Texaco煤气化炉激冷环失效原因分析及对策

1、Texaco 煤气化炉激冷环失效原因分析及对策李聿营（中国石化齐鲁分公司第二化肥厂，山东淄博 255400）摘要 介绍了 Texaco 煤气化炉激冷室的工作机理。结合齐鲁 Texaco 煤气化炉激冷环的结构特点和使 用状况，阐述了激冷环的主要失效模式及危害，从高温烧蚀、结垢堵塞、冲刷腐蚀等方面进行了失效机理分析； 提出了提高材料的性能参数、控制激冷环加工质量、应用激冷环的隐蔽技术、稳定工艺操作、改善激冷水质、加 强定期维护等对策措施，以延长激冷环的使用寿命，实现煤气化装置的长周期运行。关键词Texaco 煤气化炉，激冷环，失效模式，机理，对策措施文章编号：1005-9598(2014)-01-

2、0039-04 中图分类号：TQ545 文献标识码：B中国石化齐鲁分公司第二化肥厂煤气化装置采 用美国 GE 公司 Texaco 煤气化技术 ，3 台 2 800 mm 气化炉，日投煤量 1 700 t，每小时产有效气（COH2） 10 万 m3/h，用于 33 万 t/a 丁辛醇 OXO 合成原料气，同 时生产 50 000 m3/h 氢气外供。 该装置于 2008 年 10 月 24 日投产，是中石化继金陵、南化之后再次采用水 煤浆气化装置，也是国内继渭化 、惠生公司等之后采 用 Texaco 6.5 MPa 水煤浆气化技术的装置。Texaco 水煤浆加压气化是洁净煤气化技术之一， 具有高

3、效、低污染、易自动控制等优点，核心设备气化 炉是整个装置中关键设备，其运行工况极为苛刻，高 温（1 350 ）、高 压（6.5 MPa）、强 还原气氛和液态酸 性排渣，并伴随着固体、液体、气体的高速冲刷，且在 开停车时，有较大的温度和压力波动等。激冷环是连 接燃烧室和激冷室的通道，一旦失效，会在激冷环附 近结渣堵塞通道，使高温粗合成气和液态熔渣发生偏 流，加剧对激冷环和下降管的高温烧蚀和冲刷磨损， 大大降低其使用寿命，影响气化炉操作的稳定性和煤 气化系统的运行周期。本文根据煤气化炉激冷室的工作机理和激冷环 的结构特点，结合齐鲁煤气化装置激冷环的使用状 况，找出其主要的失效模式，并通过原因分析，

4、提出延 长激冷环使用寿命的措施，从而实现煤气化装置的长 周期稳定经济运行。1Texaco 煤气化炉激冷室的工作机理Texaco 煤气化炉的燃烧室与激冷室合为一体，激 冷环是二者之间的连接通道。在燃烧室内，水煤浆与 氧气混合后，在 1 350 左右的温度下进行气化反 应。反应后的高温粗合成气和熔融态的灰渣经激冷环 出气化炉燃烧室，沿下降管进入激冷室，与水直接接 触，同时发生相变和热质传递。激冷室主要由激冷环 和下降管两部分组成，激冷环与燃烧室底部托砖板连 接固定，隐蔽于锥底砖的保护之下；下部与下降管连 接，引导高温熔渣和气体进入激冷室水中。激冷水泵 从炭黑洗涤塔底部，把激冷水送入激冷环，激冷水经

5、 激冷水室 36 个布水孔喷射进入激冷室，迅速降低激 冷环表面温度，激冷水温略为上升，再由 8.9 mm 宽的 环形槽缝流出，沿下降管内表面呈膜状下流，与工艺 气并流接触。该水膜避免了高温气流与下降管直接接 触，达到保护下降管的目的。经过激冷室后，工艺气温 度急剧降低并增湿，同时除去大部分炭黑和灰渣，以 满足后续工段的需要。2Texaco 激冷环结构特点及使用情 况2.1激冷环结构特点齐鲁 Texaco 煤气化炉采 用“C 型 ”激 冷 环（见 图收稿日期：2013-10-26作者简介：李 聿 营 （1972 ）， 男 ， 山 东 昌 乐 ， 高 级 工 程 师 ， 硕 士 ，1994 年本科

