论煤制气原料煤加压气化炉腐蚀机理与表面防护

王东东

摘要：随着社会经济的飞速发展，各行各业都在依托现有的基础不断地向现代化发展推进。我国富煤、贫油、少气的自然资源结构，促使了国内煤制气工业突飞猛进的发展。不同的企业在各自的实践探索过程中结合自身的特点选择了不同的技术工艺。而鲁奇加压气化技术在我国应该是最早引进的，也是到目前为止被众多企业选择较多的成熟技术。随着所处地域的不同，所选原料煤与水质的差异，导致同款型号的鲁奇炉在生产运行过程中出现了不同程度的内部夹套腐蚀问题。该问题也制约着较多企业的安全稳定生产。今天我们就来谈谈煤制气原料煤加压气化炉的腐蚀机理与表面防护问题，通过剖析原因，研究探讨解决方案。并以文章的形式与各界同行进行探索、交流、共同进步。

关键词：煤制气；原料煤加压气化炉；腐蚀机理；表面防护

一、煤制气原料煤加压气化炉设备简介

随着社会的不断发展，各种新的技术层出不穷。国内的煤制气事业突飞猛进，随之而生的不同技术工艺也在不断地发展中优化、变革。就目前的实践应用来看，鲁奇炉气化技术还是相对较成熟，应用较广泛，受捧度较高的工艺之一。本文的撰稿主要结合某企业煤制气项目所选的工艺、设备进行分析。该企业所选的碎煤加压气化炉与鲁奇公司第三代MARK-IV型气化炉相当，同属于移动逆流床气化工艺。该加压气化炉为圆筒形、双层夹套式容器，内外壳由钢板制成，主要由炉体、煤锁、灰锁、炉篦、布煤装置与气化剂入口、粗煤气出口等设备组成。利用碎煤与气化剂在气化炉内逆流接触，在加压状态下发生气化反应，经过洗涤冷却、余热回收等工序为后续工段提高合格的粗煤气产品。加压气化工艺的选择，不但可以提高反应速率，增加气化强度，同时还可以提高生产能力，改善煤气质量，这也是众多企业选择加压气化工艺的重要原因。

二、煤制气原料煤加压气化工艺流程

该企业选用的气化技术为碎煤加压移动逆流床气化工艺，从炉的纵剖面上看可以分为五个区即：干燥和预热层、干馏层、气化层、燃烧层、灰渣层。本装置选用13mm-50mm之间碎煤，通过煤锁将煤加入到气化炉中，煤在干燥和预热层被干燥并加热至约300℃，煤表的水分及吸附水分被蒸发。当煤随炉篦转动到干馏层时，被上升的煤气加热至300-600℃，煤中焦油和少量的氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨气、酚、吡啶、萘等有机物分解，在350-550℃时，甲烷及以上烃类逸出。随着炉篦的转动来自燃烧层含有二氧化碳和水蒸气的上升气体，与煤在850℃的气化层进行反应，生产一氧化碳和氢气。在燃烧层，根据原料煤的不同与氧比的调节，在逆流上升过程中被加热到1000℃的气化剂与煤进行主要的化学反应，生产百分含量不同的一氧化碳和二氧化碳。在灰渣层，参与反应的气化剂与燃烧完的灰逆向换热，气化剂由360℃被加热至1000℃在燃烧层与煤进行反应，而燃烧完的灰由1100℃被换热降温至约 350℃经气化炉下灰室排至下灰室，最终通过灰锁排出至渣池。整个气化工艺由气化剂与煤逆向接触反应，气化剂由下而上，最终通过汽氧比的调整反应生成不同组分的一氧化碳、二氧化碳、氢气等气体随着气体流动由气化炉出口流出，经过洗涤冷却、余热回收等工序，将181℃左右的粗煤气送往后续工段进行进一步处理。而煤由上而下，通过与气化剂逆向接触，在不同区域不同温度环境下进行分解、反应，最终根据煤灰熔点的不同与反应层温度的控制形成不同形态的灰渣由灰锁排出。碎煤加压气化过程是一个在高温、高压环境里进行的复杂多项的物理化学反应过程，原料煤的性质、气化剂的种类和制气过程的条件决定了生成物煤气的组成成分。故反应的煤质、汽氧比的调整、反应床层的温度对生产煤气的组分起着至关重要的作用。

