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嘉峪檢測網 2020-12-16 20:41
某公司采用殼牌粉煤氣化工藝生產合成氣，作為生產甲醇的原料。急冷口的主要作用是將約200℃的循環急冷氣進行均勻分布，讓其與約1500℃的合成氣進行有效混合，從而降低合成氣溫度。急冷口的主要材料為Incoloy 825鋼，急冷氣通過爐體的4個接管口進入環形空間，后通過8個膨脹節連接分布進入急冷盤，再經過急冷氣分布孔、百葉窗進入爐堂內部進行混合。
從2012年運行以來，急冷口的百葉窗一直出現不同程度的燒蝕，由圖1可以看出，燒蝕主要表現為百葉窗的燒蝕及百葉窗上下底板的熔化。急冷盒的損壞影響急冷氣的有效分布，嚴重影響急冷氣與熱的合成氣的混合，導致合成氣回火進入環形空間，環形空間溫度探頭報警，嚴重時會影響氣化爐的緊急連鎖。本文對急冷口燒蝕的原因進行了分析，并提出了改進措施。
圖1 被燒蝕的急冷口宏觀形貌
1、急冷口燒蝕原因分析
1.1急冷氣通道堵塞
急冷盤中共有384個?11.5mm 的急冷氣分配孔，急冷孔共分為2排，急冷盒中的急冷氣通過分配孔進入百葉窗成2.81°旋轉導流，然后進入爐膛與熱合成氣混合。
由于急冷氣中夾雜有大量的灰垢等異物，同時由于管道長期運行在其內部會形成片狀腐蝕產物，一旦檢修停車片狀腐蝕產物脫落會堵塞分配孔，見圖2。分布孔被異物堵塞會導致急冷氣分配不均，影響氣化爐內部的流場分布，造成急冷盒局部位置急冷氣量不足，從而導致急冷盤百葉窗局部高溫回火燒蝕。
圖2 被堵塞的急冷氣分配孔宏觀形貌
同時原有的K1301壓縮機設計氣量也存在不足，導致冷量較少，同時平衡孔、百葉窗等流道通徑較大，嚴重影響冷氣的流速，從而造成冷氣對熱合成氣的包裹性較差，易導致熱合成氣回火燒蝕。
1.2｜急冷氣量不足
從目前運行情況及國內較多工廠的運行情況來看，大多都存在急冷口燒蝕的問題，而主要分析還是認為急冷氣壓縮機K1301的原始設計能力不足，使得氣化爐的急冷氣量不足，導致急冷口的冷卻效果不佳，整個后段區域的溫度都較高。
1.3｜環形空間惰性氣體不足
在氣化爐的運行過程中，為了保證環形空間的各個部件有效穩定運行，環形空間均充有氮氣，且氮氣為微正壓狀態，避免了發生合成氣進入環形空間而導致殼體溫度升高的風險。而在實際運行過程中發現環形空間氮氣量不足，氣化爐環形空間溫度存在上升的情況，可以判斷爐膛內部的熱合成氣進入了環形空間。
1.4｜環形空間間隙大
由于急冷盒材料為Incoloy 825鋼，其與急冷平臺水冷管道的材料不一致，兩者的熱膨脹系數不同，故在原始設計時，急冷盒與急冷平臺及水冷管之間的間隙通過單面焊密封條進行密封，來避免熱氣串入環形空間。
而在運行工況時，氣化爐受熱向上膨脹，導致急冷盒上下密封條翹曲，與上下平臺形成了較大的間隙，大量的熱合成氣進入環形空間，導致急冷盒燒損。
圖3 急冷盒與平臺間隙的宏觀形貌
2｜措施及建議
2.1｜工藝優化
降低急冷氣的溫度，避免由于急冷氣溫度的升高而影響冷、熱氣的混合溫度；同時增加環形空間氮氣量，以盡可能減少熱合成氣串入環形空間，從而降低環形空間溫度，不會引起緊急聯鎖。
2.2｜急冷盒改造