6、毕业于大连理工大学化工机 械系 ， 主 要 从 事 煤 化工设备技术管理工作 ，E-mail:qlehjdb1），主要由 4 根激冷水进水总管、半圆环管、布水内环和激冷水室等部件构成。激冷水从进水总管进入激冷 水室，然后经布水孔冲击布水内环和半圆环管，从半蒸单元来高压灰水以及变换单元来高压冷凝液。激冷水是含有气 / 液 / 固三相的介质流，其固体悬浮物和 浊度较高，而且液相中含有 Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-、CO3 、NH4圆环管与下降管之间的间隙(以下称环隙)流下。激冷 环布水孔规格为 36× 14 mm，与之对应加工清洗孔等多种离子。2.2.2激冷环使用状况2-+为 36

7、×3/4" 的管螺纹孔；布水孔方向为与激冷环中 心切向 24°、与加工清洗孔轴线斜上 2°进水，经布 水内环折流发散，从而有效地减轻了激冷水对半圆环 管的冲刷，也使得激冷水在半圆环管内旋转流动，通 过环隙后，在下降管内壁上形成旋转向下的水膜，更 有利于保护下降管。半圆环管采用整体锻件加工成尺 寸为 762.2 mm×7 mm“C 型 ”结 构 ，其与下降管之间 环隙控制尺寸为 8.9 mm，保证下降管内壁上水膜厚度 均匀。激冷水室则是由整体锻件加工而成。基 准 面h m2356141 激 冷 水 室2 布 水 内 环3 半 圆 环 管4 布 水

8、 孔5 进 水 总 管6 加 工 清 洗 孔图 1 激冷环结构示意图激冷环材质为 Incoloy825，是固溶态高强度奥氏 体镍铁铬合金（化学成分见表 1)，具有良好的耐应力 腐蚀开裂性能、耐点腐蚀和缝隙腐蚀性能、抗氧化性和 非氧化性热酸性能以及很好的抗磨损性能，是美国超合 金公司为温度升高时抗氧化和炭化而专门设计的。表 1 Incoloy825 化学成分及主要性能Ni/%Cr/%C/%Mn/%Si/%384619.523.50.0251.00.5Mo/%Cu/%Co/%Al/%Ti/%2.53.51.53.01.00.20.61.2S/%Fe熔 点 /布 氏 硬 度 HB0.03余 量1 3

9、701 4002002.2 齐鲁 Texaco 激冷环使用情况 2.2.1 激冷环运行工况齐鲁 Texaco 煤气化炉采用全煤为气化原料 ，燃 烧室设计压力为 6.5 MPa，操作温度 1 350 ，水煤浆 投入量为 42 t/h； 激冷水系统操作压力 7.75 MPa 8.40 MPa，操作温度为 240 ，激冷水流量正常为 220 t/h 左右，pH 值 8.0 左右。生产的粗合成气成分主要 有 H2、CO、CO2、CH4、H2S 等；而排放的熔渣主要成分有 Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3、MgO 及其他微量元素化合物。激 冷水水源主要有：粗合成气洗涤塔底部黑水 、黑水闪齐鲁 T

10、exaco 煤气化装置运行以来，多次发生因 激冷环失效导致系统停车情况。激冷环失效主要表现 为激冷水量大幅下降，系统负荷降低；激冷环泄漏挂 渣、气化炉渣口或下降管堵塞，导致炉膛燃烧室压力 升高，系统无法维持正常生产。激冷环失效模式主要为半圆环管表面龟裂严重， 局部冲蚀泄漏；布水内环冲蚀，水分布效果差；布水孔 堵塞、冲蚀，激冷水量减少，下降管水膜厚度不均匀或 局部无水膜保护。其中，激冷环半圆环管失效平均周 期为 7 300 h 左右；激冷环整体失效平均周期 14 000 h 左右。2.2.3激冷环使用状况检验分析对齐鲁煤气化装置使用后激冷环的半圆环管 、 本 体 法 兰 以 及 布 水 内 环

