水煤浆气化炉托砖板损坏原因分析及处理措施【1】

　　

水煤浆气化炉托砖板损坏原因分析及处理措施

张希海 徐延梅

（山东华鲁恒升化工股份有限公司）

摘要：水煤浆气化炉是水煤浆加压气化装置中的关键设备，本文着重介绍托砖板部位损坏情况及原因分析，并提出改进方案。

关键词：气化炉、托砖板、裂纹、腐蚀、结构改进

气化炉是水煤浆加压气化装置中的核心设备。水煤浆经高压煤浆泵加压后进入工艺烧嘴煤浆管，空分来的高压氧气经调节流量后分别进入工艺烧嘴的中心管和环管。水煤浆与纯氧通过气化炉顶部的工艺烧嘴喷出后充分混合、雾化，在气化炉中发生部分氧化反应。

反应在6.5MPa（Ｇ）、1350～1400℃下进行。气化反应在气化炉反应段瞬间完成，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等气体。离开气化炉燃烧室的热气体和熔渣进入气化炉下段激冷室，被水淬冷后温度降低并被水蒸汽饱和后出气化炉。

我公司在运行中，发现燃烧室底部的托砖板产生严重裂纹、托砖板上翘、密封面腐蚀等问题。托砖板上托锥底砖，下与激冷环连接，如果产生问题势必影响气化炉的安全运行，为找出原因，并解决问题，我们进行了详细分析，采取了相应应急措施，并制定了详细的改进方案。

1. 现状调查：

l 托砖板内径尺寸变大，造成底层砖尽1/2无法完好支撑，给砌砖带来难度；

l 径向方向产生大量放射状裂纹，其中三条裂纹开裂严重开口处宽约10mm，裂纹长度约17cm，其他裂纹开口明显，长度较短；裂纹造成托砖板强度降低，若裂纹继续扩展，会造成无法承受锥底及压差产生的力而坍塌，造成严重事故。

l 托砖板水平方向变形，由于开裂导致托砖板上翘，与连接的激冷环间形成宽约15mm开口；托砖板底面表面腐蚀，造成密封面凹凸不平。

l 由于托砖板变形，造成安装激冷环时，螺栓不垂直，激冷环安装十分困难；托砖板变形

2. 原因分析：

2.1 氢致应力腐蚀开裂与氢致开裂

由于钢材在高温高压氢气环境下操作时，氢气扩散侵入钢材中，当冷却过程中，由于氢来不及从钢材中向外释放，钢材内就会吸入了一定的氢，从而引发裂纹。氢致裂纹只要有氢致应力腐蚀开裂与氢致开裂两种形式，氢致应力腐蚀开裂主要与应力方向有关，氢致开裂与输入氢的压力有关，当输入压力较大时，才会产生裂纹。气化炉在实际运行时，托砖板处于燃烧室与激冷室交界处，温差应力、高压氢环境及高温烧蚀是产生裂纹的主要原因。

2.2 高温腐蚀

在气化炉燃烧室生成的粗煤气中除含有CO、H2、CO2和H2O等主要成分外，另外还含有H2S、SO2等微量成分，进入激冷室前温度1000℃以上，压力5.8~6.0MPa。托砖板法兰材料在高温氧化性介质(C02、H20等)中受热时，会造成氧化腐蚀。而高温下金属与H2S、SO2接触，则会造成硫化腐蚀。在高温、高压下，粗煤气中的氢会侵入托砖板法兰材料中与铁的不稳定碳化物Fe3C反应生成CH4，使钢基体平均含碳量降低，造成表面脱碳。

另外少量高压氮气会经过烧嘴、取压点进入气化炉中，在高温、高压环境下，氮气与氢气会产生少量氨。工艺气中C02、H2O和微量O2会催进氨对钢的腐蚀，反应式如下：

2NH₃+CO₂→NH₄CO₂NH₂（氨基甲酸氨）

NH₄CO₂NH₂→NH₄⁺+CO₂NH₂^-

O₂+2NH₄⁺+Fe→2Fe₂⁺+2OH^-+2NH₃

NH₃+H₂O→NH₄⁺+OH^-

反应中的氨基甲酸铵对碳钢有强烈的腐蚀作用，使钢材表面的钝化膜产生破裂，并在此产生阳极腐蚀。

2.3 高温冲蚀

高温、高速的粗煤气携带着熔融态炉渣出锥底砖渣口后，在托砖板法兰内径处产生湍流，对托砖板法兰会产生冲刷、剪切作用，作用的结果是在托砖板法兰内孔处材料表层转化为表面变形能，从而造成托砖板法兰材料的冲蚀、剥离。

