碎煤熔渣气化炉结构特点及制造关键

王会琼，李正方

(云南大为化工装备制造有限公司，云南 曲靖 655338)

我公司承接制造的Φ4400碎煤熔渣气化炉是云南先锋化工有限公司褐煤洁净化利用试验示范工程的关键设备，规格为Φ4400/Φ4150×δ75/δ38×15600 mm，外壳体材料为13MnNiMoR(正火+回火)，内壳体材料为Q245R(正火)。由于设备直径较大，制造精度和质量要求较高，在设备制造过程中筒体成型、焊接、外壳体与内筒体同轴度控制及设备耐压试验是设备制造的重点和难点。因此，在设备制造过程中进行了大量的焊接性能试验及相关的工艺评定，并严格控制制造过程中的每道工序。本文以我公司制造的Φ4400碎煤熔渣气化炉为例，对碎煤熔渣气化炉制造技术进行研究，并得到较好的效果，可供同类设备的制造参考。

1 碎煤熔渣气化炉结构特点

1.1 碎煤熔渣气化工艺

碎煤熔渣气化工艺，是以蒸汽/氧气为气化剂，10～80 mm 碎煤从气化炉顶部的入煤口进入炉内，气化剂从炉体下部6个喷嘴进入气化炉内，通过高速喷射在中心区，煤与气化剂逆流接触，由上而下依次通过干燥层、干馏层、氧化(还原)层、燃烧层(氧化层)、灰层，灰渣在高于煤灰熔点温度下呈熔融状态，通过下渣口排出。气化炉内工作压力 4.5 MPa,渣池温度 1550 ℃，气化炉出口煤气压力 4.5 MPa,温度 250 ℃。

气化炉渣池部分具有水冷壁结构，高压脱盐水作为冷却介质，流经渣池部分的水冷罩结构带走热量，保持水冷壁内适当温度，从而保护设备。冷却水经过冷却后循环使用，其压力始终高于炉内压力，这是为了保证即使设备受损发生泄漏也不会发生煤气向外泄漏的情况。同时，在气化炉的筒体段也设置了水冷壁，目的是为了防止炉内分布走向不正常时设备壁发生超温，气化炉内筒在一定高度上设置耐火砖及耐火浇注料隔热层，以此来保证气化炉内筒的壁温。对这部份的高压冷却水进出口温度差进行测量，通过温差的变化反映炉内工况是否恶化。气化炉为双壁压力容器，有一个较厚的外壳和一个相对较薄的内筒，内筒与外壳之间为循环锅炉水。夹套自然环循系统的设置是为了冷却气化炉内壁，回收热量。夹套蒸汽分离器内的锅炉水通过下降管进入夹套，随着热量的交换夹套内水部分气化，汽液两相进入夹套蒸汽分离器。

气化炉气化反应速度快、气化强度高，生产能力较同内径鲁奇炉提高2～3倍。除产出少量甲烷外，粗气组分(H2+CO)与流化床气化产出粗气类似。

由于碎煤熔渣气化技术的特点，炉内靠近炉壁处温度和粗气出口处温度较低，气化炉炉体和附属设备可采用国产压力容器用材料。碎煤熔渣气化炉的结构也比壳牌气化炉简单，且无壳牌气化炉结构繁杂的内件，从材料到产品制造完全能够实现国产化；碎煤熔渣气化炉的结构质量比同规模的壳牌气化炉小1/2，比鲁奇气化炉质量降低12%，成本降低15%，可实现整体运输。因此，碎煤熔渣气化炉可大幅度降低制造、运输和安装的成本，缩短建设周期。

综上所述，熔渣气化技术具有高气化率、高气化强度的优点，同时具有与鲁奇固定床加压气化技术相似的氧耗低、炉体结构简单、价格低廉的优点，克服了流化床熔渣气化技术能耗高和鲁奇固定床加压气化技术成本高，废水处理困难的弱点，具有生产率高、建设投资少、周期短、运行成本低、维护成本低的综合优势，可实现国产化和产业化。

1.2 碎煤熔渣气化炉主要技术参数。

碎煤熔渣气化炉主要参数见表1。

表1 碎煤熔渣气化炉主要技术参数

1.3 碎煤熔渣气化炉的结构特点

1.3.1 碎煤熔渣气化炉的结构简图(见图1)。

1煤入口;2外壳体;3充压备用口;4内壳体;5下降管;6粗煤气出口;7鼓风口;8进风口;9上炉膛冷却进出口;10降液管入口;11下渣口;12检查口;13人孔;14冲压;15汽水出口。

