張 濤 鄭維信 杜金濤 厚喜榮 張志敏 李鵬飛

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司）

煤炭氣化技術(shù)已有200多年的歷史，隨著煤氣化工藝的廣泛應(yīng)用，煤氣化技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前，大型工業(yè)化運(yùn)行的煤氣化技術(shù)可分為固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)和氣流床氣化技術(shù)。國內(nèi)流化床煤氣化技術(shù)均為常壓氣化，而循環(huán)流化床加壓氣化技術(shù)是近幾年研發(fā)的新型氣化技術(shù)，具有煤種適應(yīng)性廣、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、灰渣易利用及清潔高效等特點(diǎn)，以低成本實(shí)現(xiàn)了較低的污染排放，越來越受到市場的重視［1～5］。目前，國內(nèi)首套低階粉煤循環(huán)流化床加壓煤氣化示范裝置已在甘肅金昌投入運(yùn)行，加壓煤氣化爐為該裝置核心設(shè)備，對加壓煤氣化爐設(shè)備制造、安裝及耐火襯里施工等關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

1 設(shè)備介紹

如圖1所示，氣化爐主要由爐膛、返料器、旋風(fēng)分離器3部分組成，爐膛與旋風(fēng)分離器通過底部返料器連為一體，頂部通過異形連接管連通，煤氣通過旋風(fēng)分離器頂部彎管輸入余熱鍋爐進(jìn)行二次燃燒利用。將粒度合格的煤從返料器的回料管加入爐膛，較粗的固體顆粒下沉到爐膛底部，形成密相區(qū)，并與底部通入的富氧空氣發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫氣體攜帶固體物料向爐膛上部輸送。較細(xì)的固體顆粒參與爐膛內(nèi)循環(huán)，吸收熱量并與二氧化碳、蒸汽等氣化劑發(fā)生反應(yīng)，生成煤氣。煤氣和較細(xì)固體物料的混合物經(jīng)過旋風(fēng)分離器氣固分離后，固體物料通過返料器返回爐膛并可繼續(xù)參與反應(yīng)。高溫煤氣經(jīng)余熱鍋爐降溫后，再經(jīng)旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器除塵后成為清潔煤氣供給下游工序。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

氣化爐爐膛采用絕熱結(jié)構(gòu)，爐膛沿高度方向布置了多個氣化劑噴入口，在爐膛下部布置有輔助給煤口。氣化爐采用風(fēng)帽布風(fēng)，風(fēng)帽通過支管與主風(fēng)管相連接，爐膛底部設(shè)有排渣管。旋風(fēng)分離器出口煙道采用90°彎頭轉(zhuǎn)向水平方向，與余熱鍋爐的煤氣進(jìn)口管相連。旋風(fēng)分離器采用切向入口和中心筒偏心設(shè)計，旋風(fēng)分離器筒體內(nèi)壁面和入口內(nèi)壁面均敷設(shè)高溫耐磨耐火材料。

氣化爐主要設(shè)計參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 0.8MPa

操作壓力 0.3MPa

設(shè)計溫度 300℃（外）、1 100℃（內(nèi)）

工作溫度 100℃（外）、950℃（內(nèi)）

主體材料 Q345R S31008

主要介質(zhì) 粉煤、CO、H2

濕煤氣產(chǎn)量 46 900Nm3/h

給煤量 19 790kg/h

有效氣產(chǎn)率 CO+H2＞67%

液壓試驗(yàn)壓力 1.05（立）、1.40（臥）MPa

2 關(guān)鍵零部件制造難點(diǎn)

2.1 異形連接管的制造

異形連接管為連接爐膛與旋風(fēng)分離器的關(guān)鍵部件（圖2）。 爐膛側(cè)為圓形截面，直徑1 840mm，壁厚30mm；旋風(fēng)分離器側(cè)為切向進(jìn)料端口，為長圓形截面。為保證連接管制造精度，異形連接管采用三維SolidWorks展開技術(shù)進(jìn)行放樣、數(shù)控氣割下料［6］，接管分兩瓣在油壓機(jī)上冷壓成形，分瓣組焊、修校端口后氣割去除兩側(cè)端口余量并開制坡口，保證成形尺寸和偏差符合要求。

