氣流床氣化爐激冷環的結構分析與設計要求

張亞寧，白云波，杜常宗

（寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

煤氣化技術升級和新技術開發一直是煤炭高效清潔利用領域研究的熱點[1]。氣流床氣化技術具有煤種適應性廣、碳轉化率高且易于大型化等優勢，已成為當今煤氣化技術發展和煤炭清潔高效應用的重要方向。

對于下行激冷流程氣化爐，激冷環是其核心部件[2]。氣化爐激冷室直接與氣化產物接觸，其中的激冷環長期處于壓力4.0 MPa～7.6 MPa、溫度1 300 ℃～1 450 ℃及酸性腐蝕、高溫相變、熔融液態渣和固體顆粒物沖刷等惡劣環境中。因此氣化爐激冷環的結構形式選擇、結構設計、尺寸參數確定、材料選擇及加工制作一直是工程應用的一個難題，也是工程設計的難點。

本文對氣流床氣化爐激冷環的作用、主要失效模式進行了歸納，基于激冷環的極端操作工況和工藝操作要求，從結構形式選擇、結構設計、尺寸參數確定、材料要求及加工裝配技術等方面進行了初步分析，以便為同類型氣化爐激冷環設計和工程應用提供參考。

1 激冷環的作用

激冷環設置在燃燒室渣口和激冷室之間，兼顧高溫粗合成氣和熔融灰渣流通?？茖W合理的激冷環結構有利于激冷水在下降筒內壁形成厚度均勻的水膜，保護激冷環和下降管免受高溫沖擊；可對高溫粗合成氣、熔渣進行快速激冷，確保下降筒安全長周期運行；同時兼具對流通介質潤濕增濕的作用。從安全方面考慮，激冷環還可以保護激冷室各構件不超溫，確保其在安全溫度下工作。

激冷環和下降管內氣、液、固三相間的傳熱傳質和流動過程非常復雜且迅速[3]。在離開燃燒室渣口下行約1.5 m 范圍內，合成氣溫度梯度最大，合成氣與激冷水膜之間熱交換負荷最激烈，激冷環在該區域所承受的熱應力也最大，激冷水蒸發量最多，因此需特別關注激冷環下降筒內壁水膜厚度的均勻性及水膜流動的連續性。

2 激冷環主要失效模式

激冷環失效模式主要有工藝介質堵塞引起的失效、磨蝕失效及剛性變形失效。

激冷環內部固體顆粒物和垢層脫落堵塞[4-5]會引起激冷環出口環隙局部斷流、局部無水膜，導致激冷環直接與高溫合成氣及熔渣接觸，造成激冷環及下降筒出現局部鼓包、凹陷、燒損，引起激冷環失效。

激冷環磨蝕穿孔后，內部的冷卻水順穿孔處噴射而出，導致下降管處冷卻水量不足；噴射而出的激冷水中夾雜的固體顆粒物形成磨損極強的水刀效應，引起激冷環沖刷破壞。激冷環中的熔渣噴流也會磨損激冷環，激冷環內水膜分布瓣管受熔渣沖刷會逐漸減薄、直至磨穿，導致激冷環水膜分布失效，直接后果是下降筒過燒變形和熔穿，進而使高溫合成氣走短路直接沖擊承壓激冷室外殼，嚴重時會導致裝置停車。

激冷環結構剛性過熱變形會引起激冷水出口環隙變形，導致激冷水膜厚度不均勻，下降筒受熱梯度偏差過大。長時間操作會引起下降筒鼓包變形，進而破壞下降筒內合成氣氣流穩定性。

3 激冷環結構分析與設計

3.1激冷環結構分析

激冷環結構一般包括激冷水進水管、激冷環腔體、高壓清洗孔、激冷環內外瓣管、激冷水環形出口以及下降筒等,其結構示意圖見圖1。激冷水通過激冷水進水管充滿激冷環水腔，經高壓清洗孔對應小孔噴射進入激冷環內外瓣管的弧形間隙空間，而后激冷水經激冷水出口至下降筒內側，形成貼壁、穩定、厚度均勻的水膜。

圖1 激冷環結構示意圖

激冷水進水管位于氣化爐激冷室下降筒與激冷室外殼之間的環隙，該環隙是粗合成氣的折返流通通道。為了確保激冷環水腔內的水有效流動，激冷水進水管數量越多激冷水充滿腔體越均勻。但是，較多的激冷水進水管線會增加灰渣堆積概率，成為激冷室結灰的源頭。

高壓清洗孔與內側流通孔一一對應，較小的清洗孔可以強化沖洗作用，但較大的流通孔可降低激冷水噴射流速，進而減小固液介質對內瓣管的沖刷。

激冷環內外瓣管環隙是激冷水流經通道，瓣管會受固液兩相沖刷。整體加厚瓣管一定程度上可以延長耐磨蝕周期，但也會增加加工制造難度，還會導致激冷水無法及時冷卻外瓣管，致其燒損失效。

激冷水出口間隙尺寸控制：在激冷水量不變的前提下，增加出口間隙，可以得到較厚的水膜，較大流通間隙，垢片不會輕易堵塞激冷環，但增大間隙會降低水膜流速，甚至直接形成重力流，使水膜不易布滿下降筒內壁，下降筒燒損風險較大；出口間隙減小可提高水膜流速，有利于水膜布滿下降筒內壁，但易引發水垢堵塞，激冷環流通阻力增大，下降管局部缺水，燒損風險也會增加。