由图1可知，碎煤熔渣气化炉主要由外壳体和内壳体两大部份组成。其中，外壳体由锥形封头、椭圆封头、上下法兰、外壳筒体、接管组件等部件组成。内壳体由锥形封头、弧形板、内筒体、上下法兰、接管组件等部件组成。

1.3.2 外壳体的结构特点

外壳体材料为13MnNiMoR(正火+回火)，属强度等级较高、晶粒较细、合金元素种类较多、焊接性能难度较大、焊后易产生冷裂纹的材料。13MnNiMoR化学成份和力学性能见表2、表3。外壳体筒体长L=11900 mm，厚度δ=75 mm，其上封头设有煤入口、汽水出口、充压备用口等，开孔采用锻件局部补强结构，材料为国产20MnMoⅣ锻件，下部封头设有下渣口、排污口和加热口等。

表2 13MnNiMoR化学成份 w/%

表3 13MnNiMoR力学性能

1.3.3 内筒的结构特点

内筒体材料为Q245R(正火)板材，材料的化学成份和力学性能见表4、表5。上封头设有煤入口、充压备用口等，壳体开孔采用锻件局部补强结构，材料为国产20MnMoⅣ锻件，下部封头设有下渣口、上炉膛冷却进出口等。

表4 Q245R化学成份 w/%

表5 Q245R力学性能

2.3.4 上下法兰材料为20MnMoⅣ锻件，化学成份和力学性能见表6、表7。

表6 20MnMoⅣ锻件化学成份 w/%

表7 20MnMoⅣ锻件力学性能

2 碎煤熔渣气化炉关键制造技术

2.1 外壳筒体制造技术

由于外壳筒体材料是13MnNiMoR,其焊接性能难度较大，焊后易产生冷裂纹，因此，在设备制造过程中宜尽量减少焊缝数量。为保证壳体的制作精度，制作时每一道工序应严格控制：

1)控制单个筒节的成型误差是保证筒体组对精度的重要环节。下料时，筒节均采用定尺寸板，筒节的展开周长按中径公式计算，计算公式：

L=π(Di+δ)=π×(4400+75)=14058 mm (式中：Di为筒体内直径；δ为筒体壁厚)

采用B81120A 80×12500大型刨边机加工筒体纵环焊缝坡口，并严格控制钢板对角线公差≤3 mm。在数控卷板机上精确卷制，为满足工艺要求，筒体校圆采用两次校圆，第一次为粗校，第二次为精校；在棱角度超标的部位采用垫铁进行校圆，经两次校圆，筒体的圆度和焊缝棱角度均达到图样要求(筒体圆度≤3 mm、棱角度≤5 mm)。

2)制作工艺过程

材料确认、复验→下料→坡口加工→坡口100%MT检测→成型→卷圆→纵缝焊接(焊前预热、焊后消氢)→校圆→100%RT、UT、MT检测→环缝组对、焊接(焊前预热、焊后消氢)→100%RT、UT检测→接管管孔加工→100%MT检测→待与其它零件组焊。

3)焊接控制

在制造过程中，由于外壳筒体直径较大(Φ4400 mm)、厚度(75 mm)较厚，材料特殊，高温屈服强度较高(见表8)，在材料的采购说明书中对一些微量元素(C、Sn、As、Al、Cu、V)的含量作了出明确规定，否则对焊接性能会造成很大的危害。

表8 13MnNiMoR高温屈服强度

为了更好的掌握材料的焊接性能，保证产品质量，经焊接工艺评定试验，采用焊接工艺评定合格的焊接工艺参数(见表9)和焊接坡口形式(见图2)进行焊接。焊接前预热温度≥150 ℃，层间温度150～250 ℃，焊后立即进行消氢处理，消氢温度250～300 ℃/(1～2 h)。

图2 外筒体焊接坡口形式

本设备外壳筒体共分5个筒节制作，按照筒体工艺排版图分两段制作,下段筒体由3个筒节组焊制成，上段筒体由2个筒节组焊制成。每段组对时调整筒体直线度达图样要求。经实践证明，按上述工艺制作的筒体组装后达到图样设计要求。

表9 外筒体焊接工艺参数

2.2 内筒体制造技术

设备内筒体材料采用Q245R，属低碳钢，含碳量低，且锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织，具有优良的焊接性能。为保证壳体的制作精度，制作时每一道工序应进行严格控制：