圖2 異形連接管三維示意圖

2.2 熱電偶接管組裝

氣化爐不同位置共設(shè)計21個測溫口，測溫不準(zhǔn)確會導(dǎo)致爐膛超溫、燃燒失控甚至緊急停車等事故。而熱電偶接管制造組裝誤差直接影響熱電偶的安裝與精度，因此，熱電偶接管精度控制是氣化爐制造的關(guān)鍵點(diǎn)之一。熱電偶接管材料為S31008，規(guī)格為φ45mm×5mm，內(nèi)伸長度380～490mm，熱電偶套管外徑38mm。熱電偶接管制造要點(diǎn)如下：

a.熱電偶法蘭與接管焊縫內(nèi)壁必須打磨齊平光滑、防止熱電偶套管卡死或損傷熱電偶。

b.法蘭面應(yīng)垂直于接管中心線，其偏差不得大于0.825mm，若偏差過大但強(qiáng)力組裝后使熱電偶處于彎曲受力狀態(tài)，則點(diǎn)火升溫后熱電偶套管將會斷裂。

c.熱電偶接管法蘭面與筒體外表面允差為±5mm，若偏差過大，將導(dǎo)致熱電偶伸入爐內(nèi)的長度不一致，造成實(shí)測溫度差異過大。

d.熱電偶接管壁厚5mm，殼體壁厚18～60mm不等，厚壁位置接管與殼體角焊縫處焊接填充量大，熱電偶接管易出現(xiàn)“收腰”現(xiàn)象，導(dǎo)致熱電偶套管無法插入接管內(nèi)部；采用手工鎢極氬弧焊ERNiCrMo-3焊絲小電流、快速焊接，減小熱輸入量并嚴(yán)格控制層間溫度。

e.熱電偶接管組裝完畢后需進(jìn)行模擬件試通試驗(yàn)，同時后期設(shè)備內(nèi)部耐火襯里施工需避免接管承載導(dǎo)致直線度不符合要求。

2.3 返料器風(fēng)帽制造

返料器采用風(fēng)管和風(fēng)帽布風(fēng)，風(fēng)管采用穿墻雙層套管設(shè)計，以便于清理和檢修。如圖3所示在返料器底部共設(shè)計H1、H2兩組風(fēng)管?？拷L(fēng)分離器側(cè)的H1風(fēng)管由11根芯管組成，共計布置81個風(fēng)帽；H2風(fēng)管由12根芯管組成，共計布置53個風(fēng)帽。安裝時，先組裝H1、H2風(fēng)管的芯管和套管與返料器筒體間焊接接頭，筒體坡口預(yù)堆焊E309L，芯管、套管與筒體焊后不再進(jìn)行熱處理。芯管組裝完畢后組裝芯管上的風(fēng)帽組件，最后組裝風(fēng)管與芯管焊接接頭，該焊接接頭進(jìn)行100%RT檢測和100%PT檢測。

圖3 返料器風(fēng)帽結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 爐膛風(fēng)帽制造

氣化爐爐膛采用風(fēng)帽布風(fēng)，爐膛風(fēng)帽的制造精度將對風(fēng)帽阻力產(chǎn)生影響，即風(fēng)帽在不同氣化風(fēng)流量下的壓力降［7］。爐膛風(fēng)帽布置情況如圖4所示，爐膛風(fēng)帽位于爐膛底部，共5組15個，呈梅花狀布置，風(fēng)帽焊接固定于芯管支座上，通過支管與一次風(fēng)主風(fēng)管相連接，主管底部接點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)。

圖4 爐膛風(fēng)帽布置示意圖

芯管、支管和主管均采用S31008耐熱不銹鋼材料，先組裝支管與主管，主管內(nèi)部加支持圈，對稱施焊5組支管防止焊接變形過大。支管組裝完畢后分別組裝支管上的芯管，芯管采用整體模板進(jìn)行定位，保證相對位置和高度符合要求。最后組裝風(fēng)帽，風(fēng)帽采用耐高溫、耐氧化且耐磨的ZG8Cr30Ni15W2合金鑄鋼加工制作，風(fēng)帽結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 風(fēng)帽結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場安裝

氣化爐爐膛和旋風(fēng)分離器支座標(biāo)高位于32 000mm，返料器位于22 000mm，現(xiàn)場采用分段吊裝立式組對方式安裝。標(biāo)高32 000mm框架安裝完畢后使用400t履帶吊車分別將爐膛、旋風(fēng)分離器吊裝就位，然后安裝返料器、異形連接管、蝦米腰彎管部件。組裝異形連接管時根據(jù)實(shí)際方位尺寸現(xiàn)場分別開制爐膛與旋風(fēng)分離器坡口，連接管部件端部留至少300mm余量待與爐膛、旋風(fēng)分離器演裝后割除切向端口并組對。返料器組件整體吊裝就位后分別與旋風(fēng)分離器和爐膛進(jìn)行演裝，然后開制坡口、割除返料器端口余量。最后進(jìn)行旋風(fēng)分離器蝦米腰彎管組裝，所有現(xiàn)場總裝縫均采用電加熱消除應(yīng)力熱處理。

