裴 双，赵哲军，李志强
(阳泉煤业化工集团有限责任公司，山西 太原 030006)
阳泉煤业化工集团有限责任公司下属山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司(简称泉稷公司)焦炉气综合利用生产尿素联产LNG项目，产能为合成氨300 kt/a、尿素520 kt/a、LNG 63 kt/a；
其中,气化装置配置有2台气化炉，采用水煤浆加压气化技术(晋华炉2.0技术，两开无备)，单台气化炉设计投煤量750 t/d，气化炉设计操作压力4.8 MPa、设计操作温度1 300 ℃，单炉设计最高有效气(CO+H2)产量为50 000 m3/h，由于设计以部分焦炉气作为原料气，实际运行中单炉有效气(CO+H2)产量约40 000 m3/h。自2015年12月气化装置投料以来，气化装置的核心设备——单喷嘴水煤浆水冷壁气化炉出现了上/下盘管定期泄漏、封头螺栓拆卸难度大及顶盖法兰突发泄漏等一系列问题，后通过独特的设计改造，彻底解决了长期以来困扰气化炉长周期稳定运行的最大难题，大大提升了气化炉的连运周期，且在一定程度上增加了合成氨的产量。以下对有关情况作一介绍。
1.1 气化炉上盘管频繁泄漏
气化炉上盘管主要功能是控制气化炉烧嘴周围的温度，盘管材质为12Cr1MoVG，管内介质为高温高压饱和水，日常操作中控制盘管内压力在4.0～4.2 MPa、温度在240～245 ℃；
盘管外壁直接接触高温高压燃烧室，燃烧室的介质为高温高压粗煤气，粗煤气的主要组分约为H237%、CO 43%、CO219%以及微量的H2S和CH4等，燃烧室的操作压力控制在3.5～3.8 MPa、操作温度控制在1 250～1 300 ℃；
盘管外壁与烧嘴中间全部填充浇注料。
实际运行中发现，气化炉上盘管几乎每半年就会定期发生1次泄漏，饱和水外泄闪蒸产生的高压蒸汽会冲刷、腐蚀周围的浇注料，盘管内压力无法保持，须停车进行检修更换，而上盘管更换和恢复的安装步骤复杂，包括拆除顶盖螺丝、更换上盘管、定位上盘管、浇筑料补充修复、修理密封面、上盘管组件安装、水冷壁系统打压、紧固顶盖螺丝、气密性试验、烘炉等步骤，每次一个完整的上盘管检修恢复耗时约5 d，且需技术、维修人员及设备制造厂家各专业之间的相互衔接与配合，人力、物力、财力及时间成本消耗大，经济损失巨大。
1.2 气化炉下盘管频繁泄漏
气化炉下盘管与上盘管同属于水冷壁系统的两个组件，其设计材质、工艺操作参数与上盘管相同，不同于上盘管之处主要体现在设计功能和环境工况方面，下盘管作为高温粗煤气从燃烧室进入激冷室的最后一道关卡，其主要功能是控制高温粗煤气的稳定导流、防止高温粗煤气窜入环腔，为满足上述要求，下盘管上端与燃烧室底部相连、下端伸入下降管内，而下降管内表面有一层激冷水膜，这样下盘管的最底端外围被湿蒸汽所包裹，该部位同时受到高温湿蒸汽的腐蚀、H2S的露点腐蚀以及高速气流的冲刷磨损，使用寿命大幅下降，几乎每年会定期发生1次泄漏，泄漏后盘管内的饱和水外泄，盘管内压力无法保持，须停车检修更换，检修恢复过程与上盘管相同，整个安装步骤复杂，包括拆除破渣机与气化炉连接螺栓、更换下盘管、定位下盘管、水冷壁系统打压、浇筑料补充修复、恢复破渣机与气化炉连接螺栓、气密性试验、烘炉等步骤，每次一个完整的检修恢复耗时约4 d，人力、物力、财力及时间成本消耗大，经济损失巨大。
1.3 气化炉封头螺栓拆卸难度大且耗时长
