摘 要： 為有效解決航天氣化爐易出現(xiàn)的水冷壁盤管燒損問題，基于水冷壁在航天氣化爐運(yùn)行中的重要作用與應(yīng)用情況，結(jié)合水冷壁燒損問題，參照水冷壁檢修中發(fā)現(xiàn)的盤管開裂、掛渣以及腐蝕問題，分析了出現(xiàn)這些問題的原因，并針對(duì)性地提出了一些預(yù)防措施，總結(jié)了一些航天氣化爐運(yùn)行注意事項(xiàng)，以期通過綜合應(yīng)用這些措施能有效解決航天氣化爐水冷壁燒損問題，更好地保障航天氣化爐的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

關(guān) 鍵 詞：航天氣化爐；水冷壁盤管；燒損；措施

中圖分類號(hào)：TQ025 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1469-04

1 水冷壁在粉煤氣化工藝中的應(yīng)用

水冷壁的功能是增加燃燒爐的熱量回收以及保護(hù)燃燒爐的爐體。煤粉氣化主要有如下步驟：第一，原煤磨粉與煤粉除水；第二，把干燥后的煤粉通過高壓輸送到氣化機(jī)中；第三，燃燒煤粉使煤粉氣化，并混合氧氣^[1]；第四，洗滌合成氣體；第五；處理氣化后的殘留物。以上過程中氣化過程是核心技術(shù)，合成的氣體中含有大量的氧氣與水蒸氣，當(dāng)高壓噴頭將合成氣體噴入燃燒爐內(nèi)，氣體與煤粉顆粒會(huì)充分燃燒并釋放大量熱量，為了防止該熱量超過燃燒爐爐體可承受范圍值，便在爐內(nèi)設(shè)置了水冷壁^[2]。

1）氣化爐水循環(huán)簡(jiǎn)圖見圖1。通常水冷壁中有水循環(huán)管，管上鋪設(shè)一層耐火材料并由渣釘固定，其作用是保護(hù)水循環(huán)管。水循環(huán)系統(tǒng)中安裝有水循環(huán)泵，泵體帶動(dòng)水在循環(huán)管中不停地吸收爐內(nèi)的熱量^[3]。當(dāng)循環(huán)管中的熱量被水吸收后會(huì)被運(yùn)送到中壓汽包內(nèi)，水在其中蒸發(fā)后再被送至外界蒸汽網(wǎng)管進(jìn)行降溫處理，隨后水蒸氣降溫后又變?yōu)橐后w進(jìn)入水循環(huán)泵中。

2）當(dāng)煤粉氣化后進(jìn)入燃燒爐內(nèi)會(huì)形成部分液態(tài)水滴與熔渣，而這些液態(tài)水滴附著到水冷壁上降溫后又會(huì)變成固體渣粒，當(dāng)燃燒周期變長(zhǎng)時(shí)，水冷壁會(huì)被固體渣粒覆蓋，且覆蓋層會(huì)逐漸變厚，隨著溫度逐漸升高，再次附著在渣粒層上的液滴由于高溫環(huán)境則不會(huì)變?yōu)楣虘B(tài)渣粒，而是以液態(tài)形式附著在固態(tài)渣層上形成一層液體層，所以渣層在液態(tài)與固態(tài)保持平衡的狀態(tài)下形成一層固液共存的保護(hù)層，使水冷壁不受高溫?zé)龘p^[4]，水冷壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。

后耐火磚需要工作人員進(jìn)行更換維護(hù)^[5]。由上述可知，固液共存的保護(hù)層不僅可以保護(hù)水冷壁不受爐內(nèi)高溫的燃燒破損，固體渣層還可以在爐內(nèi)自動(dòng)修復(fù)，所以水冷壁可減少燃燒爐的維護(hù)與停爐環(huán)節(jié)，更減少了人工成本與材料成本。