1)控制单个筒节的成型误差是保证筒体组对精度的重要环节。下料时，筒节均采用定尺寸板，筒节的展开周长按中径公式计算，计算公式：

L=π(Di+δ)=π×(4150+38)=13157 mm (式中：Di为筒体内直径；δ为筒体壁厚)

采用B81120A 80×12500大型刨边机加工筒体纵环焊缝坡口，并严格控制钢板对角线公差≤3 mm，在数控卷板机上精确卷制。为满足工艺要求筒体校圆采用两次校圆，第一次为粗校，第二次为精校；在棱角度超标的部位采用垫铁进行校圆，经两次校圆，筒体的圆度和焊缝棱角度均达到图样要求(筒体圆度≤3 mm、棱角度≤5 mm)。

2)制作工艺过程

材料确认、复验→下料→坡口加工→成型→卷圆→纵缝焊接(焊前预热、焊后消氢)→校圆→100%RT、UT、MT检测→环缝组对、焊接(焊前预热、焊后消氢)→100%RT、UT检测→接管管孔加工→100%MT检测→待与其它零件组焊。

3)焊接控制

内筒壁厚 38 mm，采用埋弧焊焊接，焊接工艺参数见表10，焊接坡口见图3。埋弧焊时，要控制焊接线能量不宜过大，避免热影响区粗晶区的晶粒过于粗大，甚至产生魏氏组织，从而使该区的冲击韧性和弯曲性能降低。

图3 内筒体焊接坡口形式

设备内筒体共分6个筒节制作，按照筒体工艺排版图分为上下两段,中间留一短节(长度约 300 mm)，待外壳体与内壳体组装后,将短节分为3瓣与内壳体组焊。下段筒体由3个筒节组焊制成，上段筒体由2个筒节组焊制成。每段组对时调整筒体直线度达图样要求。经实践证明，按上述工艺制作的筒体组装后达到图样设计要求。

表10 内筒体焊接工艺参数

2.3 内筒单层堆焊技术

由于气化炉的工艺特点，其下部为排渣流畅而采用锥形结构，在操作期间，此处充满了灰渣。为了减弱灰渣对内壳的磨损及介质对内筒的腐蚀减薄，延长设备的使用寿命，在内筒下部，即排渣口至内筒高度为 2881 mm 范围采用在内壁堆焊 3 mm 厚的 904 L 不锈钢，要求堆焊层厚度要均匀，最厚与最薄之差不大于 1 mm。因其结构较特殊，即要保证内筒的堆焊质量，又要防止因堆焊而产生变形。对于大面积堆焊而言，焊条电弧焊和CO2气体保护焊不但焊接效率低、堆焊层内部和表面质量差，而且在堆焊层和基层母材结合处往往容易产生缺陷。除了由于所用焊接工艺参数不当造成的熔透不足、烧穿、成形不良外，通常情况下，焊接接头可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和氢致裂纹。因此，本项目内筒及锥形封头内壁单层堆焊 904 L 不锈钢，采用带极埋弧自动堆焊技术，该方法具有效率高、堆焊层内部质量均匀、堆焊层表面平整光滑等特点。而且由于稀释率较低，堆焊金属与基体母材之间的结合面处不易产生焊接缺陷和发生质量问题。

堆焊操作技术主要控制焊接电流、电压、速度、焊带伸出长度、焊道间搭接量。在保证焊道成形与熔透的前提下，尽量减小焊接电流；电弧电压不宜过高，否则使电弧失去稳定性，从而造成夹渣等缺陷；焊接速度要适当，速度太快，稀释率增大，同时易造成焊道根部熔合不良，速度太慢，则易造成热输入量升高，合金元素烧损严重。两焊道之间的搭接量约为8～10 mm，首尾搭接量～60 mm，将收、起弧搭接点和焊道间搭接缝处理好，可得到表面平整、光滑、焊波细腻的堆焊层，该堆焊层表面的氧化膜，耐腐蚀性能比机械加工或打磨的耐腐蚀金属好得多。因此，带极堆焊层表面一般在焊态下直接使用。

堆焊方案为：排渣口大法兰单独堆焊，锥形封头因堆焊面的几何尺寸特殊，也采用单独堆焊。但锥形封头大小口为保证与其连接部件的椭圆度，在锥形封头大小口处约留 50 mm 不堆焊，且堆焊时大小口均采用防变形工装。内筒因直径较大，板厚较薄，只能采用待锥封堆焊完成，并与内筒组焊经无损检测合格后再进行堆焊。内筒节堆焊时可由自动转胎旋转，进行环向堆焊。排渣口大法兰因法兰直径为DN2000，所以除法兰密封面采用手工堆焊外，其余采用带极堆焊，这样即保证了堆焊质量，又减少了堆焊周期。

