气化炉用褐煤产生腐蚀原因分析及预防措施

吕游

内蒙古赤峰市 025350

摘要：褐煤是变质程度最低的煤种，其特点是高水分、高挥发分和高灰分，易自燃，难以长途运输。本文研究了气化炉用褐煤生产天然气等的生产企业的气化炉腐蚀情况，分析了气化炉腐蚀的原因，提出了气化炉腐蚀的预防措施。

关键词：气化炉；腐蚀

近十年来国内已建成的煤制天然气项目大多采用碎煤加压气化工艺，该工艺气化炉与鲁奇气化炉类似，如新疆广汇、大唐克旗、新疆庆华、浙能新天等气化炉，这类工厂使用长焰煤、褐煤等，试运行一段时间后，气化炉均出现不同程度的腐蚀。为了提高工厂长周期连续稳定运行，须解决气化炉的腐蚀问题［１］。

一、褐煤气化技术简述

煤的气化是指在高温环境下，煤中的组分与氧气、水蒸气共同反应，生成粗合成气的过程。经过不断地发展，形成了固定床、流化床、气流床三种技术流派，并且在工业上得到了成熟应用。但是由于气化技术以及褐煤本身的特点，三种气化技术用于气化褐煤时面临着不同的技术难题。

1.固定床气化。固定床内床料从顶部进入，与气化剂逆流接触，从上至下分别发生干燥、热解、气化、燃烧反应，含尘粗煤气从气化炉上部离开，灰渣则从底部排出。固定床由于热解、气化温度低，会有约10%以上的甲烷产生，因此在煤制天然气项目中广泛使用，同时由于热解过程的存在，会有焦油和大分子化合物存在，需通过水洗清除，从而造成大量工业废水排放的问题。固定床气化技术需要炉内以块煤的形式存在，故要求入炉煤粒径大于5 mm，并且具有较好的热稳定性和抗碎强度，其气化褐煤的难点在于褐煤普遍热稳定性差并且易碎。因此，采用固定床气化褐煤要求将其预加工成型煤，必要时还需添加助黏剂。由于褐煤本身含有较高的水分，因此，可以采用CO2代替气化剂中的水蒸气，进而利用褐煤本身的水分反应生成CO，减少了废水排放。

2.气流床气化。气流床气化技术具有高温、高压、混合良好等特点，因此气化强度大，气化效率高，在当前大型煤化工项目上应用最广。根据进料的形式不同，可以分为水煤浆气化和粉煤气化两种，前者代表技术有GE、E-Gas、多喷嘴水煤浆气化炉、清华炉等；后者代表技术有Shell、GSP、航天炉、两段炉等。褐煤由于本身含有很高的内水，成浆性差，在不混煤的情况下煤浆浓度多在50%左右，应用于水煤浆气化将导致气化效率严重偏低。因此，褐煤应用于水煤浆气化有待于其制浆工艺的进一步开发。国家一直致力于开发褐煤高浓度制浆工艺，但仍然难以达到60%以上浓度。褐煤用于干煤粉气化，其大量的水分同样严重影响气化效率以及密相输送稳定性，因此需要对原煤进行预干燥处理，将含水量降低至12%以下。如大唐国际位于内蒙古多伦的煤制聚丙烯项目即采用褐煤作为原料，蒸汽管式干燥将水分降低至8%以下，然后进入Shell废锅流程气化炉，投

煤量为3×2 800 t/d（按干燥后计算）。但是由于褐煤含有大量的灰分，后续除渣以及废锅吹灰的负担很大。

3. 流化床气化。流化床技术具有温度场均匀、颗粒处理量大、传热传质效率高以及操作范围宽的优点，20世纪20年代随着Winkler发现流态化现象，即开发了第一台流化床粉煤气化炉[13]。流化床气化相对气流床气化温度低，一般在900~1 100℃之间，所以流化床气化技术适合反应活性高的煤种，并且气化效率受煤中水分的影响小。因此，高活性、高水分的褐煤是流化床气化技术主要的气化对象。已经得到工业应用的流化床气化技术包括：高温Winkler（HTW）气化炉、U-Gas气化炉、KBR输运床气化炉、恩德炉以及灰熔聚气化炉等。

二、气化炉用褐煤产生腐蚀原因分析及预防措施

1.某气化炉内夹套腐蚀情况及试验。2015年５月，气化装置Ｂ区２＃炉、５＃炉原始开车，以长焰煤为原料，试运行约１０ｄ，氧负荷４０％～９０％。在６月３日停炉检查时，气化炉内夹套中部严重腐蚀，腐蚀主要发生在底部Ｃ型护板焊缝向上约２．５ｍ的内夹套筒体上的高温燃烧及还原区域，人孔周边有腐蚀，但没有明显凹凸点。为查找和分析气化炉腐蚀原因，用Ｂ区４＃炉和６＃进行试验验证和抗腐蚀分析，结构表明：①采用超音速电喷涂工艺对４＃气化炉喷涂试验，运行５ｄ后仍然腐蚀严重；②采用新喷涂工艺对