爐內(nèi)的循環(huán)盤管有三部分組成：燒嘴水循環(huán)管、主循環(huán)管以及渣口循環(huán)管。管內(nèi)的水循環(huán)都有循環(huán)泵帶動(dòng)，且每個(gè)管都設(shè)置了進(jìn)出口。由于燒嘴循環(huán)管承壓能力強(qiáng)，所以與水冷壁直接連接且共用一套循環(huán)系統(tǒng)。渣口循環(huán)管在進(jìn)口處設(shè)置了保護(hù)裝置，當(dāng)渣粒流過時(shí)可保護(hù)進(jìn)口不受渣粒的沖刷損壞，更能起到緩沖減震作用。

2 水冷壁泄漏現(xiàn)象分析

在對(duì)某航天煤粉氣化爐進(jìn)行燃燒研究后發(fā)現(xiàn)，該爐內(nèi)水冷壁出現(xiàn)循環(huán)管爆裂、破裂甚至高溫熔解現(xiàn)象。通過后期分析，爐內(nèi)燃燒時(shí)環(huán)境復(fù)雜，水冷壁材料性能下降，具體原因如下：

1）氣化燃燒爐內(nèi)局部溫度較高，超過保護(hù)層可承受范圍。

2）循環(huán)管破損導(dǎo)致汽包內(nèi)液體量減少。

3）汽包壓力逐漸降低，與燃燒爐氣壓逐漸相近。

4）混合氣體中氫氣含量上升。

5）循環(huán)盤管內(nèi)的冷卻水流量變慢，冷卻效果減弱。

6）汽包蒸汽量減少，補(bǔ)水量增加，水蒸氣散熱效果變差。

3 盤管燒損原因分析

3.1 水冷壁掛渣和氫裂紋水冷壁掛渣見圖3。

由圖3可觀察，水冷壁上渣層較少無法形成有效的保護(hù)。由于混合氣體中氫氣含量增加，在高溫環(huán)境中氫原子含量也隨之增加，氫原子在高溫環(huán)境下會(huì)在金屬層表面形成結(jié)晶。此現(xiàn)象會(huì)降低金屬表面強(qiáng)度，使金屬表面產(chǎn)生裂紋，隨后在結(jié)晶不斷積累情況下會(huì)逐步擴(kuò)大裂紋的范圍，形成較大的裂紋，所以水冷壁水循環(huán)管出現(xiàn)破裂。據(jù)研究，氫氣性質(zhì)活躍，在高溫、高壓、常溫常壓下都會(huì)影響金屬性質(zhì)^[6]。此外，氫對(duì)鋼的影響是不確定的，有時(shí)氫對(duì)鋼的影響是可恢復(fù)的，當(dāng)氫原子離開鋼表面后，鋼的性質(zhì)又可恢復(fù)最初狀態(tài)；而有時(shí)氫對(duì)鋼的影響又是永久的，即使氫原子離開后鋼性質(zhì)會(huì)永久受到破壞。

3.1.1在高溫高壓環(huán)境中氨、氮的腐蝕

氣化爐中不僅氫氣性質(zhì)活躍，能對(duì)水冷壁的盤管造成損害，部分含氮化物與含氨化合物也會(huì)對(duì)水冷壁的循環(huán)管造成腐蝕破壞。其原因是氮與氨在高溫環(huán)境中在鐵離子的催化下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的氮原子，這些游離態(tài)的原子會(huì)在鋼表面形成一層氮化層，特別是溫度超過400℃時(shí)，該氮化層形成效果明顯，此氮化層物理性質(zhì)硬度較高，且脆性強(qiáng)，很容易使鋼表面產(chǎn)生集中應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值到達(dá)一定范圍鋼表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋^[7]。

