气化炉激冷罐的设计

鹿凤云

（西安核设备有限公司，西安 710021）

煤气化技术是提高煤炭高效、洁净综合利用的核心技术。气化炉是煤气化的主要设备，可实现煤炭的清洁高效转化，随着国家对清洁能源利用政策的倾向，煤气化技术越来越受到关注。激冷罐作为煤气化项目中的核心设备——气化炉的关键件，其工艺工况苛刻且复杂，主要功能是实现来自气化炉上部燃烧气化室超高温煤气混合物的冷却（降温）、洗涤（除灰渣）、饱和（增湿），为下游工序（煤气净化）的正常运行创造条件。

1 设备的结构特点及功能简介

该设备主要由激冷环、下降管、除沫盘、破渣盘组成，主体结构见图1。为了完成煤气的洗涤冷却，洗涤水先进入内配管，流经激冷环喷出，环周洗涤水沿下降管壁流下，激冷环中水与粗煤气混合，强化介质热能传递，煤气经过下降管下部扩口进入除沫盘（鼓泡床），床中设有气泡横向分割单元，进一步实现煤气洗涤、降温、增湿的目的，绝大部分灰渣转移到水相，沉降经下部出口排出。洗涤过的煤气经激冷罐洗涤冷却室上部挡板分离其中的雾沫后，经出口进入下游工序。该设备的主要技术参数见表1。

2 选材

该设备介质的主要组分含[H2] 48.4%、[CO] 38.5%，属于临氢环境。在高温高压临氢条件下，该设备主要的腐蚀形式为氢损伤，主要表现为扩散氢原子在非金属夹杂物或带状缺陷等部位沉积为分子氢而形成的氢鼓泡、金属中扩散氢所造成的氢致脆性开裂、高温高压下氢与固溶碳或碳化物反应生成甲烷而造成的表面脱碳或氢腐蚀，其程度随着操作温度和氢分压的提高而增加[1]。在此条件下，设备的选材既要考虑强度需要，又要充分考虑临氢设备的氢腐蚀条件。

表1 主要技术参数Table 1 Primal design parameters

铬钼钢因添加了阻止渗碳体分解和碳化物析出的元素Cr、Mo、V 等作为抗氢钢，这些合金元素同时提高了钢材的热稳定性和高温强度，因此铬钼钢作为耐热、抗氢钢得到了广泛使用。API RP941《钢在氢环境中的操作极限》中的纳尔逊曲线显示了不同温度和氢分压下各种铬钼钢的抗氢性能。根据本设备的操作条件，参照纳尔逊曲线，壳体主材最终选用1.25 Cr-0.5Mo 类铬钼钢SA387 Gr11Cl2[2]。由于氢在钢材中的扩散速度随着压力及温度的升高而加快，但在相同温度和压力下，氢在奥氏体内的饱和溶解度远大于其在铁素体内的溶解度，故选择在壳体内壁堆焊≥6 mm 的双层奥氏体不锈钢耐蚀层，防止氢在高温高压条件下向基材扩散，进一步保护主材免受腐蚀损伤。该设备核心内件则根据其工况及结构特点选用高温耐蚀的镍基合金Incoloy 825。

图1 激冷罐主体结构图Fig.1 Structure drawing for quench vessel

3 结构设计

3.1 激冷环的设计

激冷环是气化炉的核心部件，结构见图2。该部件操作工况最为苛刻，结构最复杂，是关键功能部件，也是易损部件。保证其进、出水可靠，布水均匀，易于拆卸更换等是设计中重点考虑的因素。它安装在气化炉燃烧室和激冷室相连接的喉部，与激冷罐四根内配管及托砖盘相连接，激冷环由分布管箱、半环管及挡板组成。分布管箱侧面开多个斜切向螺塞孔，斜孔可产生旋切向水流，有利于流体平稳均匀流动，减少了流体的压力及流量波动。洗涤水先进入分布管箱，流经管箱排孔再经半环管下部缝隙喷出，环缝洗涤水沿下降管壁流下，该周向喷流的洗涤水与来自燃烧气化室的粗煤气充分混合，进行热质传递，实现煤气的初级降温。随后该经初次降温的煤气经下降管下端扩口进入除沫盘（鼓泡床），进一步实现煤气洗涤、降温、增湿的目的。孔的数量、分布角度及大小决定了下降管是否能均匀布水从而避免其缺水挂渣烧损。设计中经过流体模拟分析、验算、论证，通过调整管箱结构、孔距及角度等尺寸，为使冷却液的流动阻力尽可能减小，内环的水分布更均匀，以期有效延长激冷环的使用寿命。

图2 激冷环结构图Fig.2 Structure drawing for quench ring

本次设计中在激冷环与下降管连接部位增加一内锥筒（见图1），该内锥筒与外部锥形筒体形成一个夹套空腔，外锥筒体增加3 个进水接管，内锥筒上均布开3 个R200 椭圆孔，从而使充满该夹套空腔的补充冷却水从内锥上部椭圆缺口喷射而出，并沿下降管外壁均匀流下，该夹套冷却水与激冷环冷却水使承受高温的下降管实现了内外双重冷却，避免了因激冷环侧水孔堵塞造成的下降管断水而导致下降管高温烧损的危险，并大幅提高了洗涤冷却的工作效率，该结构优化，可有效提高激冷环及下降管的使用寿命，为设备节约了后期维修成本。