急冷盒的環形空間上部位置原有4個100mm×100mm的檢查手孔，而整個急冷盒直徑為2620mm，使用檢查手孔并不能有效清理內部的異物，將檢查手孔改為長弧型檢查孔，以增加其檢查長度和面積，每個檢查手孔的弧長角度為30°，在4個方向上分別安裝4個弧形檢查孔，使用吸塵器和人工方式清理急冷盒內部灰塵等異物，避免堵塞急冷氣分配孔。
2.3｜急冷盒百葉窗改造
氣化爐急冷部位的混合原理為均勻分布的旋流急冷氣裹挾氣化爐爐膛旋流合成氣，形成外部溫度較低內部溫度較高的氣旋。氣化爐爐膛旋流合成氣由氣化爐燒嘴成4°，逆時針向上旋流，而急冷氣從急冷盤出來成2.81°的順時針旋流，兩者在急冷口位置形成反方向的交叉包裹向上旋流。而一旦冷氣不能有效地包裹熱合成氣，容易導致急冷口金屬承受1500℃高溫合成氣而被燒蝕。
氣化爐急冷盒結構復雜，主要包括急冷盒、急冷氣分配孔、平衡孔、百葉窗等部件，其相應結構參數如表1所示。
表1 急冷盒相關參數
2.3.1 急冷口盒百葉窗改造計算
氣化爐急冷口現采用厚度為6mm的Incoloy 825鋼板材，其百葉窗出口面積較大，在急冷氣壓縮機K1301能力不足的前提下，其流速較低，可以適當改造出口面積以增大流速，保護急冷口。相關計算如下：
表2 急冷盒改造后參數對比表
經過以上計算，將急冷盒百葉窗由6mm增加到12mm，然后在孔兩側各噴涂0.5mm厚的防火涂料。急冷口流通面積由0.203m2 減小到0.150 m2，急冷口流速由6.13m·s-1 提高到8.30m·s-1，經過改造，急冷口流速提高了35.4%。
2.3.2 急冷盒百葉窗改造施工
在現有百葉窗通道的兩端隔板內孔各加裝豎直隔板一根(尺寸為56mm×150mm×3mm)，其與原有隔板之間需保證有效貼合，上下兩端需要打磨坡口，新增板材為梯形結構，以保證與原有隔板的花焊角焊縫貼緊；同時新增隔板內端口需打磨成60°的坡口，以保障氣流的正常流通，外端口與原有隔板之間需采用花焊進行固定，新增隔板與原有頂板及底板也采用花焊固定。在其急冷口至環形空間150mm區域里噴涂耐高溫防火材料，以增加急冷盒材料的防火能力及運行時間，具體示意圖見圖4。
圖4 急冷盒百葉窗改造前后示意圖
2.4｜急冷盒密封位置改造
急冷盒與上下水冷壁面安裝間隙受制于兩者膨脹系數、膨脹方向的不同，需要進行有效的設計密封，避免安裝間隙形成氣流通道，引起環形空間超溫聯鎖。
切除急冷盒原有的上下密封擋板，在密封擋板與水冷壁管之間填塞耐高溫纖維，在上下密封擋板的端部(爐膛側)填塞耐高溫陶瓷纖維盤根(規格為10mm×10mm)兩圈；
在急冷盒頂板的密封點的分別加裝兩塊密封擋板(規格為20mm×6mm)，兩塊密封板長度均為20mm，一塊單面焊接在急冷盒頂板上，頂板密封條與水冷壁管間不能有間隙，另一塊焊接在水冷壁管上，兩塊密封板間距控制在0~0.3mm 之間，如圖5所示。
圖5 急冷盒上密封條加裝示意圖
盒底板下密封點上分別加裝兩塊密封擋板(規格為12mm×6mm)，兩塊密封板長度均為12mm，一塊單面焊接在急冷盒底板上，底板密封條與水冷壁管平臺間不能有間隙，另一塊焊接在水冷壁管上，兩塊密封板間距控制在0~0.3mm之間，如圖6所示。
圖6 急冷盒下密封條加裝示意圖
3｜結束語
經過氣化爐急冷口部位的結構改造后，氣化爐急冷口的燒蝕情況得以緩解，氣化爐運行良好。
作者：蘭洪剛
單位：云南水富云天化股份有限公司
來源：理化檢驗
