煤化工设备激冷环的改进措施浅析
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【摘 要】 近年来，在德士古气化工艺生产过程中，激冷环作为德士古气化炉的关键部件，发挥着重要作用。但由于各种各样的原因，激冷环的损坏几率较高，维护保养比较困难。本文以德士古气化炉为例，介绍了激冷环的结构、功能、运行机理，分析了导致激冷环损坏的主要原因，提出了减少激冷环损坏的一些具体的、针对激冷系统各个部件的改进措施、维修保养措施，并对激冷环的清洗处理以及特殊的焊接工艺进行了详细的说明。同时，针对激冷环在维护保养方面的困难，笔者提出了一种新型激冷环的设计，并申请了相关专利。
【关键词】 气化炉 激冷环 改进 处理
1 德士古气化炉激冷系统的结构与功能
（1）目前国内大部分的气化炉激冷环主要由大法兰、激冷水供水管、布水环管、下降管以及丝堵等构成，激冷环是气化炉内高温炉渣和水煤气的排出通道，煤气与炉渣的混合物通过与炉体下部的激冷水充分接触完成激冷过程，并分离水煤气与炉渣。德士古气化炉的激冷环连接在气化炉燃烧室与激冷室之间，下面连接下降管。激冷环内的激冷水来自于洗涤塔底部，经由激冷水泵送入。
4激冷水接管5水环 6半圆环管 7圆棒 8丝堵 9堵板）
（2）激冷环材质。激冷环一端与耐火砖连接，内部又是激冷水，作为激冷环的材料，必须耐高温、耐腐蚀、耐高压。德古士冷激环的材质主要是Inconel 825，Incoloy是一种镍铬铁合金，是固溶态高强度奥氏体镍铁铬合金，是Inconel公司为温度升高时抗氧化和碳化而专门设计的。
Inconel 825的化学成分：（如表1）
Incoloy 825的物理性能：
Incoloy 825在常温下合金的机械性能的最小值：
此合金具有以下特性：
（1）良好的耐应力腐蚀开裂性能。
（2）良好的耐点腐蚀和缝隙腐蚀性能。
（3）很好的抗氧化性和非氧化性热酸性能。
（4）在室温和高达550℃的高温时都具有很好的机械性能。
（5）具有制造温度达450℃的压力容器的认证。
2 激冷系统的运行机理和故障表现
煤炭在气化炉内高温燃烧，形成炉渣和水煤气。激冷环的主要作用就是要将这些附带煤渣的高温水煤气在激冷作用后排出。在汽化炉正常运行时，源源不断的灰水（激冷水）进入大法兰内的环形水室形成相同水压，然后均匀通过径向通水孔进入布水环管，其中少部分通过环管上的小孔喷向激冷环内，对矿渣等进行初步冷却。剩余大部分灰水通过布水环管缝沿下降管内壁均匀无间断下流，形成对激冷环的双重保护，一是避免高温矿渣或是水煤气对激冷环的损害，二是避免矿渣在激冷环内壁的凝结。从汽化炉产物在激冷环部分的处理来看，激冷环要发挥其作用，必要前提是：（1）布水环管、下降管等主要部件的材料必须是耐高温、耐腐蚀、耐高压；（2）在气化炉正常运行时，要有连续不断的足量激冷水供应；（3）大法兰水室和布水环管经受住激冷水长时间的冲涮、腐蚀；（4）布水环管缝布水非常均匀，必须在下降管内形成连续水膜，杜绝炉渣在内壁粘结。激冷环最主要的故障表现是环阻塞，激冷环正常工作的重点是激冷水和布水环管的质量。在进行激冷环的维护保养时，一是要时刻关注激冷水的数量和质量的控制，及时补充新的激冷水。为避免激冷水由洗涤塔循环泵切换至预热水泵后流量的下降，可以添加阻垢剂，并不定期进行酸洗和高压泵清洗。为避免激冷水中杂质阻塞布水环管，可以适当添加灰水分散稳定剂。激冷水水流变少时要及时查找原因，例如激冷水泵工作状况、布水环管是否阻塞等；二是在激冷环投入使用前，注意布水环管缝隙是否均匀，焊缝是否打磨光滑，并进行布水试验，合格后投入使用。
在激冷环使用一段时间后，必须用射流冲洗激冷环及激冷水管线，冲洗时，内环进水孔要疏通彻底，将下降管壁挂渣清理干净。另外，激冷环在长时间使用后，内环和激冷水管线容易变薄和因热应力开裂，必须及时进行补修或是更换。同时，经实践证明，不同的进水方式也会影响激冷环寿命，例如采取旋流进水方式就能适当延长激冷环的寿命。
