1、水冷壁在粉煤氣化工藝中的應(yīng)用

水冷壁的功能是增加燃燒爐的熱量回收以及保護(hù)燃燒爐的爐體。煤粉氣化主要有如下步驟：

第一，原煤磨粉與煤粉除水；

第二，把干燥后的煤粉通過高壓輸送到氣化機(jī)中；

第三，燃燒煤粉使煤粉氣化，并混合氧氣[1]；

第四，洗滌合成氣體；

第五；處理氣化后的殘留物。以上過程中氣化過程是核心技術(shù)，合成的氣體中含有大量的氧氣與水蒸氣，當(dāng)高壓噴頭將合成氣體噴入燃燒爐內(nèi)，氣體與煤粉顆粒會(huì)充分燃燒并釋放大量熱量，為了防止該熱量超過燃燒爐爐體可承受范圍值，便在爐內(nèi)設(shè)置了水冷壁[2]。

1）氣化爐水循環(huán)簡(jiǎn)圖見圖1。

通常水冷壁中有水循環(huán)管，管上鋪設(shè)一層耐火材料并由渣釘固定，其作用是保護(hù)水循環(huán)管。水循環(huán)系統(tǒng)中安裝有水循環(huán)泵，泵體帶動(dòng)水在循環(huán)管中不停地吸收爐內(nèi)的熱量[3]。當(dāng)循環(huán)管中的熱量被水吸收后會(huì)被運(yùn)送到中壓汽包內(nèi)，水在其中蒸發(fā)后再被送至外界蒸汽網(wǎng)管進(jìn)行降溫處理，隨后水蒸氣降溫后又變?yōu)橐后w進(jìn)入水循環(huán)泵中。

2）當(dāng)煤粉氣化后進(jìn)入燃燒爐內(nèi)會(huì)形成部分液態(tài)水滴與熔渣，而這些液態(tài)水滴附著到水冷壁上降溫后又會(huì)變成固體渣粒，當(dāng)燃燒周期變長(zhǎng)時(shí)，水冷壁會(huì)被固體渣粒覆蓋，且覆蓋層會(huì)逐漸變厚，隨著溫度逐漸升高，再次附著在渣粒層上的液滴由于高溫環(huán)境則不會(huì)變?yōu)楣虘B(tài)渣粒，而是以液態(tài)形式附著在固態(tài)渣層上形成一層液體層，所以渣層在液態(tài)與固態(tài)保持平衡的狀態(tài)下形成一層固液共存的保護(hù)層，使水冷壁不受高溫?zé)龘p[4]，水冷壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。

以往的爐內(nèi)都是耐火磚，當(dāng)燃燒達(dá)到一定周期后耐火磚需要工作人員進(jìn)行更換維護(hù)[5]。由上述可知，固液共存的保護(hù)層不僅可以保護(hù)水冷壁不受爐內(nèi)高溫的燃燒破損，固體渣層還可以在爐內(nèi)自動(dòng)修復(fù)，所以水冷壁可減少燃燒爐的維護(hù)與停爐環(huán)節(jié)，更減少了人工成本與材料成本。爐內(nèi)的循環(huán)盤管有三部分組成：燒嘴水循環(huán)管、主循環(huán)管以及渣口循環(huán)管。管內(nèi)的水循環(huán)都有循環(huán)泵帶動(dòng)，且每個(gè)管都設(shè)置了進(jìn)出口。由于燒嘴循環(huán)管承壓能力強(qiáng)，所以與水冷壁直接連接且共用一套循環(huán)系統(tǒng)。渣口循環(huán)管在進(jìn)口處設(shè)置了保護(hù)裝置，當(dāng)渣粒流過時(shí)可保護(hù)進(jìn)口不受渣粒的沖刷損壞，更能起到緩沖減震作用。

2、水冷壁泄漏現(xiàn)象分析

在對(duì)某航天煤粉氣化爐進(jìn)行燃燒研究后發(fā)現(xiàn)，該爐內(nèi)水冷壁出現(xiàn)循環(huán)管爆裂、破裂甚至高溫熔解現(xiàn)象。通過后期分析，爐內(nèi)燃燒時(shí)環(huán)境復(fù)雜，水冷壁材料性能下降，具體原因如下：