气化炉在实际操作过程中，有时会出现渣口挂渣和下降管挂渣甚至堵塞现象，造成燃烧室与激冷室间压差升高现象。当渣口挂渣时，出燃烧室介质流速应比正常要高，从而对托砖板法兰造成的冲蚀、剥离作用要厉害。下降筒堵渣后，因阻力变大，也会加剧介质在托砖板法兰处的湍流。

3. 采取措施：

3.1 临时措施：

参考气化炉的燃烧室结构图进过分析，锥底锥底托砖板承受两部分力，一为部分锥底砖的重量约1400Kg，另一部分为气化炉运行时渣口砖表面的压力：即压差0.04Mpa/㎡×水平有效面积0.52㎡。由以上可计算气化炉正常运行时托砖板实际承受的压力为0.68Mpa/㎡。考虑到托砖板厚度为86mm，若控制裂纹不再扩展，可以承受以上压力。

另外影响安全运行的重要因素就是该部位的密封。托砖板虽然底部腐蚀比较严重，但是靠近螺栓部位比较紧固，密封面比较完好，同时该部位压差比较小，只有0.04Mpa，完全能保证密封。

考虑到以上因素，我们采取以下措施：

l 用钢丝刷打磨干净托砖板表面，对裂纹进行着色检测，找出裂纹末端位置。然后在裂纹末端沿裂纹发展方向打Ф6mm的止裂孔，止裂孔要打透托砖板，然后孔内用Ф6mm的圆钢卯上，表面打磨平。止裂孔可防止裂纹继续延伸。

l 托砖板密封面打磨干净，涂抹高温密封胶。这样可以部分弥补腐蚀的密封面，同时增强外延密封面的密封性能。外延完好密封面宽度约40-50mm，通过以上处理完全能满足密封性能。

l 在托砖板内沿涂抹高铬浇注料，可以起到保护托砖板的作用，同时将翘起的开口填充，可有效阻止灰渣进入深入间隙，可以起到保护密封面和增强密封的效果。

3.2 结构改进措施：

为了彻底修复托砖板，我们确定更换新的托砖板。考虑到托砖板处的运行环境十分恶劣，托砖板直接暴露在工艺气环境下，承受高温、高压、高流速的腐蚀性介质的影响，任何金属长时间在这种情况下，都免不了出现裂纹、腐蚀等缺陷。首先我们确定，扩大托砖板内径尺寸，在内测砌筑一层高铬耐火砖，将托砖板与高温气体和炉渣隔离，可以有效降低冲刷、腐蚀及托砖板温度。

另外托砖板内侧即使有一层高铬耐火砖保护，由于传热和密封性等因素，托砖板避免不了收高温和氢腐蚀等影响而产生裂纹，进而发生变形。为有效解决该问题，我们板托砖板做成两部分，在内侧增加一内环，即使内环开裂，也不会继续往后扩展到，进而避免变形的产生。

具体结构如下：

结构改进图

I 局部结构图

4. 运行效果：

4.1 临时措施效果

运行一周期拆检该部位发现，通过采取以上，托砖板部位的裂纹、腐蚀等问题得到有效控制，裂纹、腐蚀未在继续扩展，密封面良好，未发现串气的痕迹。采取以上措施运行一年后检查，仍为发现裂纹、腐蚀继续扩展，密封良好。

运行后复检

经过几次检查后的效果看，以上措施起到了良好效果，有效控制了缺陷继续扩展，并且完全满足安全运行条件，为彻底检修赢得宝贵时间，有效避免了了生产损失。

4.2 结构改进效果

该结构已在二期的气化炉上使用，自开车至今已多年。通过检修机会多次检查托砖板，均未发现无裂纹、腐蚀、变形等缺陷。实践证明该结构效果良好。

5. 参考文献：

[1] 陈匡民. 过程装备腐蚀与防护［M］. 北京：化学工业出版社，2001. 60-72.

[2] 周夏;李祥华;孙新华;黄敏;谢春晖. 水煤浆加压气化炉托砖板法兰的维修. 《化肥设计》2006年 第04期 54页.

山东省德州市天衢西路24号 华鲁恒升化工股份有限公司 检修分部253024

联系人：张希海 13310602356 zhangxihai810@163.com

1982年 籍贯：山东省德州市 2007年毕业于济南大学 学士学位

职称：助理工程师 从事公司的气化炉设备管理与维修工作

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