4 水壓試驗(yàn)

設(shè)備整體在框架上進(jìn)行立置水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力1.05MPa。設(shè)備凈重241 267kg，水壓試驗(yàn)時充水和試壓附件總重量約803 267kg（不含澆注和固定件），水壓試驗(yàn)前由結(jié)構(gòu)專業(yè)對爐膛和旋風(fēng)分離器、返料器兩部分載荷分別核算支撐框架結(jié)構(gòu)承載力。水壓試驗(yàn)采用揚(yáng)程泵對設(shè)備進(jìn)行分段灌水，依次將水灌至設(shè)備的1/3位置、1/2位置和頂部位置，并由相關(guān)單位進(jìn)行設(shè)備基礎(chǔ)沉降觀測。當(dāng)壓力容器壁溫與液體溫度接近時，緩慢升壓至設(shè)計壓力，確認(rèn)無滲漏后繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力，保壓30min后將壓力降至設(shè)計壓力，并保持1h后，再進(jìn)行檢查，水壓試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 水壓試驗(yàn)曲線

5 耐火襯里

5.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

氣化爐最高使用溫度為：爐膛內(nèi)部1 100℃，一級旋風(fēng)分離器內(nèi)部1 100℃，返料器和返料立管1 100℃，旋風(fēng)除塵器300℃。承壓外壁面溫度要求為：當(dāng)無風(fēng)、環(huán)境溫度小于或等于25℃時，爐墻外壁非接口處壁面溫度不超過75℃，人孔門、手孔、旋風(fēng)分離器進(jìn)出口及返料口等接口部位壁面溫度不超過80℃。耐火襯里由器壁向設(shè)備中心由7層組成，依次為：輕質(zhì)保溫磚、陶瓷纖維高純氈、輕質(zhì)保溫可塑料、輕質(zhì)保溫澆注料、高強(qiáng)鋯剛玉碳化硅可塑料、高強(qiáng)鋯剛玉碳化硅搗打料、高強(qiáng)鋯剛玉碳化硅澆筑料。

5.2 施工要點(diǎn)

設(shè)備內(nèi)表面滿布Y形耐高溫抓釘，施工前需補(bǔ)焊抓釘，并在抓釘、直徑不大于100mm內(nèi)伸接管等表面涂刷瀝青，直徑大于100mm內(nèi)伸接管外壁包裹陶瓷纖維紙。施工過程中不得以熱電偶套管等內(nèi)伸接管做支撐，防止損傷變形。氣化爐爐膛和旋風(fēng)分離器頂部、中部、下封頭處共設(shè)計24個排氣孔，水壓試驗(yàn)后割除封堵管帽，待烘爐結(jié)束后按圖7所示進(jìn)行封堵。

圖7 排氣孔結(jié)構(gòu)示意圖

5.3 烘爐

襯里外側(cè)耐磨材料在干燥過程中，經(jīng)過升溫、恒溫等在350℃時能夠充分析出游離水，在高溫階段，溫度在達(dá)到550℃并經(jīng)過恒溫后能夠滿足結(jié)晶水析出條件［8，9］。由于耐磨材料密度大，內(nèi)襯具有相當(dāng)?shù)暮穸?，水分緩慢均勻析出、并使其體積達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)極為困難，因此干燥過程是烘爐的重要環(huán)節(jié)。烘爐過程分兩個階段：常溫至350℃±30℃為低溫烘爐階段；350～800℃為中高溫烘爐階段（圖8）。中高溫烘爐階段在氣化爐試運(yùn)行過程中同時完成。為校驗(yàn)烘爐效果，在爐墻施工的同時制作爐膛、返料器和旋風(fēng)分離器爐墻試塊各一件，在烘爐前擺放到各個烘爐部位。烘爐結(jié)束后按烘爐取樣分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收，要求耐火、耐磨材料的殘余水分小于2.5%為合格。

圖8 烘爐曲線

6 結(jié)束語

筆者參與設(shè)計制造的循環(huán)流化床加壓煤氣化爐是國內(nèi)首套低階粉煤循環(huán)流化床加壓煤氣化示范項(xiàng)目的核心設(shè)備，已建成交付并成功運(yùn)行。通過對加壓氣化爐關(guān)鍵零部件的制造、現(xiàn)場分段組焊、水壓試驗(yàn)及耐火襯里施工等進(jìn)行研究分析，制定了合理解決方案，成功解決了設(shè)備制造與安裝過程中的難點(diǎn)、關(guān)鍵問題，為該新型循環(huán)流化床加壓煤氣化技術(shù)在國內(nèi)推廣奠定了重要基礎(chǔ)。