11、Incoloy825 材 料 进 行 了 光 谱分析和硬度测试 ，材料化 学成分和物理性能符合 相关标准。对使用后激冷环进行相关部位的 UT 和 PT 检查， 金相检验显示激冷环半圆环管迎火面存在微裂纹，为 沿晶开裂，在奥氏体基体和晶界上析出了颗粒状和片 状合金碳化物，同时表层还有氧化层和沿晶氧化特 征。显微金相组织为孪晶奥氏体基体 + 氮化物 + 碳化 物，奥氏体晶粒大小不均匀，依据 GB64932002金 属平均晶粒度测定方法， 分析部位晶粒度评级为 3.5 级。依据 GB/T105612005钢中非金属夹杂物含 量的测定标准评级图显微检验法，金相分析部位含 有一定的非金属夹杂物，其中氧化

12、物和氮化物类非金 属夹杂物较多。3Texaco 激冷环失效危害及机理分析3.1失效危害激冷环失效会使激冷环布水量大幅减少或形成 局部偏流，导致下降管内水膜厚度不均匀，液态熔渣 在煤气化炉锥底口结渣或下降管内壁挂渣，产生堵 塞，并对气化炉锥底砖 、激冷环半圆环管和下降管产 生局部高温烧蚀和高速流体的冲蚀；为消除局部结渣 堵塞，气化炉要提温操作进行熔渣，炉温升高又加速 了气化炉炉砖的烧蚀。而激冷环一旦失效，就必须停 车更换，相应的气化炉锥底砖也必须进行更换，检修2014 年 2 月李聿营：Texaco 煤气化炉激冷环失效原因分析及对策- 41 -周期较长，作业难度大，检修费用高；系统开停车又对 气

13、化炉炉砖的使用寿命及激冷水系统堵塞影响大，且 浪费严重。3.2 失效机理3.2.1 高温烧蚀Texaco 激冷环隐蔽于锥底砖之下，避免与高速流 动的高温气体和熔融态的灰渣直接接触。当锥底砖发 生烧蚀损坏，导致渣口扩大，就会使激冷环半圆环管 表面暴露在通道之中，造成高温烧蚀。Incoloy825 为固溶奥氏体材料，属铁基超耐热合 金，液相线温度 1 400 ，固相线温度 1 370 ，极限 耐热 1 000 。因此，当激冷环外环迎火面温度大于1 000 时，将引起迎火面过热，甚至表面熔化。激冷 环金相组织的变化反映了材料在高温条件下的冶金冷环的堵塞，造成气化炉液位不稳定，又使粗合成气 带有大量的

14、灰水进入洗涤塔，增加洗涤塔下部灰量， 发生堵塞，形成恶性循环2。当煤气化装置开停车及系统生产负荷波动时，容 易造成激冷水管线内垢体脱落，并与系统内的灰渣一 起在如激冷环布水孔等口径较小的位置局部积聚，形 成堵塞，造成激冷水量大幅下降，严重时会造成装置 停车。3.2.3冲刷腐蚀+冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀流体之间由于高速 相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐 蚀交互作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀， 是存在气 / 液 / 固三相介质流的激冷水循环系统中 最普遍的一种腐蚀机理。由于激冷水含有一定量的固不稳定性和气化炉内介质为渗碳和强氧化交替进行。体灰渣颗粒以及存在大量的 H2S、CN