1)氣化燃燒爐內(nèi)局部溫度較高，超過保護(hù)層可承受范圍。

2)循環(huán)管破損導(dǎo)致汽包內(nèi)液體量減少。

3)汽包壓力逐漸降低，與燃燒爐氣壓逐漸相近。

4)混合氣體中氫氣含量上升。

5)循環(huán)盤管內(nèi)的冷卻水流量變慢，冷卻效果減弱。

6)汽包蒸汽量減少，補(bǔ)水量增加，水蒸氣散熱效果變差。

3、盤管燒損原因分析

3.1水冷壁掛渣和氫裂紋

水冷壁掛渣見圖3。

由圖3可觀察，水冷壁上渣層較少無法形成有效的保護(hù)。由于混合氣體中氫氣含量增加，在高溫環(huán)境中氫原子含量也隨之增加，氫原子在高溫環(huán)境下會(huì)在金屬層表面形成結(jié)晶。此現(xiàn)象會(huì)降低金屬表面強(qiáng)度，使金屬表面產(chǎn)生裂紋，隨后在結(jié)晶不斷積累情況下會(huì)逐步擴(kuò)大裂紋的范圍，形成較大的裂紋，所以水冷壁水循環(huán)管出現(xiàn)破裂。據(jù)研究，氫氣性質(zhì)活躍，在高溫、高壓、常溫常壓下都會(huì)影響金屬性質(zhì)[6]。此外，氫對(duì)鋼的影響是不確定的，有時(shí)氫對(duì)鋼的影響是可恢復(fù)的，當(dāng)氫原子離開鋼表面后，鋼的性質(zhì)又可恢復(fù)最初狀態(tài)；而有時(shí)氫對(duì)鋼的影響又是永久的，即使氫原子離開后鋼性質(zhì)會(huì)永久受到破壞。

3.1.1在高溫高壓環(huán)境中氨、氮的腐蝕

氣化爐中不僅氫氣性質(zhì)活躍，能對(duì)水冷壁的盤管造成損害，部分含氮化物與含氨化合物也會(huì)對(duì)水冷壁的循環(huán)管造成腐蝕破壞。其原因是氮與氨在高溫環(huán)境中在鐵離子的催化下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的氮原子，這些游離態(tài)的原子會(huì)在鋼表面形成一層氮化層，特別是溫度超過400℃時(shí)，該氮化層形成效果明顯，此氮化層物理性質(zhì)硬度較高，且脆性強(qiáng)，很容易使鋼表面產(chǎn)生集中應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值到達(dá)一定范圍鋼表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋[7]。

3.1.2水冷壁在高溫高壓條件下的硫腐蝕

氣化燃燒爐中含硫的化合物也會(huì)對(duì)金屬造成一定的腐蝕，當(dāng)爐內(nèi)溫度升高時(shí)，硫化物會(huì)使金屬盤管表面發(fā)生應(yīng)力破壞，使金屬局部的應(yīng)力值增高，此現(xiàn)象不能在早期被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力值超過金屬固有的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬才開始出現(xiàn)破裂腐蝕現(xiàn)象，所以硫化物造成的危害具有一定的隱蔽性，早期很難發(fā)現(xiàn)。通過研究，硫化物引起鋼體材料腐蝕破壞的原因如下：

1)硫化物在水與高溫的環(huán)境下會(huì)降低水循環(huán)管管壁的韌性與塑性，所以管體材料脆性增強(qiáng)，當(dāng)整個(gè)管體在受到外界影響下極容易發(fā)生破裂。

2)當(dāng)水冷壁盤管的盤管在高溫環(huán)境或外力作用下，表面會(huì)產(chǎn)生平行裂紋，而裂紋再逐步增大就會(huì)產(chǎn)生階梯形裂紋。此外金屬表面高溫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生表面氣泡，氣泡到后期也會(huì)產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的誘發(fā)原因皆是由爐內(nèi)氫原子，且氫原子的影響超過了硫化物腐蝕的影響。由于氣化燃燒爐內(nèi)水冷壁系統(tǒng)的水循環(huán)管渣層較薄或部分區(qū)域無渣層，氫離子則會(huì)對(duì)金屬材料表面產(chǎn)生腐蝕性破壞，且后期氫離子離開后金屬性質(zhì)不能恢復(fù)到之前狀態(tài)，裂紋還會(huì)逐步擴(kuò)大，甚至有熔解現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻效果減弱或消失[8]。

