申文廣

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

0 引言

4.0MPa碎煤加壓氣化爐是一種移動(dòng)床氣化爐型，以劣質(zhì)褐煤為原料，廣泛應(yīng)用于煤制甲醇、乙二醇、合成油、煤制天然氣等領(lǐng)域。碎煤加壓氣化過(guò)程是一個(gè)在高溫和（高）壓力下進(jìn)行的復(fù)雜多相的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，主要是煤中的碳與氣化劑、氧和水蒸汽等之間的反應(yīng)，反應(yīng)生成物煤氣的組成決定于原料性質(zhì)、氣化劑的種類(lèi)及制氣過(guò)程的條件，作為人工天然氣（SNG）原料氣的煤氣有效組成主要是氫、一氧化碳和甲烷碎的煤加壓氣化裝置。其主體設(shè)備從上而下包括煤鎖、氣化爐、灰鎖、爐篦系統(tǒng)等。目前，在役使用的碎煤加壓氣化爐多為魯奇的第三代氣化爐，具有壓力下氣化，生產(chǎn)能力大，故障率低，技術(shù)成熟等特點(diǎn)，其中爐篦裝置是碎煤加壓氣化爐的核心裝置，爐篦裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 爐篦裝置簡(jiǎn)介

1.1 爐篦結(jié)構(gòu)

4.0MPa碎煤加壓氣化爐爐篦安裝于氣化爐下部、下灰室上方，爐篦承寶塔型結(jié)構(gòu)，自上而下分為5層，分別為701、702、703、704、705爐篦蓋板，其中701、702是一體鑄造成型，703、704、705分別由4、4、6塊蓋板拼接而成。爐篦的主要作用有3方面：一是支撐整個(gè)床層移動(dòng)；二是在氣化爐橫截面上分布?xì)饣瘎?；三是排灰、破碎大塊灰渣以免堵塞爐篦下部下灰室空間。氣化劑從爐篦底部沿著氣化劑混合管上升，通過(guò)各層布?xì)饪拙鶆虻膶饣瘎┓植肌；旌虾蟮臍饣瘎囟仍?50℃左右，當(dāng)氣化劑流經(jīng)爐篦空間時(shí)，可以起到冷卻、降溫的作用，從而提高爐篦的使用壽命[1]。

爐篦最下端設(shè)有3把刮刀安裝口，刮刀的安裝數(shù)量由原料煤的灰分含量來(lái)決定，灰分含量較少時(shí)可安裝1～2把刮刀，灰分含量較高時(shí)安裝3把刮刀，因目前市場(chǎng)上大部分都以褐煤為原料，普遍安裝2把右旋排灰刮刀。爐篦的傳動(dòng)采用電動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏多，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速方便、可調(diào)整力矩大、工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 爐篦材質(zhì)介紹

爐篦上各部件材質(zhì)多為耐熱鑄鋼，材質(zhì)執(zhí)行德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)，主要鑄件材質(zhì)牌號(hào)有G-X22CrMoV121、G-X25C rNiSi2014、G-S35CrMoV104、G-X165CrMoV12、G-S17Cr Mo55等，該類(lèi)材質(zhì)高溫強(qiáng)度高、抗蠕度性能好、產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，并且廢舊件具有較高的回收價(jià)值。

其中G-X25CrNiSi2014材質(zhì)主要用在爐篦蓋板、爐篦頂、爐篦環(huán)、爐篦環(huán)段、輸灰刀、刮灰刀等部分，這些部分的工況條件為高溫且與爐灰接觸摩擦，對(duì)材質(zhì)的耐磨性要求較高，且使用時(shí)可能受高、低溫波動(dòng)大。該材質(zhì)與我國(guó)ZG25Gr20Ni14Si2材質(zhì)牌號(hào)相類(lèi)似（文中均以ZG25Gr20Ni14 Si2材質(zhì)特性進(jìn)行說(shuō)明），屬于Cr-Ni型奧氏體耐熱鑄鋼，由于鋼中鉻、鎳元素含量較高，具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，最高使用溫度可達(dá)900℃。該鋼材的最高氧化溫度可達(dá)1050℃，其抗氧化腐蝕速率在900℃時(shí)為0.1mm/a，1100℃時(shí)為1.1mm/a[2]。

其化學(xué)成分為：C 0.15～0.35、Si 1.0～2.5、Mn 2、P≤0.04、S≤0.03、Cr 19.0～21.0、Mo 0.5、Ni 13.0-15.0。

