殼牌氣化爐合成氣冷卻器水冷壁和蒸發器優化

余孝勇

(云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338)

1 殼牌氣化爐工藝流程

煤粉通過加壓輸送單元在一定壓力下被送到氣化爐燒嘴處，煤粉在 4 MPa、1500 ℃ 左右的氣化爐中，和氧氣、蒸汽進行充分燃燒，從而分別生成合成氣和灰渣、飛灰等。合成氣從氧化段頂部流出，在激冷段與 200 ℃ 左右的合成氣進行激冷，將溫度降至 900 ℃ 左右，隨后經過輸氣管、氣體回流室，到達合成氣冷卻器，合成氣在合成氣冷卻器中溫度繼續降低至 350 ℃ 左右，最后從合成氣冷卻器底部流出[1]。

2 合成氣冷卻器水冷壁、蒸發器簡介

合成氣冷卻器的外部圓筒是一個由管—翅—管結構構成[2]的中壓蒸發器，與氣體返回室圓筒壁的直徑相同。管壁分布延伸到合成氣冷卻器的整個長度，保護著壓力容器不受高溫的影響。在此環形通道內，布置了上、中、下三段蒸發器[3]，上段蒸發器均由6圈同軸盤管筒組成，中、下段蒸發器由5圈同軸盤管筒組成，下蒸發器管筒由兩級組成，中間用直管過渡。所有盤管筒用φ48.3×8管子盤繞組成，每個盤管筒長度從里到外按 240 mm 逐步縮短。柱形空間上部設置隔板封堵，如圖1所示。

圖1 蒸發器結構位置圖

3 合成氣冷卻器部件更換原因

合成氣冷卻器水冷壁，蒸發器Ⅱ、Ⅲ螺旋盤管這兩部件長期在高溫、粉塵顆粒的環境下運行[4]，導致水冷壁及蒸發器螺旋盤管磨蝕、沖刷嚴重，減薄超過設計值(設計磨蝕速率約 0.25 mm/a、至今應剩余壁厚 5 mm；實際磨蝕速率約 0.5 mm/a、2021年8月系統停車檢測壁厚基本值約0.9～3.3 mm，安全壁厚為 2.1 mm)。近年來，蒸發器Ⅲ每年都發生泄漏，泄漏頻次逐年增加。因檢修空間狹窄、維修難度大，造成每次檢修時間長，且維修費用較高。

4 更換內容

根據現場實際情況，擬采用將氣體返回室封頭從原焊縫處用火焰切割方式割除(見圖2)，封頭材質為 SA-387-GR 11-CL2，切割位置：原焊縫中間位置，壁厚：45 mm。再依次割除蒸發器 Ⅲ、Ⅱ 與水冷壁各連接點，利用大型吊車將舊蒸發器吊出，將新蒸發器吊入安裝恢復，最后恢復氣體返回室封頭。

圖2 封頭切割位置圖

因公司需對蒸發器周圍水冷壁管進行技術噴涂，上述更換，計劃 31.5 d，為縮短更換時間，需對更換工藝進行優化。

4.1 封頭切割優化

1)為便于封頭切割，需將內部龜甲網切除。原方案要求將焊縫上下各 600 mm 范圍內的龜甲網拆除。

2)為監測切割位置，在環型焊縫中間位置一共鉆 4 個φ5 mm 通孔，均布。應保證 4 個孔位于焊縫內外側中間位置。為確保起始點切割質量，其中有一個孔必須在切割起始點。

通過優化，龜甲網拆除分兩步實施。第一步，拆除焊縫上下各 70 mm 龜甲網(見圖3)。由于火焰切割，待封頭切割吊移，不影響其余內部施工。第二步，拆除另外各 330 mm 范圍內的龜甲網。

圖3 封頭打孔及龜甲網切割圖

監測焊縫切割位置由4個孔φ5 mm 通孔優化為2個φ5 mm 通孔，布置于0°位置和180°位置。0°位置作為切割起始點，便于火焰加熱切割時內外溫度均勻。利用高壓切割氧的能量把熔化金屬吹掉，避免表面局部受熱產生弧坑。180°孔用于中途更換氣瓶，再次進行切割。

4.2 蒸發器拆除優化方法

1)割除蒸發器Ⅱ前，提前拆除關聯振打器。蒸發器Ⅲ盤管振打器一共9臺，蒸發器Ⅱ盤管振打器一共8臺。

2)為確保蒸發器Ⅲ、 蒸發器Ⅱ拆除后，水冷壁不發生變形及位移，特別是蒸發器十字架水冷壁鍛板，方便新蒸發器安裝，蒸發器拆除前應采取加固措施 (將滑動支架全部固定焊牢，使其不能滑動和位移)。

3)該設備施工時存在立體交叉作業，為保證施工人員人身安全，在每一個作業區域做好隔斷。蒸發器盤管上部采用硅酸鋁棉壓緊壓實隔斷，環隙內采用 3 mm 后鋼板進行隔斷(見圖4)。

圖4 隔斷安裝圖

4)為保持盤管進出水管原設計結構形式不變，恢復時按原設計形式進行恢復。因環隙管道再利用，需做好標識，以免恢復時裝錯。及時進行坡口加工，加工后及時封堵。爐膛內更換為新管，對管口封堵后采用破壞性拆除，水冷壁鍛板端在靠近鍛板的根部切斷，另一端根據實際情況在恢復時易于焊接的位置切割(見圖5)。

圖5 進出水管示意圖

5)新蒸發器及再利用進出管道提前進行坡口，采用管道坡口機加工備用。

4.3 水冷壁管更換優化

考慮水冷壁管承重，傳統更換方式采用小于35根時整片切除。為保證水冷壁管筒體圓柱度，安裝模具后一根根單獨恢復(見圖6)?；謴屯瓿珊髮庸芎缚p進行100%PT滲透檢測，Ⅰ級合格后進行密封翅片的焊接，密封翅片共4道密封焊。如要對整圈水冷壁管更換，需分4次進行。

圖6 水冷壁管安裝圖

在未停車時提前制作水冷壁筒體，進行整片安裝，減小設備內密封焊焊接時間。在制作時最大程度減小筒體變形，保證公差要求應采取如下方法：

1)根據更換長度制作支撐圈，將38×8管道穿入支撐圈內。2)采用紅外找正儀對筒體進行同軸度找正，找正后進行加固。3)密封焊焊接時采用交叉間斷焊接，焊接長度<200 mm；筒體兩端各留有 150 mm 長，便于坡口加工及對口焊縫焊接。4)焊接完成后進行整體熱處理，減小應力。5)熱處理過程中采用直筒吊裝方式進行熱處理(見圖7)。

圖7 水冷壁筒體制作安裝示意圖

5 效果

22天完成蒸發器的更換、封頭的焊接、熱處理及無損檢測，共計完成1592道對口焊縫焊接、244道 1790 m 長密封焊，較計劃提前 9.5 d，降低了檢修成本，為我公司煤氣化裝置提前投產創造條件。