3.1.2水冷壁在高溫高壓條件下的硫腐蝕

氣化燃燒爐中含硫的化合物也會(huì)對(duì)金屬造成一定的腐蝕，當(dāng)爐內(nèi)溫度升高時(shí)，硫化物會(huì)使金屬盤管表面發(fā)生應(yīng)力破壞，使金屬局部的應(yīng)力值增高，此現(xiàn)象不能在早期被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力值超過金屬固有的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬才開始出現(xiàn)破裂腐蝕現(xiàn)象，所以硫化物造成的危害具有一定的隱蔽性，早期很難發(fā)現(xiàn)。通過研究，硫化物引起鋼體材料腐蝕破壞的原因如下：

1）硫化物在水與高溫的環(huán)境下會(huì)降低水循環(huán)管管壁的韌性與塑性，所以管體材料脆性增強(qiáng)，當(dāng)整個(gè)管體在受到外界影響下極容易發(fā)生破裂。

2）當(dāng)水冷壁盤管的盤管在高溫環(huán)境或外力作用下，表面會(huì)產(chǎn)生平行裂紋，而裂紋再逐步增大就會(huì)產(chǎn)生階梯形裂紋。此外金屬表面高溫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生表面氣泡，氣泡到后期也會(huì)產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的誘發(fā)原因皆是由爐內(nèi)氫原子，且氫原子的影響超過了硫化物腐蝕的影響。

由于氣化燃燒爐內(nèi)水冷壁系統(tǒng)的水循環(huán)管渣層較薄或部分區(qū)域無渣層，氫離子則會(huì)對(duì)金屬材料表面產(chǎn)生腐蝕性破壞，且后期氫離子離開后金屬性質(zhì)不能恢復(fù)到之前狀態(tài)，裂紋還會(huì)逐步擴(kuò)大，甚至有熔解現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻效果減弱或消失^[8]。

3.2 原料煤影響

水冷壁損壞不僅受混合氣體的影響，不同的主煤源也會(huì)造成不同的影響。通常主煤的用量是配煤的2倍到5倍，當(dāng)主煤源用量與類型發(fā)生改變時(shí)，燃燒產(chǎn)生的熱量與燃燒后混合氣體成分的含量也大有不同。當(dāng)調(diào)整改變主煤源時(shí)，燃燒熱量波動(dòng)也會(huì)隨之變化，最大波動(dòng)熱量是以往的兩倍，最小只有以前的十分之一。所以在這種不穩(wěn)定的氣化爐環(huán)境里水冷壁盤管的渣層平衡狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)氣化燃燒爐內(nèi)的粉塵濃度降低，水蒸氣含量增高，盤管上附著的保護(hù)層就不能長(zhǎng)期形成一個(gè)固定的平衡狀態(tài)，水冷壁就會(huì)被高溫?zé)龘p腐蝕。

3.3 煤線煤流量波動(dòng)影響

1）煤料供給不均勻也會(huì)影響水冷壁的冷卻效果，例如，煤粉運(yùn)送的導(dǎo)流管與煤粉輸送罐接口處出現(xiàn)泄漏，所以煤粉在運(yùn)送過程中部分煤粉會(huì)在泄漏處流入罐體空腔。當(dāng)氣化爐停止運(yùn)行時(shí)，積累的煤粉就會(huì)結(jié)成較大的塊狀煤，等下次再開始工作時(shí)較大的塊狀煤又會(huì)進(jìn)入氣化爐中。此時(shí)塊狀煤燃燒的效果與煤粉完全不同，煤線流量出現(xiàn)波動(dòng)，燃燒的熱量也會(huì)產(chǎn)生局部升溫或降溫的現(xiàn)象，若爐內(nèi)部分區(qū)域溫度偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域水冷壁盤管的保護(hù)渣層動(dòng)態(tài)平衡產(chǎn)生破壞，盤管冷卻功能減弱或喪失。