气化炉封头螺栓设计共有68条，螺栓规格为M70×990 mm，螺栓材质为35CrMoA，该螺栓用来连接封头和筒体之间的密封面，承受开车时升温/升压及带负荷运行过程中的附加热应力，为保证贴合面的密封性能，采用“冷紧+热紧”来保证紧固螺栓达到要求的拧紧程度，每次气化炉停车后,由于螺栓冷却收缩应力增加，导致拆卸螺栓难度很大。自2015年12月气化装置投料以来，气化炉曾有2次因更换主水冷壁组件需要拆卸封头连接螺栓，拆卸过程中发现螺栓非常难以松动，即便使用专用工具(液压扳手)拆卸，效果也不佳，每次拆卸都需要经过煤油浸渗、振击螺母、油压调节等过程，严重时甚至不得不采取破坏拆卸，整个拆卸过程耗时至少3 d，严重影响检修进度。
1.4 气化炉开车时顶盖法兰突发泄漏
气化炉顶盖螺栓设计共有20条，螺栓规格为M64×520 mm，材质为35CrMoA，该螺栓用来连接气化炉顶盖与气化炉燃烧室之间的密封面；
密封垫片采用八角环密封垫，属于线性硬密封，材质为316L。与气化炉封头螺栓相同，气化炉顶盖螺栓同样也承受开车时升温/升压及带负荷运行过程中的附加热应力，为保证贴合面的密封性能，同样采用“冷紧+热紧”来保证紧固螺栓达到要求的拧紧程度。自2015年12月气化装置投料以来，共出现过2次气化炉开车时顶盖法兰突发泄漏的情况，一旦出现泄漏，由于八角垫片线性硬密封被破坏，热紧很难起到明显效果，只能停车重新更换新垫片才能达到密封效果，而更换垫片需经过拆除顶盖以上部位所有管道、拆卸顶盖螺栓、吊装顶盖、更换垫片、拧紧螺栓、恢复顶盖以上所有管道、打压试漏、重新开车等步骤，整个过程耗时至少2 d，严重影响开车进度。
2.1 气化炉上盘管设计改造
2.1.1改造内容
为解决气化炉上盘管频繁泄漏、使用周期短的问题，泉稷公司立足于实践，认真钻研、独辟蹊径、大胆创新，综合分析烧嘴及上盘管设计作用及原理，经北京清创晋华科技有限公司及阳煤化机厂相关专家论证后，提出了“将上盘管进/回水口封堵，将炉内盘管作为骨架敷设耐火浇注料包围在烧嘴外围，烧嘴本体靠自身夹套锅炉水循环冷却”的设计改造构思，并对原上盘管组件进行了相关技术改造，即将原设计的上盘管进/回水管道配对法兰与两片法兰盖连接，剩余的上盘管进/回水管道彻底去除。技术改造的主体结构全称为“上盘管(上水冷壁)组件”，由气化炉顶盖、上盘管(上水冷壁)、角钢、烧嘴及浇注料五部分组成，“上盘管(上水冷壁)组件”各部件的结构与功能具体如下。
气化炉顶盖是位于气化炉最顶端的部件，其材质为15CrMoA，通过20条紧固螺栓与气化炉燃烧室连接在一起，顶盖中心设有烧嘴法兰孔，顶盖两侧设有烧嘴进/回水管道孔(含开孔补强部件)。
上盘管的主要功能是控制气化炉烧嘴周围的温度，结构形式为上宽下窄的锥形钢件，盘管材质为12Cr1MoVG合金钢，分别通过上盘管的进/回水管道与气化炉顶盖焊接在一起，在上盘管的内侧每层环圈间隔2～5 cm焊接长度为3 cm的铆钉。
角钢的主要功能类似于钢筋混凝土结构中的钢筋，角钢的一端垂直焊接在气化炉顶盖下部，与上盘管相同，为避免浇注料在使用过程中发生脱落，分别在角钢两直角边的内、外侧间隔3～5 cm焊接长度为3～5 cm的直角耙钉。
最中心的部件为组合式烧嘴，它是水煤浆的主要燃烧部件，水煤浆与纯氧分别从内部的不同通道流入最后汇集在烧嘴头部一起参与燃烧。组合式烧嘴安装时从气化炉顶盖的烧嘴口装入，通过20条紧固螺栓将烧嘴自带的法兰盘与气化炉顶盖连接在一起。在结构上，烧嘴共设有4个通道，从内到外分别是中心氧通道(点火烘炉用)、焦炉气通道(点火烘炉用)、水煤浆通道(主物料通道)及外环氧通道(主物料通道)，入炉部分设计有冷却水通道，采用锅炉水循环泵强制循环冷却方式。
