气化炉过烧部位材料劣化分析

刘建杰，艾志斌，陈高俊

（合肥通用机械研究院有限公司压力容器与管道技术基础研究部，安徽合肥 230031）

1 气化炉工艺简介

我国煤炭资源极其丰富，以煤为原料生产甲醇、二甲醚、油品、烯烃等大宗化学品较为普遍。其中最关键的环节是将煤炭洁净、高效地转化为合成气（CO+H2），即煤的气化技术[1]。目前国内外知名的煤气化技术主要有GE（原德士古Texaco）水煤浆气化、壳牌（Shell）粉煤气化、鲁奇（Lurgi）煤气化等，其中以GE水煤浆和Shell煤粉气化工艺在国内运用最为广泛[2]。GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。水煤浆经原料加压泵加压后与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进入气化炉燃烧室（气化反应室），在表压6.5 MPa、约1200℃条件下，水煤浆与氧气发生氧化反应，生产CO，H2，CO2，H2O和少量CH4，H2S，COS及微量的NH3，HCOOH等气体。从燃烧室出来的粗合成气通过激冷环时，与来自激冷水泵的激冷水混合后沿下降管旋转下降进入气化炉激冷室完成粗合成气的激冷洗涤，最终从粗合成气出口出气化炉，出激冷室的粗合成气温度约250℃[3]。

2 过烧事故

某煤化工企业的当班外操巡检发现一台气化炉6层保温棉处冒气并着火，立即紧急处置，中控紧急停炉并进行快速泄压，过烧部位经24 h后自然冷却至室温。经查看操作曲线，发现超温时长约10 h。事后调查认为，气化炉的下降管和上升管受到强大外力发生剧烈扭曲变形导致下降管较薄弱的位置破损，部分炽热的粗合成气从破裂处短路窜出，没经过激冷室池水的洗涤和冷却，直接侧喷到激冷室壳体导致壳体过烧和鼓包开裂。事故现场照片见图1、图2。

图1 外壁照片

图2 内壁照片

3 材料劣化分析

为研究过烧导致的材料劣化程度，对过烧部位进行理化检验。气化炉激冷室技术参数如表1所示。

3.1 外壁材料分析

SA387Gr11Cl2是一种低合金耐热钢，热处理工艺对其最终微观组织的影响见表2[4]。设备质量证书标明钢板正常供货状态为940℃正火后水冷，再650℃回火，金相组织为铁素体+贝氏体。选取激冷室壳体外壁过烧严重部位进行金相分析，金相组织见图3。同时选取未发生过烧的正常部位对比分析，金相组织见图4。可以发现未过烧部位金相组织为正常的铁素体+贝氏体，硬度测试结果为（148～153）HB。过烧部位金相组织明显异常，为 铁素体+珠光体，且晶粒粗大，在晶界处萌生裂纹，硬度值明显降低，为（95～115）HB，材料发生了严重劣化。该钢材的AC3温度为 891 ℃[4]，窜入激冷室的粗合成气温度约1200℃，超过了AC3温度，使得过烧部位的钢材奥氏体化，再加之过烧温度长10 h，晶粒严重长大，晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，强度下降，晶间结合力下降，产生裂纹。紧急停炉后缓冷，形成粗大的铁素体+珠光体组织。

表1 气化炉激冷室技术参数

表2 冷却速率对微观组织及硬度的影响

图3 外壁过烧部位

图4 外壁正常部位

3.2 内壁材料分析

内壁材料为309L+316L（堆焊），选取激冷室壳体内壁过烧严重部位进行金相分析，金相组织见图5。同时选取未过烧的正常部位做对比分析，金相组织见图6。发现未过烧部位的金相组织为正常的奥氏体+网状δ铁素体，硬度测试为（160～172）HB，δ铁素体含量测试结果为4.3%～4.9%，符合制造标准要求（3%～10%）。而过烧部位金相组织明显异常，为奥氏体+少量点状δ铁素体，且晶粒粗大，在晶界处萌生裂纹，硬度值较正常部位偏低，为（130～148）HB，δ铁素体含量明显降低，为0.13%～0.81%，材料发生了严重劣化。在同样的超温过烧工况下，内壁金属晶粒长大，晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，强度下降，晶间结合力下降，产生裂纹。同时在1200℃温度下，堆焊层原有的δ铁素体重新固溶进奥氏体组织，导致δ铁素体含量急剧下降，同时分布形态也由网状转变为点状。

图5 内壁过烧部位

4 结论

（1）外壁过烧部位材料严重劣化，金相组织明显异常，为铁素体+珠光体，且晶粒粗大，在晶界处萌生裂纹，硬度值明显降低。窜入激冷室的粗合成气温度超过了材料的 AC3温度，使过烧部位的钢材奥氏体化，再加之过烧时间长使晶粒长大，晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，强度下降，晶间结合力下降产生裂纹。紧急停炉后缓冷，形成了粗大的铁素体+珠光体组织。

图6 内壁正常部位

（2）内壁过烧部位材料发生严重劣化，金相组织明显异常，为奥氏体+少量点状δ铁素体，且晶粒粗大，在晶界处萌生裂纹，硬度值与δ铁素体含量也明显降低。同样的超温过烧工况下，使内壁金属晶粒长大，晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，强度下降，晶间结合力下降产生裂纹。同时堆焊层原有δ铁素体重新固溶进奥氏体组织，导致δ铁素体含量急剧下降，分布形态也由网状转变为点状。