2）當(dāng)煤粉的管線出現(xiàn)磨損時(shí)，水冷壁冷卻功能會(huì)受到一定影響，所以管線處的維護(hù)與更換是必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。為了增強(qiáng)管線的耐磨性，在管線接口處設(shè)置耐磨材料，并制定相關(guān)的耐磨設(shè)計(jì)。其次，管線的維護(hù)要制定好相應(yīng)的保養(yǎng)計(jì)劃，有專人進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，為了降低煤線的影響，通常煤線更換周期保持在2h左右。氣化爐工況參數(shù)如表1所示，氣化燃燒爐內(nèi)的溫度會(huì)直接影響水冷壁中的水循環(huán)管保護(hù)層的形成，而直接影響溫度的因素便是輸送煤粉運(yùn)量，通過不斷的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)輸煤量達(dá)到每小時(shí)40t時(shí)，產(chǎn)生的熱量可使保護(hù)層處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

此外，溫度控制也是極為重要的一項(xiàng)工作，為了確保爐內(nèi)溫度不超標(biāo)，通常以爐內(nèi)甲烷的含量來衡量爐內(nèi)的燃燒溫度。若甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在（300～500）×10^-6時(shí)，爐內(nèi)溫度是較為理想的狀態(tài)。最后，爐內(nèi)各部分配件的工作狀態(tài)也要保持在一個(gè)規(guī)定的運(yùn)行狀態(tài)中，例如，蒸汽網(wǎng)管壓力要超過5MPa。汽包中蒸汽含量要逐步減少，保護(hù)層形成階段蒸汽產(chǎn)生量每小時(shí)不超過12t，當(dāng)保護(hù)層形成平衡狀態(tài)后，蒸汽產(chǎn)生量要減少到每小時(shí)不超過5t。當(dāng)渣層逐漸平穩(wěn)后，循環(huán)管內(nèi)的水流量密度也會(huì)隨之變化，爐蓋水循環(huán)管內(nèi)的密度每平方不超過620kg，主水循環(huán)管內(nèi)的密度每平方不超過550kg。當(dāng)渣層形成效果較差時(shí)，需要及時(shí)對(duì)氣化燃燒爐的爐內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)整，確保保護(hù)層處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)^[9]。

3 預(yù)防措施

通過上述分析總結(jié)，水冷壁冷卻效果下降及損壞有如下原因：氣化燃燒爐燃燒穩(wěn)定性差、循環(huán)管堵塞或破損導(dǎo)致爐內(nèi)溫度過高、煤粉質(zhì)量不穩(wěn)定，氣化燃燒爐內(nèi)熱量波動(dòng)明顯。當(dāng)氣化燃燒爐內(nèi)溫度逐漸上升時(shí)，燃燒區(qū)域內(nèi)的水冷壁也會(huì)受到熱量的作用，若局部熱量超過渣層的可承受熱量范圍，渣層平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，水冷壁循環(huán)管會(huì)直接暴露在汽化爐內(nèi)，當(dāng)管壁長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)會(huì)發(fā)生裂縫或爆裂情況；循環(huán)管內(nèi)的水流量不均勻，水流較小、水質(zhì)不符合吸熱標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)導(dǎo)致冷卻效果下降。循環(huán)管內(nèi)部堵塞，給水速度過快或過慢，管內(nèi)壁水垢過多，循環(huán)吸收熱量不均也會(huì)導(dǎo)致管壁破裂。

1）為了提高循環(huán)管材料性質(zhì)，需采用更高質(zhì)量的管道材料，例如采用低碳含量的鋼材，其原因是低碳鋼不容易與氫原子發(fā)生反應(yīng)，所以耐氫腐蝕更好；也可采用細(xì)晶粒鋼材，其對(duì)氫原子敏感性更低，不容易被氫腐蝕；也可采用合金鋼材，例如含有稀有金屬元素的合金材料，其性能穩(wěn)定，不與氫原子發(fā)生附著反應(yīng)，抗腐蝕與破裂效果明顯；定期進(jìn)行檢查維護(hù)，若發(fā)現(xiàn)盤管性能下降，需提前更換保養(yǎng)，減少管壁破裂的概率。