上述各部件组装完毕后，在上盘管内侧、烧嘴外侧及角钢周围就形成了锥形的空腔骨架结构，为防止高温粗煤气在空腔处烧坏烧嘴，原设计方综合考虑了烧嘴向火面材料的传热系数、高温介质的温度及冷却水流量问题，同时为了更好地控制气化炉拱顶温度不超标，在空腔结构处全部填充了浇注料(耐火材料)，浇注料是借助上盘管内侧的铆钉与角钢两边内层的耙钉紧密粘连来固定的，这种设计在结构上能够保证构件的整体塑性和刚性。
2.1.2改造效果
2018年年初泉稷公司实施了气化炉上盘管设计改造，上盘管设计改造前后气化炉各主要部位的温度对比见表1。可以看出，改造后气化炉拱顶温度较改造前平均上升3～5 ℃，法兰盖温度在130 ℃左右，对设备的本质安全没有任何影响。改造至今气化炉已平稳运行4 a有余，每次检修均未发现任何异常问题。
表1 上盘管改造前后气化炉各主要部位温度的对比 ℃
改造前每台气化炉上盘管半年泄漏1次，每次检修一般耗时5 d，每台气化炉每年共需10 d的检修时间，按2台气化炉有效气产量为80 000 m3/h、吨合成氨有效气耗量2 050 m3、合成氨平均售价2 500元/t(税后)、合成氨生产成本1 950元/t计算，气化炉上盘管设计改造后年直接经济效益为80000×24×10÷2050×(2500-1950)÷10000=515万元；
改造前每台气化炉半年泄漏1次，2台气化炉每年各需进行2次检修，每次气化炉上盘管检修备件费用5万元/件、浇注料费用2万元、安装人工费3万元，全年气化炉上盘管检修费用为(5+2+3)×4=40万元，改造后避免了气化炉上盘管的频繁检修，每年节省检修费用40万元。以上两项合计，气化炉上盘管设计改造后每年带来的经济效益为515+40=555万元。
2.2 气化炉下盘管设计改造
2.2.1改造内容
为解决气化炉下盘管频繁泄漏、使用周期短的问题，泉稷公司联合北京清创晋华科技有限公司提出了将气化炉下盘管“下锥型改为直筒型”的设计思路，主要包括如下三方面的改造内容：① 材质改变——将气化炉下盘管材质由原来的12Cr1MoVG改造为耐冲刷耐腐蚀的Incoloy825；
② 结构改变——在下盘管上端最外圈焊接一圈防撞护板，以免投料时因上端盘管温度变化产生的热膨胀位移而发生泄漏；
③ 形状改变——从工艺角度出发，将气化炉下盘管的结构由原来的锥型改造为直筒型。
2.2.2改造效果
2020年3月泉稷公司实施了气化炉下盘管设计改造，下盘管设计改造前后气化炉所产粗煤气中有效气(CO+H2)含量的对比见表2。可以看到，下盘管设计改造前气化炉所产粗煤气中的有效气(CO+H2)含量平均值为79.17%，改造后，由于下盘管直筒型设计增加了渣口压差，使得煤浆在气化炉内的气化反应时间延长，灰渣中的残炭更低，气化炉所产粗煤气中的有效气(CO+H2)含量平均值提高至79.67%，即粗煤气中的有效气(CO+H2)含量提高了0.5个百分点。另外，实践表明，气化炉下盘管设计改造后，下盘管的使用环境得到改善，高温粗煤气和灰渣对下盘管的冲刷减轻，下盘管的使用寿命能延长至3～5 a。
表2 下盘管改造前后粗煤气中有效气含量的对比 %
改造前每台气化炉下盘管每年泄漏1次，2台气化炉每年检修2次，检修1次影响产品产量按4 d计算，按2台气化炉有效气产量为80 000 m3/h、吨合成氨有效气耗量2 050 m3、合成氨平均售价2 500元/t(税后)、合成氨生产成本1 950元/t计算，气化炉下盘管设计改造后避免检修减产带来的年直接经济效益为80000×24×4÷2050×(2500-1950)÷10000=206万元；
气化炉下盘管改造后，气化炉所产粗煤气中的有效气(CO+H2)含量提高0.5个百分点，按2台气化炉的有效气产量为80 000 m3/h、年运行运行时间7 200 h、吨合成氨有效气耗量2 050 m3、合成氨平均售价2 500元/t(税后)、合成氨生产成本1 950元/t计算，增产合成氨带来的年直接经济效益为80000×0.5%÷2050×7200×(2500-1950)÷10000=77.27万元；
