐蚀孔洞、凹坑等问题。腐蚀疲劳主要是因为壳牌气化炉在烧嘴内孔方面的结构设计不够科学，导致局部受热温度较高，所以需要优化壳牌气化炉烧嘴内部结构设计，使其受热更加合理，避免局部温度过高的问题出现。氮化作用也是导致气化炉出现较大问题的主要原因之一，因此需要做好氮化保护处理，防止出现大面积的渗氮层，渗氮层会导致金属基体更加脆弱，所以需要增加隔离装置，防止氮化作用发生，从而能够为气化炉运行安全提供良好的保护。

烧嘴罩是入孔合成气侧问题的主要影响因素，所以做好对烧嘴罩实效问题的控制，可以实现对入孔合成气侧的影响控制。①可以相应增加氮气加热装置，氮气加热装置应用之后，实现了煤粉温度的提升，要求煤粉温度>80 ℃，减少煤粉的流失量，要求其流失量控制在5%之内。②针对煤粉质量进行提升，可以使用人工初检和过滤的方式对煤粉进行过滤，减少纤维材料堵塞角阀，提升煤粉的流动性。③烧嘴罩也存在腐蚀性问题，应该控制好锅炉水的pH值，要求锅炉水的pH值在9～10，磷离子约为30×10-6，水处理溶解氧含量更多，也能够减少腐蚀。