2）主煤源性質(zhì)穩(wěn)定，通過化學(xué)分析來指定某種更為合適的煤源做原材料，若要更換煤源時(shí)，需提前對(duì)其性質(zhì)與入爐時(shí)間做好精確計(jì)算，并控制煤粉的輸送含量。此外，關(guān)注煤粉燃燒的狀態(tài)與煤渣的狀態(tài)，若出現(xiàn)問題，需及時(shí)作出調(diào)整。

3）提高煤粉輸送的穩(wěn)定性，重點(diǎn)關(guān)注送料罐的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)檢查送料罐內(nèi)部煤粉的積累情況，減少煤粉成塊的概率，保證煤粉輸送前的粉末情況。

4）確保整個(gè)運(yùn)送系統(tǒng)的功能，定期對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做檢查與維護(hù)，做好設(shè)備防護(hù)工作，避免鐵質(zhì)材料或殘?jiān)羧朊悍墼O(shè)備，檢查煤粉輸送通道，防止異物堵塞，禁止非工作人員靠近設(shè)備，保證煤粉運(yùn)送暢通無阻。

4 運(yùn)行注意事項(xiàng)

1）提高循環(huán)管內(nèi)水的質(zhì)量，制定循環(huán)系統(tǒng)水壓、流量、水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，減少循環(huán)管內(nèi)水質(zhì)出現(xiàn)的受熱不均問題，以及管道破裂等現(xiàn)象。定期檢查循環(huán)水系統(tǒng)，避免管道堵塞。

2）對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期保養(yǎng)與檢查，特別是各種壓力容器與檢測(cè)數(shù)據(jù)儀器。降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，制定生產(chǎn)規(guī)范與設(shè)備安全方案，避免重大事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 衛(wèi)星.航天氣化爐的優(yōu)化措施[J].山西化工，2023，43（2）：10-13.

[2] 周大平.化工工藝中常見的節(jié)能降耗措施[J].遼寧化工，2023，52（3）：15-18.

[3] 周元祥，沈開俊.航天粉煤加壓氣化爐的系統(tǒng)優(yōu)化與控制要點(diǎn)[J].四川化工，2023，26（3）：22-25.

[4] 張林峰，李西銀.穩(wěn)定航天爐進(jìn)料系統(tǒng)的探究[J].氮肥與合成氣，2023，51（6）：66-69.

[5] 鄭鵬輝.航天爐渣口壓差高的原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].煤化工，2022，50（4）：82-85.

[6] 賀衛(wèi).航天爐水冷壁盤管燒損原因分析及預(yù)防措施[J].山東化工，2022，51（9）：22-25.

[7] 張林峰.優(yōu)化進(jìn)料系統(tǒng)確保航天爐高效穩(wěn)定運(yùn)行[J].化工安全與環(huán)境，2022，35（3）：70-73.

[8] 劉長(zhǎng)海.航天爐自動(dòng)化儀表的使用[J].化學(xué)工程與裝備，2021（3）：45-48.

[9] 張洪剛.航天爐粉煤氣化裝置磨煤系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)[J].氮肥與合成氣，2021，49（3）：47-50.

Cause Analysis and Preventive Measures of Burning Loss of

Water cooled Wall Coils in Space Furnaces

WANG Pengfei

（Jinneng Holdings Equipment Manufacturing Group Huayu Energy Chemical Shanxi Co.， Ltd.， Jincheng Shanxi 048012， China）

Abstract：In order to effectively solve the problem of water cooled wall coil burning loss in space gasifiers， based on the important role and application of water cooled wall in the operation of space gasifiers， combined with the problem of water cooled wall burning loss， referring to the problems of coil cracking， slag hanging and corrosion found in water cooled wall maintenance， the reasons for these problems were analyzed， and some targeted preventive measures were proposed. Some precautions for the operation of space gasifiers were summarized. It is expected that the comprehensive application of these measures can effectively solve the burning loss problem of water cooled wall of space gasifier and better ensure the safe， stable and efficient operation of space gasifier.

Key words; Aerospace gasifier; Water cooled wall coils; Burning loss; Measures