3 激冷环的冲洗处理
从激冷环的故障表现来看，防止阻塞是最必要的维护措施。但从目前实际情况来看，由于激冷环在冲洗过程中处理方法不当，经常堵塞了激冷环进水圆孔，使得下降管内壁水膜不均或形成偏流，从而导致高温气流通过无水膜处的下降管时引起局部过热、烧穿激冷环与下降管，所以，采取正确的激冷环清洗工艺是非常重要的。（1）预冲洗步骤。对激冷环进行预冲洗处理是气化炉大检修的重要步骤之一，其目的是要将下降管内壁的微小结垢彻底清除。先将与激冷环相连的短管依次取下，接着拆下激冷环上的堵丝，开始用高压冲洗枪清洗激冷环的布水环管进水圆孔，仔细检查圆孔大小和分布是否有较大的损坏，然后开始逐短清洗激冷水的输送管线、下降管道等，直至管路干净为止。（2）清洗后激冷环的安装。要严格按照图纸设计要求进行，在焊接过程中要确保激冷环内不能落入残碴或异物。安装完毕后要对激冷环与下降管之间的间隙进行测量，观察实际尺寸公差是否在图纸规定范围内当上述条件满足后再进行配管。（3）水分布实验。上述步骤完成后，回装激冷水管线，再次启泵向激冷环供水做水分布，从激冷环的顶部观察水流分布情况（持续均匀形成水膜），同时观看炉内各法兰连接处是否泄漏。待全部确认合格后，封上气化炉入孔，处理完毕。
4 激冷环的焊接工艺
煤气化炉激冷环由于工作环境的恶劣，容易发生断裂，焊接是激冷环修复的手段之一。焊接方法尽量采取多层多道焊的焊接方法，严格限制热输入量，先用医用胶布封闭焊道，在管内充氩5秒左右后进行焊接操作。正式焊接时对准坡口引弧，先熔化坡口内边，当坡口母材与焊条熔滴混合并在坡口两边形成圆形熔孔时结束。在管道焊接到尾部时，需要在约20mm出提前关闭焊管的保护气体，以保证良好的焊接接头。焊接速度要严格按照工艺要求进行，保证焊点均匀和焊缝严密。
5 对激冷环结构的改进措施
针对激冷系统的运行机理，要确保激冷环的正常使用，除了加强对激冷环的阻塞、变薄维护处理之外，还可以对激冷环结构采取一定的改进措施，使得激冷环更好的工作，减少维护保养的难度，延长激冷环的使用寿命，降低煤气化的生产成本。
（1）对布水环管径向通水孔的改进。在对激冷环的损坏原因分析中，经常会发现布水环管由于径向通水孔喷射的水流（往往携带有较少的杂质颗粒）力量太大，造成严重的冲刷损伤。为降低激冷水喷射的力量，一是可以将径向通水孔改造成内部倾斜孔。从物理原理推算，经过改造后，激冷水从通水孔流向布水环管的距离将有效延长，水流速度会因此减弱。延长距离和改造通水孔的倾斜度有关，倾斜度越大，水流减速效果越明显。但限于管壁厚度，不能无限增大倾斜度。同时，改造后，水流会在环水布管通水孔旁形成旋流，带动下降管内壁水膜轻微旋转，促进水膜的均匀分布。二是可以将径向通水孔由圆孔改造成层级阶梯孔或是锥形孔。根据水流速与流经通道截面成反比的关系可以得出，将激冷水通水孔的出口端（即靠近布水环管一端）直径扩充一倍，激冷水流速将降低50%左右，降速效果明显。
（2）布水环管的改进。布水环管在激冷系统里主要是形成下降管内壁的水膜，防止下降管的阻塞。一是可以通过一定的改进措施加大形成水膜的激冷水量，在激冷水量无法满足要求时，可以将原设计的管壁喷水孔适量阻塞，增加水量；二是可以将布水环管与下降管之间的环隙适当拓宽1-2mm，以增加形成水膜的厚度；三是可以将布水环管的定位块在条件允许下适当减少，降低高温炉渣因急剧淬冷在布水环管、下降管管壁形成挂渣的几率。
（3）方便激冷环清洗的改进措施。清洗是激冷环维护保养的重要措施之一，因为激冷环各部件主要是为实现激冷环的功能而设计，对激冷环的清洗方便与否考虑不多，例如激冷系统的清洗孔是12个19mm的管螺纹孔，而对应的进水孔则是36个15mm的小孔，在用高压水枪冲洗时只能冲洗对应的进水孔，相邻进水孔清洗效果就较差。