15、-、NH4和 Cl- 等腐高温下碳氢化合物、氢及水蒸气容易造成材料渗碳； 粗煤气和熔渣中硫化物与含镍材料在 800 以上时， 可产生低熔点的 NiS(熔点 810 )和 Ni3S2(熔点 787)，甚至与 Ni 形成共晶点为 645 的 Ni-Ni3S2，导 致金属沿晶开裂1。另外，激冷环半圆环管外环迎火面承受大于 1 000 高温，内表面则受到 240 激冷水的冷却，存在热应 力作用。同时由于在裂纹内部形成的氧化物和硫化物 体积比原金属体积大 23 倍，导致了裂纹尖端应力集 中，加速了裂纹扩展。在气化炉开停车炉温较低时，奥 氏体材料表面硫化物与空气和水容易产生连多硫酸 腐蚀，对激冷环的开裂起

16、促进作用。3.2.2 激冷环堵塞-原料煤中存在一定量的钙 、镁 矿物质 ，原 料成浆 气化后，均以 Ca2+、Mg2+ 形式存在于灰水中 ，造 成灰水 总硬度偏高；而煤气中的 CO2 溶于灰水中形成 CO32-、 HCO3 ，在 240 高温条件下，会促进 CaCO3、MgCO3 的生 成。从变换单元返回的高压冷凝液中氨含量较高，这 部分水通过洗涤塔进入灰水系统中，造成激冷水系统 pH 值升高；在激冷水系统中氨逐渐浓缩，总碱度不断蚀性离子，在流出激冷环布水孔时，容易造成布水孔、 布水内环以及半圆环管的冲刷磨损，导致内部材料表 面暴露在腐蚀性流体中，进一步加剧上述部件的失 效，使激冷室内水流导向

17、逐渐改变，水分布不均匀；激 冷水布水偏流，又对激冷环半圆环管内壁形成局部冲 刷腐蚀，继而在高温烧蚀以及热应力循环作用下，使 半圆环管成为激冷环最薄弱的环节。4对策措施4.1提高材料的性能参数 选用优质 Incoloy825 材料，其中 Ni 质量分数 40%，Fe 质量分数22%，铬钼含量控制在标准范围之 内 ，布 氏硬度 HB190；为 降低激冷环各部件的冲刷 腐蚀速率，对半圆环管内壁 、布水内环以及 36×14 mm 布 水 孔 采 取 表 面 喷 涂 硬 质 合 金 防 护 层 ， 使 In- coloy825 材质表面硬度 HB360，有效地增强了关键 部件抗冲刷磨损能力。4

18、.2关键尺寸参数控制 激冷环制作加工过程中，关键尺寸参数控制是决-升高，HCO3转化为 CO32-，随 着 CO32-的浓度增加 ，促 使定激冷环使用寿命和水分布效果的最重要的影响因Ca2+、Mg2+ 生成 CaCO3、MgCO3，使得包括激冷环布水孔在 内的激冷水系统容易产生结垢而堵塞，造成激冷水流 量下降。另外，Texaco 煤气化炉反应产生的大量煤灰和未 反应的残炭细微颗粒随粗合成气进入洗涤塔，部分通 过洗涤塔底黑水进入激冷水系统，形成悬浮物。如果 洗涤塔底堵塞，使塔内积聚下来的细灰无法排出，大 量细灰随洗涤塔循环泵送入气化炉激冷环，加剧了激素。图 1 中布水内环轴线与大法兰基准面高度

19、h、布 水孔与加工清洗孔轴线夹角 、加工清洗孔轴线与激 冷环直径夹角 是激冷环最重要的加工控制参数，这 些设计尺寸参数有效地减小了激冷水对半圆环管及 布水内环的冲击角度和速率，并使得激冷水产生旋转 流动，延长激冷环使用寿命，增强水分布的效果；半圆 环管与下降管之间环隙 m 决定了保护下降管的水膜 厚度。在保证激冷水量的前提下，采用 36 个 14 mm布水孔，能有效地增加水分布的均匀度。4.3激冷环隐蔽技术激冷环隐蔽技术是利用 Texaco 煤气化炉锥底渣 口尺寸小于激冷环直径的特点，使其半圆环管迎火面 隐蔽于炉砖之下，可以避免高速流动的高温粗合成气 以及熔融态的灰渣与激冷环的直接接触，受热方