改造前每台气化炉下盘管每年泄漏1次，下盘管采购费用30万元/套，2台气化炉每年各需进行1次检修，每年下盘管的采购费用60万元，改造后每年可节省检修费用60万元。以上三项合计，气化炉下盘管设计改造后每年带来的经济效益为206+77.27+60=343.27万元。
2.3 气化炉封头螺栓设计改造
2.3.1改造内容
为解决气化炉封头螺栓拆卸难度大、耗时长的问题，泉稷公司在气化炉封头原有68条螺栓M70螺母根部新增136个螺栓垫片，垫片规格为70 mm×80 mm×8 mm、垫片材质为45#钢，每次拆卸时仅需将螺母垫片破坏拆除，螺栓即可松动，大大节省了气化炉封头的拆卸时间，确保了检修进度。
2.3.2改造效果
泉稷公司气化炉更换主水冷壁后再未发生过水冷壁泄漏，未再进行过气化炉封头螺栓拆卸，气化炉封头螺栓设计改造的经济效益据经验进行如下估算：气化炉主水冷壁使用寿命按10 a计算，共有2台气化炉，10 a内共检修2次，每次检修气化炉螺栓拆卸时间为3 d，改造后每台气化炉螺栓拆卸时间缩减为0.5 d，节约2.5 d的时间，即2台气化炉10 a内共节约5 d的检修时间，按2台气化炉有效气产量为80 000 m3/h、吨合成氨有效气耗量2 050 m3、合成氨平均售价2 500元/t(税后)、合成氨生产成本1 950元/t计算，缩短检修时间带来的年直接经济效益为80000×24×5÷2050×(2500-1950)÷10000÷10=25.76万元。
2.4 气化炉顶盖法兰设计改造
2.4.1改造内容
为彻底解决气化炉开车时顶盖法兰无征兆突发泄漏、检修耗时长的问题，泉稷公司对气化炉顶盖法兰进行设计改造——紧固螺栓采用“焊接法兰密封空间及螺母管盖”的等效替代方法。具体为，先将法兰密封空间进行焊接，再在原来的20条M64螺母上套扣20个管盖，然后把所有管盖与顶盖的接触面进行焊接；
临时管盖采用管道制作，管道的一端用钢板封堵，另一端直接将螺母包裹，管道规格133 mm×8 mm×17 mm，材质为15CrMoG，整个制作过程仅需0.5 d。改造后，彻底解决了气化炉开车时顶盖法兰突发泄漏的问题。
2.4.2改造效果
气化炉顶盖法兰设计改造前，泉稷公司的气化装置已运行7 a，共发生过2次开车时气化炉顶盖法兰密封面突发泄漏的情况，每次泄漏至少需要2 d的处理时间，2台气化炉共需4 d的处理时间，改造后处理1台气化炉顶盖法兰密封面泄漏仅需0.5 d的时间，2台气化炉共节约3 d的检修时间，按2台气化炉有效气产量为80 000 m3/h、吨合成氨有效气耗量2 050 m3、合成氨平均售价2 500元/t(税后)、合成氨生产成本1 950元/t计算，缩短检修时间带来的年直接经济效益为80000×24×3÷2050×(2500-1950)÷10000÷7=22.08万元。
泉稷公司针对其单喷嘴水煤浆水冷壁气化装置的核心设备——气化炉投运以来出现的上/下盘管定期泄漏、封头螺栓拆卸难度大及顶盖法兰突发泄漏等一系列问题，通过对气化炉的上/下盘管、封头螺栓、顶盖法兰等部件实施独特的设计改造，彻底解决了气化炉上/下盘管频繁泄漏、使用周期短以及常规检修工序多、耗时长等难题，不仅延长了气化炉的稳定运行周期，而且在一定程度上增加了合成氨的产量，上述设计改造对水煤浆水冷壁气化技术的应用具有重要的指导意义，对水煤浆水冷壁气化技术的发展与进步具有积极的推动作用。
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