激冷环通过连接螺栓和螺母固定于托砖盘下段，连接螺栓固定激冷环的结构见图3，激冷环与托砖盘之间有密封垫片，防止工艺气短路串火，因为介质中含有少量的H2S 等酸性气体，一般碳钢或低合金钢在此环境中腐蚀速率较快，以往的设计中该处螺栓均采用昂贵的Incoloy 825 材料，本次设计经过对设备的使用工况及介质组分进行详细的分析论证后，最终确定该处螺栓选用超低碳不锈钢316L，既可满足耐腐蚀性及连接要求，也节省了特材螺栓的费用。

图3 激冷环与托砖盘的连接图Fig.3 Quench ring and brick supporting tray

3.2 托砖盘及其连接的设计

激冷环上部连接气化炉燃烧室，燃烧室内为约400 ℃的高温煤气，燃烧室内部设置厚＞0.8 m、质量数吨的绝热层及耐火砖，该绝热耐火砖将完全由激冷罐上部的托砖盘支承，托砖盘与设备本体的连接处受力较大，因此设计中应充分考虑连接的合理性、可靠性。该处比较典型的结构为断面似Y 的环形锻件内部突肩与托砖盘对接焊形式（见图4），该结构既方便焊接又利于无损检测，同时保证托砖盘的安装水平度要求，该Y 型锻件材料与筒体一致，为SA336F11Cl2。

图4 托砖盘结构方案1Fig.4 Structure option 1 for brick supporting

3.3 除沫盘的设计

除沫盘设置于激冷罐罐体中部洗涤室，处于最低、最高液位之间，该部件主要是实现对反应物料进行除沫、滤渣的功能。该部件应固定牢靠，拆卸及取出方便，以利于设备成型后内件的装配及后期激冷环的维修、更换操作。除沫盘结构见图5，由等间隙平行排列的角钢组成，角钢为等边三角形，下部开口处连续均布开满三角形槽口形成锯齿形，该平行角钢通过连接螺栓安装于可靠固定在下降管及壳体上的大、小支撑环上，角钢条组成的除沫盘安装好后形似篦子。相邻两层安装时使其角钢互相垂直交错，每层间距700 mm。该件结构简单易于制造，而且可较好发实现除沫、滤渣的功能。为了防止气泡运动以及系统卸压震动引起的松脱，连接螺栓固定螺母端点焊于角钢部件本体上，另一端配双螺母防松。

图5 除沫盘结构Fig.5 Remove bubble structure

3.4 破渣盘的设计

激冷室下部锥段处，设置破渣结构，为一组尖角向上的栅条交错组焊成垂直方向等间隙的锥形筛网罩，锥顶角为60°，其轴与设备轴线平行，结构见图6 所示。其锥顶尖角部分可使下落撞击其上的大块物料破碎变小，经网罩筛漏而下；较大物料在沿锥体侧斜面滑落的过程中与栅条尖角相互摩擦而变小下漏。该破渣盘锥形筛网底面直径为φ2 244 mm，高度为1 943 mm。为了不影响激冷环的更换与维修及其本身的安装，破渣盘组件分成四部分，各部分用螺栓连接，从而保证每一部分都可从下部容器法兰处取出。并在破渣盘锥底上部焊一圈角钢环，与壳体之间有5 mm 间隙，期望实现破渣盘在小范围内振动，抖散大块灰渣物料，又能连接固定。该破渣盘栅条截面最初方案定为菱形，在实际运行中通过与一线人员的切磋交流，根据实际最终改为三角形截面，从而在不降低功能性的前提下大幅节省材料，并降低了制造难 度。

图6 破渣盘结构Fig.6 Slag-removing tray structure

3.5 支座的设计

该设备为非标大直径立式设备，带料操作时最大质量＞260 t，常规设计中优先采用裙式支座。但该设备现场所处的位置和工艺管路布置不允许其采用裙座支撑形式。若采用耳式支座，由于该设备质量大，外载荷较大，直径为φ3 368 mm 没有标准耳座可选。在此情况下采用带刚性环的非标耳式支座，经过手工计算校核，最终确定出合理的支座尺寸。一般设备要求支座尽量布置在设备的重心之上。按用户设计条件和实际特殊使用工况，最初设计方案中将支座布置于人孔之上。但按照该方案，土建设计中发现支座座下的大梁与人孔相碰，该人孔盖无法打开。经过与土建及工艺管路各方面的协商，进行反复的计算，最终将支座下移于人孔之下，并在下部锥体上设置4个附加导向支座进行加固的组合支撑方案（见图1），该导向支座可实现辅助承载并导向定位的滑动支座的功能[3]。

4 结束语

由于该设备材料的特殊性、设备操作工况的恶劣性及结构的复杂性，在设计阶段，从选材到设备出厂交付等各方面均制定了详细且系统的规范要求，通过多方案分析论证并结合我公司的工艺方法和生产实际进行了改进优化，在满足设备工艺性、功能性及相关规范要求的同时，确保了该设备的竣工并安全顺利投入运行，希望对同行在设计同类设备时有所参 考。