室溫力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度≥230MPa，抗拉強(qiáng)度≥450 Mpa，伸長(zhǎng)率≥10%。

高溫力學(xué)性能：1%（1%蠕變變形）-10000h的蠕變強(qiáng)度/Mpa見(jiàn)表1。

表1 ZG25Gr20Ni14Si2材料高溫力學(xué)性能

2 氣化爐爐篦運(yùn)行存在的問(wèn)題

某煤制氣公司自投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定8年，其氣化爐爐篦裝置存在的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，爐篦蓋板平均使用壽命在24000小時(shí)左右，具不完全調(diào)查，同行業(yè)爐篦蓋板損壞的原因主要有2方面，一方面是裂紋，701、702爐篦蓋板產(chǎn)生裂紋的較為嚴(yán)重；另一方面是腐蝕磨損減薄，701-705蓋板由上至下磨損程度逐漸增大，尤其是705爐篦蓋板磨損情況更為嚴(yán)重。

某煤制氣公司氣化爐705爐篦蓋板在平均運(yùn)行10000小時(shí)后，開(kāi)始出現(xiàn)耐磨條磨損、磨平情況，在平均運(yùn)行24000小時(shí)后，開(kāi)始出現(xiàn)耐磨條磨沒(méi)、蓋板磨透的情況，具體磨損情況如圖1、圖2。

圖1 氣化爐運(yùn)行10000小時(shí)后磨損情況

圖2 氣化爐運(yùn)行24000小時(shí)后磨損情況

同行業(yè)魯奇爐705爐篦蓋板使用更換情況如表2。

表2 同行業(yè)魯奇爐705爐篦蓋板使用情況

3 爐篦蓋板缺陷原因分析

3.1 累計(jì)磨損

因?yàn)闋t篦的主要作用是分布?xì)饣瘎?、排灰、破碎大塊灰渣、使整個(gè)床層移動(dòng)，氣化爐正常運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)存煤、灰渣在70噸左右，爐篦正常轉(zhuǎn)速4-6轉(zhuǎn)/h，每小時(shí)排灰量6.5噸左右，爐篦在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中與灰渣之間相互摩擦，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要克服灰渣的重量摩擦阻力，必然會(huì)造成爐篦蓋板的磨損，且705爐篦蓋板處于寶塔結(jié)構(gòu)最下端邊緣處、與灰渣接觸面積最大、相對(duì)線速度大、也最容易磨損。此外，某煤制氣公司原料煤為劣質(zhì)褐煤，灰分偏大，多在11%左右，再加上煤源不穩(wěn)定，頻繁更換煤種，褐煤、煙煤摻燒比例不定，爐篦轉(zhuǎn)速也較設(shè)計(jì)值高的多，多以大轉(zhuǎn)速排灰、調(diào)整工況，從而加速其磨損。

3.2 高溫疲勞

碎煤加壓氣化是移動(dòng)床逆流工藝過(guò)程，在氣化爐的縱剖面自下而上可分為五個(gè)區(qū)：灰床層、燃燒層、氣化層、干餾層、干燥和預(yù)熱層，五個(gè)區(qū)的高度和溫度如表3所示。

表3 床層高度與溫度之間的關(guān)系

從表3中得知，正常運(yùn)行形時(shí)，灰層溫度在450℃左右，一旦出現(xiàn)氣化爐工況不好，燃燒層下移，勢(shì)必會(huì)造成灰層溫度升高。通常以約比溫度來(lái)判斷一種金屬材料是否在高溫環(huán)境下工作，約比溫度=使用溫度（K）/合金熔點(diǎn)（K），當(dāng)約比溫度＞0.5時(shí)表示在高溫狀態(tài)，當(dāng)約比溫度＜0.5時(shí)表示在低溫狀態(tài)，ZG25Gr20Ni14Si2材料的熔點(diǎn)在1371～1427℃，這里熔點(diǎn)按1400℃計(jì)算，可得知當(dāng)溫度高于563.5℃時(shí)即在高溫狀態(tài)下工作。