20、式由 直接冲刷变为辐射，其表面温度可降至 600 左右， 从而减少对激冷环的高温烧蚀和冲刷腐蚀，有效延长 其使用寿命。当锥底砖排渣口烧蚀变大时，要及时进 行停炉更换，对激冷环进行保护。因此，延长锥底砖使 用寿命，可以提高激冷环的运行周期。4.4加强工艺操作的稳定性 4.4.1加强工艺操作的稳定性，合理控制气化炉负 荷、操作温度以及连投次数，避免气化炉高温区的过 度下移，从而降低熔渣温度，减少锥底砖渣口的蚀损， 有效地防止激冷环与高温熔渣的接触烧蚀。4.4.2 严格控制好气化炉液位，防止气化炉粗煤气 出现带水、带灰现象，使灰渣在粗合成气洗涤塔内沉 积，避免影响激冷水水质。4.4.3加强工艺运行参

21、数的控制，减少气化炉开停 车次数，避免工艺参数的大幅波动对激冷水管线的冲 击而造成激冷水系统的管线垢体脱落，导致激冷水量 下降或激冷环的堵塞；重点加强对气化炉工艺烧嘴、 耐火砖、激冷环以及特殊工艺阀门等关键设备的技术 攻关，有效延长其使用寿命，提高煤气化炉运行周期。 4.5改善激冷水水质4.5.1严格控制煤质，选择低灰熔融性温度、低灰分原料煤。煤的灰熔融性温度高，导致气化炉提温操作， 造成激冷水系统温度升高，Ca2+、Mg2+ 大量析出，加速 系统结垢堵塞；灰分含量高，也相应造成激冷水系统 灰渣颗粒含量增加，容易产生灰渣积聚堵塞，同时也加剧了对激冷环关键部件的冲刷腐蚀。4.5.2改善灰水水质，

22、控制好闪蒸系统的真空度，保 证闪蒸效果；对絮凝剂 、分散剂的加入量进行及时调 整，稳定灰水沉降槽的操作，保证沉降效果，降低灰水 中灰渣固体颗粒含量；对灰水系统保持适度的外排量， 降低灰水系统的总硬度和氨氮浓度，及时补充脱盐水， 使系统一直处于相对洁净的状态；定期检测高压灰水 泵出口悬浮物含量，及时对系统操作进行调整。 4.5.3控制好激冷水系统的 pH 值，保证 pH 值在合适 的范围，降低系统总碱度，减少 Ca2+、Mg2+ 生成 CaCO3、 MgCO3，减缓激冷水系统的结垢2。4.6 定期维护管理4.6.1 定期对激冷水系统进行冲洗维护。定期拆下激冷环 36 个加工清洗工艺孔丝堵，逐个对

23、应布水孔进行 高压水冲洗，并用塞棒确认清洗质量；打开激冷水过滤 器、断开激冷水管线，进行高压水清洗检查，确保管线 内无垢体残留物；在线进行激冷环水分布试验，从燃 烧室内观察水分布情况，确认下降管内形成持续均匀 水膜；确认激冷环丝堵及进水管线连接法兰无泄漏。 4.6.2 定期对激冷环半圆环管迎火面及下降管进行 测厚和着色渗透无损检测，及时消除表面裂纹，并对 局部减薄部位进行补焊处理。4.6.3 对气化炉锥底砖的使用情况进行检查，严格 按照锥底砖使用寿命控制气化炉系统运行时间，定期 更换，避免对激冷环造成高温烧蚀。参考文献：1 李 美 栓.金属的高温腐蚀M. 北 京 ： 冶金工业出版社 ，2001

24、.2 李 聿 营 .Texaco 煤 气 化 激 冷 水 系 统 问 题 分 析 及 对 策J.齐 鲁 石 油 化 工 ，2013，41（2）:103-108.Cause Analysis of the Quench Ring Failure of the Texaco Coal Gasifier and Its CountermeasuresLi Yuying(The Second Chemical Fertilizer Plant of Sinopec Qilu Branch, Zibo Shandong 255400, China)Abstract The working mechanism of the