3.2激冷環結構設計

3.2.1 激冷環結構設計時務必確定一定數量的激冷環進水管。工程實際應用表明[6]，在運行氣化爐激冷環進水管以4 組和8 組居多，在進水滿足工藝操作基礎上，盡量選用4 組進水管線；其次將直沖進水管改為微繞流進水管結構，可以強化激冷環腔內水的流動，減輕激冷水沖刷效應[7]，并為進入瓣管的水流提供切向動量。

3.2.2 高壓清洗孔與內側流通孔徑要大于進入氣化爐激冷室時過濾器的過濾直徑（通常為6 mm），以確保垢片及顆粒物順利通過內側流通孔。確定適當流速，可有效減緩內瓣管沖刷腐蝕，內側流通孔采用與進水管同切向流通角，可進一步提高激冷環水流切向速率。

3.2.3 激冷環內外瓣管環隙設計時，可考慮兩瓣管偏心設置，使激冷水形成環向擠壓流，進一步提高出激冷環水膜流速，強化切向流動量傳遞，確保下降管水膜達到無死角分布要求。

3.2.4 激冷水出口間隙寬度要求大于6 mm，以防止激冷環內部顆粒物堵塞。為保證出口間隙均勻，須在出口處間次設置固定支撐塊。

3.2.5 為防止激冷環管線振動影響進水管法蘭密封性，推薦選用高一等級法蘭或者將法蘭采用雙螺母連接緊固。

3.2.6 氣化爐用激冷水屬于液固兩相流，沖刷磨損是激冷不可避免的失效形式，因此強化激冷環耐磨功能是延長激冷環使用壽命的首選方案：（1）對于噴射沖刷較強區域，可考慮對構件進行局部優化，如對外瓣管正對高壓清洗孔的部位進行局部加厚設計[8]；（2）適當降低激冷水流速，減弱對激冷環流通孔的沖刷效應；（3）激冷環盡可能設置在熔渣沖刷較弱的區域；（4）優化激冷環選材和制造工藝，有效提高其耐磨特性；（5）激冷環腔體結構設計時，應盡可能規避結構突變和流動死區。

4 激冷環的選材要求

基于激冷環苛刻的操作工況，結合其主要失效模式和結構設計要求，從以下幾方面提出選材要求。

4.1激冷環構件直接與高溫粗合成氣介質接觸，因此須選用耐酸性氣腐蝕的奧氏體不銹鋼[9]及耐高溫抗氧化的特種材料。

4.2一般情況下根據沖刷、磨損及抗高溫工況，與熔渣介質等直接接觸面選用UNS N08825 材料，內外瓣管構件選用整體鎳基鍛件加工制作，其余構件可選S31603 材料，激冷環進水管繞彎部位采用厚壁彎頭管件。UNS N08825 材料的化學成分應符合表1 的相關規定。

表1 UNS N08825 材料的化學成分 %

考慮耐晶間腐蝕和耐應力腐蝕要求，基于工程應用經驗提出ω（Ti）/ω（C）≥15。N08825 板材應在敏化熱處理后進行抗晶間腐蝕試驗，試件的溫度和敏化時間依據制造過程的受熱情況而定，抗晶間腐蝕試驗為Streicher 試驗，按《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標準試驗方法》ASTM G28—2002（R2008）方法A 進行，經過120 h 試驗周期，要求腐蝕速率≤0.08 mm/月。

激冷環所用S31603 板材應符合《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》GB/T 24511—2017 的要求，S31603 材料在敏化熱處理后按《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》GB/T 4334—2020 中E 法進行晶間腐蝕試驗，試件敏化熱處理溫度為650 ℃，保溫2 h。

4.3激冷環外瓣管內側受沖刷腐蝕是制約激冷環長周期運行的主要因素，該構件內側建議采用堆焊硬質合金內襯或噴涂防磨材料。

5 激冷環加工及裝配技術要求

激冷環整體部件為組焊結構形式，奧氏體不銹鋼焊接變形傾向嚴重，因此在部件加工制作過程中需加強控制。

5.1激冷環構件盡量選用機加工部件，減小焊接作業量，進而減小焊接變形。

5.2激冷環部件與氣化爐渣口采用螺栓連接，為確保螺栓連接面平整，要求整體激冷環組焊完成后，再對頂部連接法蘭平面進行精加工。

5.3為確保激冷環水膜貼壁流、水膜均勻以及對接接頭連續，激冷環底部與下降筒焊接后，要求將內外焊接接頭加工至與母材齊平。

5.4內側瓣管采用整體鍛件加工成型，然后按要求對內側進行硬質合金噴涂，再與激冷環本體組對。

5.5激冷環與下降筒體組焊為整體部件后，再與氣化爐組裝，裝配時必須兼顧燃燒室、渣口與激冷環組件的同軸度要求以及激冷環組件與氣化爐底部出渣口法蘭同軸度要求。

5.6根據實際工程應用經驗，為防止熔渣堵塞激冷環出口環隙，激冷環與渣口裝配時渣口底部盤管不得將激冷環外瓣管完全包覆，且預留約三分之一瓣管。

6 結 語

本文基于激冷環功能及其苛刻的運行操作工況，總結了激冷環失效模式，發現激冷環磨蝕失效是制約激冷環長周期、安全運行的主要影響因素。結合激冷環設計改造經驗和實際工程應用情況，發現強化激冷環局部結構耐磨特性，同時適當降低激冷水沖擊流速是延長激冷環運行壽命的有效措施；在材料耐腐蝕方面，建議激冷環UNS N08825 材料其化學成分中ω（Ti）/ω（C）≥15。