而金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間、高溫環(huán)境、載荷作用下，會(huì)緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，也就是蠕變現(xiàn)象，由于蠕變變形的存在而最終導(dǎo)致蠕變斷裂，從表1中也可得知隨著溫度的升高其蠕變強(qiáng)度也在逐漸降低。同時(shí)，在高溫長(zhǎng)期載荷下其持久強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度和高溫硬度也會(huì)降低，材料的整體力學(xué)性能下降。隨著溫度的升高，金屬晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都會(huì)降低，當(dāng)環(huán)境溫度小于等強(qiáng)溫度時(shí)會(huì)造成穿晶斷裂，當(dāng)環(huán)境溫度大于等強(qiáng)溫度時(shí)會(huì)造成沿晶斷裂。尤其是701和702爐篦蓋板為整體鑄造，溫度升高后，本體膨脹受阻，應(yīng)力無(wú)處釋放，從而產(chǎn)生裂紋。

3.3 其他腐蝕

原料褐煤、粗煤氣以及灰渣都含有一定的硫元素或硫化物，硫元素或硫化物的存在會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的腐蝕，尤其是在高溫環(huán)境下硫化腐蝕要比氧化腐蝕厲害的多。原料褐煤空氣干基全硫含量在0.84%左右，粗煤氣中H2S含量在0.56%左右，從硫含量對(duì)設(shè)備腐蝕速度的影響來(lái)看，當(dāng)含硫量在0.5～2范圍內(nèi)，在高溫條件下，設(shè)備材料的硫化腐蝕速度將明顯上升。單質(zhì)硫和H2S可直接與金屬發(fā)生硫化反應(yīng)，其他硫化物在高溫分解后也可與金屬發(fā)生硫化反應(yīng)[3]。同時(shí)，該材質(zhì)對(duì)硫氣氛較為敏感，在600～800℃時(shí)有析出σ相脆化傾向[4]，而且硫及其化合物對(duì)材料的晶間腐蝕也有較大的促進(jìn)作用，這些對(duì)鑄鋼件的耐腐蝕性能都是極其不利的。

4 處理爐篦蓋板缺陷的方法

4.1 改善鑄鋼件的組織結(jié)構(gòu)

爐篦在鑄造過(guò)程中，可添加或提高一些熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大、層錯(cuò)能低的金屬含量，從而改善或提高爐篦綜合性能。如加入鉻、鉬、錳、鎢、鈮等金屬元素后可形成單相固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高蠕變極限。加入硅、鎢、鈷合金后，其耐磨性、強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕等一系列性能都有所提高，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在650℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時(shí)仍有很高的硬度。也可適當(dāng)提高材質(zhì)的含碳量，隨含碳量的增加，其硬度增大，但塑性、韌性會(huì)下降。像ZG40Cr22Ni11Si2最高使用溫度可達(dá)950℃，ZG40Cr25Ni12Si2、ZG40Cr24Ni24Si2Nb1最高使用溫度可達(dá)1050℃，ZG40Cr25Ni20Si2最高使用溫度可達(dá)1100℃，ZG40Cr20Co20Ni20Mo3W3最高使用溫度可達(dá)1150℃，但是其經(jīng)濟(jì)成本會(huì)大幅度提高。

4.2 去除雜質(zhì)加恰當(dāng)?shù)臒崽幚?/h3>

各種耐熱鋼及高溫合金鋼對(duì)冶煉工藝要求比較嚴(yán)格，即使鋼中雜質(zhì)含量只有十萬(wàn)分之一，當(dāng)其晶界偏聚后也會(huì)導(dǎo)致晶界弱化，材料的持久強(qiáng)度極限降低，這就要求在冶煉、鑄造過(guò)程中嚴(yán)格控制硫、磷等雜質(zhì)的含量。

在GB/T8492《一般用途耐熱鋼合金鑄件》標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)ZG25Gr20Ni14Si2材質(zhì)的熱處理有明確要求，可在鑄態(tài)下供貨，經(jīng)咨詢相關(guān)鑄造廠，該材質(zhì)在經(jīng)過(guò)980℃正火處理后，可細(xì)化晶粒、消除鑄造應(yīng)力，增強(qiáng)材料的綜合機(jī)械性能。一般奧氏體不銹耐熱鋼還需經(jīng)固溶處理，固溶處理后使碳化物或其他析出相溶解于固溶體中，獲得過(guò)飽和的單相組織。

4.3 控制爐篦的表面溫度

嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)程操作，控制好爐篦表面溫度，及時(shí)調(diào)整氣化爐工況，避免火層下移，使?fàn)t篦產(chǎn)生回火脆性，沿原奧氏體晶界易形成滲碳體薄膜，這種滲碳體薄膜是造成脆性晶界斷裂原因之一，同時(shí)爐篦內(nèi)的交變應(yīng)力進(jìn)一步加劇了晶間裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。因此控制好爐篦的表面溫度有利于穩(wěn)定爐篦的組織結(jié)構(gòu)，避開(kāi)爐篦的回火脆性溫度區(qū)域，有效地避免了回火脆性斷裂的產(chǎn)生。