3.2原料煤影響

水冷壁損壞不僅受混合氣體的影響，不同的主煤源也會(huì)造成不同的影響。通常主煤的用量是配煤的2倍到5倍，當(dāng)主煤源用量與類型發(fā)生改變時(shí)，燃燒產(chǎn)生的熱量與燃燒后混合氣體成分的含量也大有不同。當(dāng)調(diào)整改變主煤源時(shí)，燃燒熱量波動(dòng)也會(huì)隨之變化，最大波動(dòng)熱量是以往的兩倍，最小只有以前的十分之一。所以在這種不穩(wěn)定的氣化爐環(huán)境里水冷壁盤管的渣層平衡狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)氣化燃燒爐內(nèi)的粉塵濃度降低，水蒸氣含量增高，盤管上附著的保護(hù)層就不能長(zhǎng)期形成一個(gè)固定的平衡狀態(tài)，水冷壁就會(huì)被高溫?zé)龘p腐蝕。

3.3煤線煤流量波動(dòng)影響

1）煤料供給不均勻也會(huì)影響水冷壁的冷卻效果，例如，煤粉運(yùn)送的導(dǎo)流管與煤粉輸送罐接口處出現(xiàn)泄漏，所以煤粉在運(yùn)送過程中部分煤粉會(huì)在泄漏處流入罐體空腔。當(dāng)氣化爐停止運(yùn)行時(shí)，積累的煤粉就會(huì)結(jié)成較大的塊狀煤，等下次再開始工作時(shí)較大的塊狀煤又會(huì)進(jìn)入氣化爐中。此時(shí)塊狀煤燃燒的效果與煤粉完全不同，煤線流量出現(xiàn)波動(dòng)，燃燒的熱量也會(huì)產(chǎn)生局部升溫或降溫的現(xiàn)象，若爐內(nèi)部分區(qū)域溫度偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域水冷壁盤管的保護(hù)渣層動(dòng)態(tài)平衡產(chǎn)生破壞，盤管冷卻功能減弱或喪失。

2）當(dāng)煤粉的管線出現(xiàn)磨損時(shí)，水冷壁冷卻功能會(huì)受到一定影響，所以管線處的維護(hù)與更換是必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。為了增強(qiáng)管線的耐磨性，在管線接口處設(shè)置耐磨材料，并制定相關(guān)的耐磨設(shè)計(jì)。其次，管線的維護(hù)要制定好相應(yīng)的保養(yǎng)計(jì)劃，有專人進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，為了降低煤線的影響，通常煤線更換周期保持在2h左右。氣化爐工況參數(shù)如表1所示，氣化燃燒爐內(nèi)的溫度會(huì)直接影響水冷壁中的水循環(huán)管保護(hù)層的形成，而直接影響溫度的因素便是輸送煤粉運(yùn)量，通過不斷的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)輸煤量達(dá)到每小時(shí)40t時(shí)，產(chǎn)生的熱量可使保護(hù)層處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

此外，溫度控制也是極為重要的一項(xiàng)工作，為了確保爐內(nèi)溫度不超標(biāo)，通常以爐內(nèi)甲烷的含量來衡量爐內(nèi)的燃燒溫度。若甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在（300～500）×10^-6時(shí)，爐內(nèi)溫度是較為理想的狀態(tài)。最后，爐內(nèi)各部分配件的工作狀態(tài)也要保持在一個(gè)規(guī)定的運(yùn)行狀態(tài)中，例如，蒸汽網(wǎng)管壓力要超過5MPa。汽包中蒸汽含量要逐步減少，保護(hù)層形成階段蒸汽產(chǎn)生量每小時(shí)不超過12t，當(dāng)保護(hù)層形成平衡狀態(tài)后，蒸汽產(chǎn)生量要減少到每小時(shí)不超過5t。當(dāng)渣層逐漸平穩(wěn)后，循環(huán)管內(nèi)的水流量密度也會(huì)隨之變化，爐蓋水循環(huán)管內(nèi)的密度每平方不超過620kg，主水循環(huán)管內(nèi)的密度每平方不超過550kg。當(dāng)渣層形成效果較差時(shí)，需要及時(shí)對(duì)氣化燃燒爐的爐內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)整，確保保護(hù)層處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)[9]。