（4）对激冷环连接螺栓的改进。激冷环和气化炉托转盘是通过螺栓来连接的，螺栓因为材料性能和工作环境的恶劣，属于容易断裂、需要经常更换的部件。1）可以适当增加连接螺栓的数量和采用稍大的型号，达到增加连接螺栓的承受载荷的能力，避免断裂。2）调节预紧力。因为激冷环自重较少，连接螺栓的紧力不需要太大，避免因为紧力太大再加上高温环境造成断裂。
（5）对进水孔的改进。激冷环频繁损坏的一个主要原因是因为激冷环迎火面的温度过高造成的损害。在激冷环的进水孔后增加挡板，使其在较少激冷水的情况下让激冷水气化冷却迎面火，并通过其它一些辅助措施，例如将迎火面改为圆弧形、设置导流槽增强传热效果，隐蔽增加激冷环的直径，可以将迎火面温度有效降低，减少激冷环烧损和高温造成材料疲劳的几率。
（6）对下降管的改进。下降管主要是实现对高温矿渣和合成气的冷却。除了通过改进布水环管来提升水膜的均匀以保护下降管内壁外，也可以采取一定措施在下降管的外壁加裹一层耐火材料，耐火材料可以降低激冷环下降管的工作温度，避免高温合成气与矿渣对激冷环直接冲刷造成的危害，延长下降管的使用寿命。
6 介绍一项针对激冷环结构改进的专利
本人从事煤化工工作多年，对气化炉的维护保养具有丰富经验，因为激冷环在气化炉中的重要作用，虽然属于日常维护保养的重点，但出现故障的几率还是大于其它部件。所以，针对德士古气化炉激冷环的维护方面的方便性、可行性，对激冷环的结构进行了部分改进，并申请了专利。
6.1 技术领域
本实用新型涉及煤化工设备领域，特别涉及气化炉激冷环。
6.2 背景技术
目前，德士古气化工艺生产过程中，气化炉的激冷环清洗只拆激冷环螺塞，而这样无法彻底清理干净水环管内的灰渣，从而造成激冷水分布不均，组件局部受热，影响到激冷环及下降管的寿命。更换激冷环组件时每次需先破坏锥底砖、浇注料才能拆下激冷环联接螺栓，造成浪费。
6.3 发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种德士古用气化炉激冷环。本实用新型通过以下技术方案实现：一是气化炉激冷环冲洗时只能拆掉丝堵冲洗，由于激冷环内进水孔很小不能保证完全冲洗干净。在激冷水环形流道下盖板处开4个手孔，在手孔上设有盲板，盲板与手孔以螺栓连接，再冲洗时只要打开手孔盲板就能针对激冷环进水圆孔进行清理，清理完后再冲洗能保证冲洗质量。二是激冷环与气化炉托砖盘为螺栓连接，连接螺栓上部埋在耐火浇注料里面，更换激冷环时候，由于螺栓拆不掉，需要扒掉气化炉锥底砖，更换完激冷环后需要重新砌筑锥底砖，这样造成检修周期长、维修成本高。采取解决办法是把激冷环连接螺栓螺帽为圆形螺帽，再把圆形螺帽满焊在气化炉托砖盘上，这样每次更换激冷环只需拆掉连接螺栓即可，不需要拆除锥底砖。本实用新型所具有的有益效果是：（1）换激冷环组件时连接螺栓由下部穿入，这样在换激冷环时无需破坏气化炉锥底砖。（2）清理激冷环时，打开手孔，使水环管内的灰渣得到更彻底的清理。
7 结语
德士古气化炉在我国大多数煤化工厂都应用十分广泛，激冷环是德士古气化炉的重要元件，运行环境相当恶劣，使用寿命之短，对气化炉的长周期安全稳定运行带有极大的威胁，我们应当不断地总结各厂的使用结验，找出原因，提出改进的措施，提高其安全可靠性和使用寿命，减少损失，笔者根据多年的工作经验，仔细分析了激冷环容易损坏的原因，针对德士古气化炉激冷环的维护方面的方便性、可行性，对激冷环的结构进行了部分改进，并申请了专利，该专利主要涉及两面的内容：一是通过在激冷水环形流道下盖板处开4个手孔，在手孔上设有盲板，从而保证对激冷水环的冲洗质量，大大减少由于清洗不干净造成的激冷水分布不均，组件局部受热；二是把激冷环连接螺栓螺帽为圆形螺帽，再把圆形螺帽满焊在气化炉托砖盘上这样每次更换激冷环只需拆掉连接螺栓即可，不需要拆除锥底砖，因而简化了更换激冷环工序，减少了维修成本和时间。
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