4.4 杜絕向爐內(nèi)澆水

氣化爐檢修時(shí)，為縮短檢修周期，提前具備檢修作業(yè)條件，工藝操作上往往會(huì)采取向爐內(nèi)澆水、夾套內(nèi)注水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的方法，這種突然的冷激也會(huì)導(dǎo)致熾熱爐篦內(nèi)的應(yīng)力裂紋迅速擴(kuò)展。一般建議采用氮?dú)庵脫Q冷卻方法較為妥當(dāng)，爐溫降至70℃以下后方可進(jìn)行檢修作業(yè)。

4.5 調(diào)整刮刀

目前，爐篦普遍安裝2把右旋排灰刮刀，排灰量一定時(shí)2把刮刀的轉(zhuǎn)速要比3把刮刀的轉(zhuǎn)速高，高轉(zhuǎn)速會(huì)加速爐篦的磨損，可以考慮安裝3把刮刀降低爐篦轉(zhuǎn)速，但是爐篦轉(zhuǎn)速降低后會(huì)對(duì)爐內(nèi)工況有一定的影響，對(duì)工況的調(diào)整和操作難度也會(huì)增加，刮刀數(shù)量的調(diào)整還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷、煤種等多方因素進(jìn)行確定。當(dāng)然，為了減緩爐篦蓋板的磨損，在運(yùn)行一定周期后，可以改變爐篦旋轉(zhuǎn)方向，從上往下看順時(shí)針旋轉(zhuǎn)改為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并把右旋刮刀改為左旋刮刀，使?fàn)t篦的磨損方向改變，提高爐篦的使用壽命。

4.6 改善爐篦蓋板結(jié)構(gòu)

4.6.1 增加爐篦蓋板耐磨筋條的厚度

原設(shè)計(jì)爐篦蓋板耐磨筋條的高度和寬度分別為20mm、12mm，可將其高度和寬度均提高至25～30mm，這樣可以延長(zhǎng)爐篦蓋板的使用壽命。

4.6.2 改變702蓋板結(jié)構(gòu)形式

可將702爐篦蓋板由一體鑄造成型改為2半式組合安裝，當(dāng)爐篦受熱膨脹后應(yīng)力可以釋放，較少或避免裂紋的產(chǎn)生。此改造已在國(guó)內(nèi)多家煤化工氣化爐爐篦上應(yīng)用，應(yīng)用效果較好。

4.6.3 增加破渣板

在704爐篦蓋板安裝破渣板（見(jiàn)圖3），選取其中一塊704爐篦蓋板安裝破渣板，為提高破渣板的機(jī)械強(qiáng)度，破渣板與704爐篦蓋板一體鑄造成型，破渣板形狀類(lèi)似魚(yú)背鰭狀，安裝破渣板后可明顯提高破渣率并降低汽氧比，減少產(chǎn)水量，相對(duì)減少爐篦的磨損，對(duì)維持氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行有積極促進(jìn)作用。此項(xiàng)技術(shù)已在國(guó)外部分煤化工中應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也正在推廣應(yīng)用。

圖3 704爐篦蓋安裝破渣板

4.6.4 添加耐磨陶瓷

鑄造爐篦蓋板時(shí)，預(yù)先在砂型的耐磨金條位置處放置耐磨金屬陶瓷體，在澆注高溫鋼水后，鋼水與耐磨金屬陶瓷體結(jié)為一體。因?yàn)槭且苯鸾Y(jié)合，使用過(guò)程中陶瓷體不易脫落。耐磨陶瓷體一般選用碳化鈦材質(zhì)，具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)耐磨陶瓷爐篦使用壽命可達(dá)現(xiàn)有爐篦材質(zhì)使用壽命的1.5倍[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

爐篦作為碎煤加壓氣化爐的重要裝置之一，采用鑄造成型技術(shù)已經(jīng)較為成熟，應(yīng)用廣泛。通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行操作，改變部分結(jié)構(gòu)和提高材料等級(jí)等措施，對(duì)緩解爐篦蓋板裂紋、磨損、腐蝕有著積極促進(jìn)作用，從而延長(zhǎng)了爐篦的使用壽命。