锥形封头堆焊采用 60 mm 宽的焊带在自动带极堆焊机和50吨变位机上进行，由于锥形封头的几何尺寸的多样性，锥形封头堆焊时，需调整变位机使其始终处于平位上坡焊的位置，因此正确测量工件角度和机头放置角度是难点。为了更好的保证堆焊层质量，设计了一个简易的底座带磁铁的角度表。堆焊前将角度表放在封头待堆焊面上，然后旋转变位机直至角度表的指针与变位机的轴线垂直时为止。依次分别找出四个点都垂直后才能进行堆焊, 每圈堆焊完成后，适时调整变位机，使其始终处于平焊或稍带角度的上坡焊位置，这样就能保证焊道成形质量的熔深和堆焊质量。因此，保证带极堆焊各道工序质量控制是关键点，如压道的平整度控制、表面整体平整度及缺陷质量的控制、表面铁素体控制等。

内筒堆焊层数为一层，要严格执行以下要求：

1)堆焊的两相邻焊道之间的凹陷不得大于 1 mm。焊道接头的平面度不得大于 1 mm(在 200 mm 长的弧型样板上测定)。

2)堆焊层均应进行100%PT检测。

内筒堆焊完成后,经检验各项指标均符合图样和相关技术条件的要求，证明了所采用的堆焊方案是可行的。

2.4 外壳和内壳封头制造技术

设备外壳封头为上部为椭圆形封头，下封头为锥形封头。内壳封头上部为弧形板封头，下部为锥形封头，封头材料分别与内、外壳筒体的材料相同。为缩短设备制造周期，均采购成品封头，为保证封头质量，采用整板冲压成型的工艺制作，要求封头的圆度不大于0.5%Di(Di为封头内直径)，且不大于 25 mm；对于锥形和弧形板封头，要求上、下口的同轴度偏差≤3 mm，并采用整体交货，从而保证了封头的几何形状及同轴度要求。

3 碎煤熔渣气化炉总装和耐压试压

3.1 外壳筒体与内筒体组装

为保证气化炉外壳体与内壳体同轴度及制造要求，采用立装的组装方式，其下段组装工序如下：

外壳锥封与下法兰组对及焊接→100%RT、UT检测→外壳锥封与外壳筒体组对及焊接→100%RT、UT检测→划外壳体和外锥形封头上各管孔、支座、预焊件位置线→切割各管孔并打磨坡口→管孔坡口100%MT检测→接管法兰与外壳体组对(指未插入至内筒体及内锥体的)→接管法兰与外壳体焊接→接管与外壳体间的焊接接头内、外表面做100%MT检测，对DN>200 mm 锻管与外壳体的焊接接头加做100%UT检测。

内筒体与外筒立式套装后内锥封与下法兰组对及焊接→100%RT、UT检测→根据外壳筒各接管开孔位置在内筒体上划线→切割各管孔并打磨坡口→管孔坡口100%MT检测→接管法兰与外壳体及内筒体组对→接管法兰焊接→接管与外壳体间的焊接接头内、外表面做100%MT检测，对DN>200 mm锻管与外壳体及内筒体的焊接接头加做100%UT检测。

上段组装方式与下段相似，为保证内筒体与外壳体组装的间隙及设备运行期间内筒体热膨胀后不导致内筒失稳，在内筒体的沿周上自下从上每隔 1 m 距离，就在内筒体上均布焊12块支撑板，组装后即保证了间隙又保证了两筒体的同轴度。上、下段筒体组对时，采用激光测量找正筒体同轴度组装技术，首先是利用经机加工过的上法兰或者下法兰精确的组对基准，再采用激光轴系准直仪进行测量校正，达到精确组对的同轴度要求。

筒体精确组对技术分析，单节筒体已提供了准确的组对基准。气化炉筒体较长，若采用长轴找正,组对后的精度虽能满足，但装配精度很难保证。采用细钢丝找正，由于钢丝的挠度太大，组对后的误差过大，难以保证组装精度要求。因此，采用激光找正，精度较高、操作方便，且利于焊接过程中的检查。激光测量同轴度找正组装技术的实施，为保证筒体组对精度，我们选择的激光轴系准直仪精度为：在 30 m 范围内，激光光轴的不直度为 0.18 mm，完全满足筒体的精确组对要求。