三、煤制气原料煤加压气化炉腐蚀机理分析

就国内企业气化炉及煤种的使用数据统计分析，初步判断造成气化炉夹套内壁腐蚀情况的主要原因是原料煤的问题，和其相匹配的是设备材质与制气条件。就某企业气化炉的运行情况来看，其原料煤为褐煤，该煤种的使用，使其在两年的运行周期内气化炉夹套内壁出现坑、点、片等不同程度的腐蚀情况，其腐蚀机理与原件煤、设备材质、制气条件等因素密不可分。褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。化学反应性强，褐煤水分大（15-60%），挥发成分高（>40%），氢、氧、硫、氯等微量元素的含量比重较其他煤种而言较高，含游离腐植酸空气中易风化碎裂，燃点低（270°左右）。因煤中H、O、S、Cl等元素的存在,其燃烧时形成的金属卤化物、硫酸盐、卤化氢等较多。因卤离子半径小、穿透力强，极易破坏金属物质结构，故卤化物腐蚀是造成夹套内壁腐蚀的重要原因之一。其次在高温情况下,卤化氢(HR)气体对合金钢中的Cr和Ni等元素容易产生腐蚀，破坏其表面的保护膜，尤其在400~600'C时,腐蚀速度最快，因此高温硫酸盐腐蚀和氧化腐蚀是造成夹套内壁腐蚀的重要原因之二。对比国内企业当前原料煤气化炉所用的内壁材质分析，由具体数据资料统计可知，气化炉内壁出现腐蚀与其夹套内壁的材质有很大关联，其中20R/25CRMoR材质出现气化炉内壁腐蚀概率较大，而使用HⅡ材质和不锈钢复合材质的气化炉夹套内壁均没有出现腐蚀。再者在装置生产运行过程中，因对气化炉床层操作失误，造成燃烧层与灰层分布不均，严重时出现偏烧、沟流、结渣等情况。由于温度较高出现灰渣熔融，表层疏松多孔的灰渣和灰层非常容易被点燃，燃烧过程中会出现硫氧化物和硫酸盐，通过相互作用导致气化炉内壁会形成复合硫酸盐，对夹套内壁材质保护膜的稳定性产生影响，久而久之便出现不同程度的腐蚀情况。综上所述便是造成气化炉夹套内壁腐蚀的三点原因。

四、煤制气原料煤加压气化炉的防腐措施与表面防护

经上述论段得知气化炉夹套内壁的腐蚀机理与原因后，其防腐处理与表面防护我们也拟定了针对性策略：

1.针对原料煤问题：原料煤中微量元素的作用是造成夹套内壁腐蚀的重要原因，褐煤本来就是最低的一种低劣质煤，形成植物单一，腐植年代较短，因其低热、廉价、高污染、且储量较高才被迫用于气化、锅炉等行业。结合其煤种腐蚀机理、设备材质、检维修费用、生产经营效益等原因可以考虑将低劣质褐煤换成高能、高品质的烟煤或无烟煤，减少其对装置安稳长满优运行影响。

2.对于材质腐蚀问题：结合现有运行腐蚀情况与检维修成本、生产经营效益综合考虑，可以将易发生腐蚀的灰层与燃烧层（即本体0m-2M）处夹套内壁换成抗腐蚀性较强的合金钢材质；或在其他材料表面堆焊耐腐蚀层，常见的就是镍基焊材堆焊，通过堆焊防腐材料，增强其本体材质的抗腐蚀性，从而保证装置安稳长满优运行影响。

3.关于生产运行工况问题：气化炉操作应严格按照操作规程谨慎进行，通过不同区段的温度、压力、流量变化情况。综合判断炉况，避免其出现床层分布不均、偏烧、沟流、结渣等恶性工况，造成局部高温，破坏材质结构，从而腐蚀内壁，严重时造成夹套泄漏、超压爆炸等重大安全事故。

总结

经上所述，我们通过调查分析出了煤制气原料煤加压气化炉的腐蚀机理与原因，也制定了相关的防腐措施与表面防护。由某企业的实验效果来看也论证了我们的猜想与判断。在现代煤制气技术的不断发展与深入研究，不同型号的炉种、煤种被广阔的应用，相信在不久的将来一定能攻克原料煤腐蚀这一难关，利用优势的资源挽回我们国家少气的命运，为新时代新中国的发展贡献不可磨灭之力。

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