3、預(yù)防措施

通過上述分析總結(jié)，水冷壁冷卻效果下降及損壞有如下原因：氣化燃燒爐燃燒穩(wěn)定性差、循環(huán)管堵塞或破損導(dǎo)致爐內(nèi)溫度過高、煤粉質(zhì)量不穩(wěn)定，氣化燃燒爐內(nèi)熱量波動(dòng)明顯。當(dāng)氣化燃燒爐內(nèi)溫度逐漸上升時(shí)，燃燒區(qū)域內(nèi)的水冷壁也會(huì)受到熱量的作用，若局部熱量超過渣層的可承受熱量范圍，渣層平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，水冷壁循環(huán)管會(huì)直接暴露在汽化爐內(nèi)，當(dāng)管壁長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)會(huì)發(fā)生裂縫或爆裂情況；循環(huán)管內(nèi)的水流量不均勻，水流較小、水質(zhì)不符合吸熱標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)導(dǎo)致冷卻效果下降。循環(huán)管內(nèi)部堵塞，給水速度過快或過慢，管內(nèi)壁水垢過多，循環(huán)吸收熱量不均也會(huì)導(dǎo)致管壁破裂。

1)為了提高循環(huán)管材料性質(zhì)，需采用更高質(zhì)量的管道材料，例如采用低碳含量的鋼材，其原因是低碳鋼不容易與氫原子發(fā)生反應(yīng)，所以耐氫腐蝕更好；也可采用細(xì)晶粒鋼材，其對(duì)氫原子敏感性更低，不容易被氫腐蝕；也可采用合金鋼材，例如含有稀有金屬元素的合金材料，其性能穩(wěn)定，不與氫原子發(fā)生附著反應(yīng)，抗腐蝕與破裂效果明顯；定期進(jìn)行檢查維護(hù)，若發(fā)現(xiàn)盤管性能下降，需提前更換保養(yǎng)，減少管壁破裂的概率。

2)主煤源性質(zhì)穩(wěn)定，通過化學(xué)分析來指定某種更為合適的煤源做原材料，若要更換煤源時(shí)，需提前對(duì)其性質(zhì)與入爐時(shí)間做好精確計(jì)算，并控制煤粉的輸送含量。此外，關(guān)注煤粉燃燒的狀態(tài)與煤渣的狀態(tài)，若出現(xiàn)問題，需及時(shí)作出調(diào)整。

3)提高煤粉輸送的穩(wěn)定性，重點(diǎn)關(guān)注送料罐的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)檢查送料罐內(nèi)部煤粉的積累情況，減少煤粉成塊的概率，保證煤粉輸送前的粉末情況。

4)確保整個(gè)運(yùn)送系統(tǒng)的功能，定期對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做檢查與維護(hù)，做好設(shè)備防護(hù)工作，避免鐵質(zhì)材料或殘?jiān)羧朊悍墼O(shè)備，檢查煤粉輸送通道，防止異物堵塞，禁止非工作人員靠近設(shè)備，保證煤粉運(yùn)送暢通無阻。

4、運(yùn)行注意事項(xiàng)

1）提高循環(huán)管內(nèi)水的質(zhì)量，制定循環(huán)系統(tǒng)水壓、流量、水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，減少循環(huán)管內(nèi)水質(zhì)出現(xiàn)的受熱不均問題，以及管道破裂等現(xiàn)象。定期檢查循環(huán)水系統(tǒng)，避免管道堵塞。

2）對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期保養(yǎng)與檢查，特別是各種壓力容器與檢測(cè)數(shù)據(jù)儀器。降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，制定生產(chǎn)規(guī)范與設(shè)備安全方案，避免重大事故發(fā)生。

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