６＃气化炉喷涂试验，运行５ｄ后腐蚀掉近８ｍｍ；③在６＃气化炉内夹套腐蚀严重部位选择抗腐蚀材料做挂片试验，经５ｄ运行，检验镍基未见明显腐蚀；④在４＃气化炉内夹套砌筑耐火防腐衬里，经过一段时间运行发生裂纹、自然剥落、挂渣剥落等现象。2017年６月，气化装置Ａ系列气化炉开始试烧三采区原煤，到１０月停炉检查气化炉内夹套，发现在夹套表面Ｃ型护板向上５ｍ左右的范围内出现大面积的鳞片状腐蚀坑，深度普遍达到４～５ｍｍ。根据Ｂ系列运行经验，２０１７年４月确定采用Ｈａｓ－ｔｅｌｌｏｙＣ２２合金对气化炉内夹套防腐堆焊，运行了１３６ｄ。通过宏观观察及ＰＴ检测未发现开放性气孔、裂纹、腐蚀等现象（见图１），焊道表面呈现金属光泽且纹路清晰可见。通过表面金属色谱分析，表面铁元素析出均小于５％，表明熔敷区域的抗硫、碱性金属、氯离子效果明显。通过测厚数据分析，熔敷层未发现减薄现象，并且表面熔敷焊接纹路清晰可见，说明熔敷层具有较强的抗磨损能力。堆焊ＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ２２合金比Ａ系列堆焊Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５效果好一些。

2.气化炉腐蚀原因分析。2015年７月，针对该公司提供的气化炉样品进行了腐蚀形态宏观检查、钢板化学成分分析、硬度和金相分析，内壁腐蚀产物及煤渣的能谱和Ｘ衍射分析。分析结果如下：①钢板的化学成分、硬度和金相组织正常；②气化炉内严重腐蚀减薄部位未见裂纹存在；③腐蚀部位内表面腐蚀产物主要成分为Ｆｅ２Ｏ３，同时也有Ｃ、Ｃｌ、Ｓｉ、Ｓ、Ｎａ、Ｋ等元素存在；④送检部位内表面腐蚀产物主要成分为ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３及其附着的白色晶体ＮａＣｌ。根据气化炉工艺操作条件、内壁腐蚀形态、腐蚀产物及煤渣的性质和物象结构以及提供的煤粉组份等情况，合肥通用机械研究院特种设备研究站初步判定导致气化炉内壁出现异常腐蚀减薄的机理为复合硫酸盐和氯盐共同作用下的腐蚀。腐蚀的发生可能与原料煤中碱金属氧化物（Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）、ＳＯ３、氯盐以及挥发份含量等有较大的关系。

3.解决措施。气化炉腐蚀的解决措施如下：①增大气化炉水冷夹套循环比率，强化夹套自然循环，强化气化炉夹套的水的冷却效果，改善冷却水水质，防止夹套内结垢，降低夹套板的金属温度；②对于氟含量高的煤，气化炉水夹套腐蚀区域建议堆焊哈氏合金ＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ２２；③对于氯含量高而氟含量不高的煤，气化炉水夹套建议堆焊镍基合金ＩＧ６２５；④不同负荷工况下，控制蒸汽／氧气的比例或蒸汽和氧气的温度，避免蒸汽冷凝；⑤增加气化剂（蒸汽／氧气）喷口与夹套的间距，调整气化剂喷口的流向和速度，减缓或避免冲刷腐蚀和磨蚀；⑥控制给水温度，避免造成夹套底部的冷却不良，导致夹套金属温度过高；⑦夹套向火面采用高强度材料，减小壁厚，降低夹套金属温度。

综上所述，以年轻褐煤或长焰煤等为原料，运用类似气化工艺生产合成气，专利商或工程技术人员应该重视原料煤中Ｆ、Ｓ、Ｃｌ等含量、碱金属Ｋ、Ｎａ等含量。实际生产过程中可以采用其他手段来降低这些引起气化炉腐蚀的元素含量，减轻气化炉腐蚀，保证装置安、稳、长、满、优运行。

参考文献：

[1]傅露.我国褐煤资源及其物性特征[J].煤炭科学技术，2018（10）：104-107.

[2]宋江.气化炉用褐煤产生腐蚀原因分析及预防措施[J].科协论坛，2018（9）：34.