气化炉上、下段外壳体组焊合拢缝，经无损检测合格后，用余留短节(长度约 300 mm)分三瓣与内筒体组焊，并无损检测合格。然后按图样要求将部份接管与内壳焊接处在一定范围内堆焊 3 mm 厚 316 L 不锈钢，来防止介质对接管焊接处焊缝热影响区的腐蚀，提高了设备的使用年限。设备制作完毕并经各项检验合格后，对气化炉采用炉内整体消除应力热处理。

本次采用多点激光透光找正方法组装技术，对组后的筒体进行检查，组对后上、下两段垂直度偏差为90°±5′，完全满足设计图样的组对要求。

3.2 碎煤熔渣气化炉耐压试验

3.2.1 设备壳体耐压试验是采用液压试验

第一步：气化炉夹套液压试验

按图4所示方位将设备吊装就位，设备按管口方位图180°朝下放置，顶部接管可作压力表接口、排气口、进气口用，底部接管作入水口、排净口用。

1)气化炉夹套液压试验。液压试验压力为 0.25 MPa(内筒承受外压)，液压试验用水的温度不得低于 15 ℃。试验过程中，保持容器观察表面干燥，当气化炉外壳器壁(13MnNiMoR)金属温度与液体温度接近时，才能缓慢升压至试验压力，并保持足够长的时间对所有焊缝和连接部位进行检查。检查期间压力应保持不变，不得采用连续加压的方法来维持试验压力不变。液压试验过程中不得带压紧固螺栓或向受压元件施加外力，试验过程中应无渗漏、无可见的变形视为合格。

2)试验时如果有渗漏，且渗漏是在密封垫处，允许卸压上紧螺栓后再试。如果是焊缝处渗漏应停止试验，查看焊缝无损探伤记录,查明缺陷性质和位置后再卸压按焊接工艺补焊，补焊后再次按原要求进行探伤和局部热处理，探伤和局部热处理合格后再次试压直至合格。

第二步： 气化炉外壳液压试验

1)将人孔法兰盖及上、下法兰口用专用试压工装用螺栓连接紧固，紧固时应保证上一次上紧与下一次上紧位置应错开一定位置，以达到上紧均匀，并保证垫片能够均匀密封，保证所有敞口接管封堵严密。

2)将外筒和内筒连通进行试压。(可将粗煤气出口内筒侧的堵板割除、两腔接管试压盲板用接管连通)

3)内筒、外筒连通后以 6.52 MPa 的表压进行液压试验，液压试验用水温度不得低于 15 ℃ 进行，内筒、外筒应各有压力表读数，缓慢加压且保证两腔同步，加压或卸压、排液时都应始终保持：

外筒压力-内筒压力≤0.25 MPa

升压过程应缓慢逐级升至设计压力(5.1 MPa)，每级保压3～5 min，确认无泄漏后，继续升压至规定的试验压力(6.52 MPa)，保压 30 min 后将压力降至设计压力(5.1 MPa)，设计压力保压进行检查，保压时间足够长，查期间压力应保持不变，不得采用连续加压的方法维持试验压力不变，确认无泄漏后再按升压级差缓慢逐级卸压。升压或降压时每级保压时间内，压力读数应保持不变，不得带压调整紧固件。

第三步：试验用水的排放

按图4所示,将180°方位上的S9.6管口(鼓风口)作为排净口。排液时将顶部各接管法兰敞开，根据敞口大小适当控制流速，防止内筒液体流出过快，空气进入较慢而形成真空腔导致外压失稳。卸压任意时间内,外筒和内筒的压差不允许超过 0.25 MPa。将设备内壳体和夹套中水排净，内筒吹干，夹套内不得有残液，尽量吹干。

图4 设备耐压试验示意图

第四步：对焊接试压盲板的接管进行盲板切除(拆除)，按焊接工艺要求进行坡口打磨处理以便现场组焊。

4 结语

碎煤熔渣气化炉因具有高气化率、高气化强度、氧耗低、炉体结构简单、价格低廉等优点，在我国煤炭气化领域的应用前景将是非常广阔的，它的发展也必将推动我国煤炭资源的更加合理化应用。

通过碎煤熔渣气化炉各项制造技术的严格把关和控制，并采用多点激光透光找正方法，保证筒体组对同轴度的大直径长筒体精密组对，保证了上、下法兰的组对精度要求。设备制造完毕后, 各项检验指标均达到了相关标准、图纸和技术条件的要求，且各项液压试验均一次合格，从而为我厂今后制造类似设备积累的经验，也为同行制造类似设备提供借鉴。