多喷嘴气化装置捞渣机圆环链及配套轮系改造

李振家

(陕西未来能源化工有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引 言

兖矿集团陕西未来能源化工有限公司(简称未来能化)多喷嘴水煤浆加压气化装置设有8台气化炉(六开两备)，配套8台捞渣机，担负着气化废渣的处理工作，其运行稳定与否直接关系着整个系统的运行周期及生产状况。从系统设备布局来看，原工艺设计时因考虑环保及清洁文明生产方面的要求，未设计直排渣池，而是2台捞渣机之间通过旁路互联保障气化炉的正常排渣。这种设计有一定的独到之处，但总有意外情况发生，实际运行中出现过一些状况，例如：相联通的两系统同时运行的工况下，当一台捞渣机出现问题通过联通管(下渣管三通阀)切换至另一台捞渣机时，可能由于渣量大使得原本正常运行的捞渣机因超电流而跳车，为避免跳车系统只能降负荷运行；另一种情况是，相联通的捞渣机正处于检修状态而无法切换，被迫停车倒炉，给气化装置的生产造成较大损失和被动。从设备结构形式来看，捞渣机主动轮与圆环链配合因结构形式形成“提升式”链传动，其配合接触面积小、压应力大的同时伴随滑动摩擦，链条、主动轮磨损严重，尤其是随着系统“扩产增容”的实施[通过委托设计单位充分核算工艺、设备原始设计情况，在保证安全的前提下给出系统最高产能的建议，然后未来能化根据系统的生产实际于2020年逐步进行调整，包括：煤浆浓度由58%提升至62%，单台气化炉精制气(即净化气或精制原料气)产量由约130 000 m3/h提升至140 000 m3/h、单烧嘴氧量由12 500 m3/h提升至14 500 m3/h，系统压力由3.8 MPa提升至4.0～4.1 MPa，等等]，工艺条件变化(系统负荷高、渣量大)后，捞渣机长期处于高负荷运行状态，即捞渣机结构形式及工况方面的原因使得其运行中不可避免地出现磨损拉伸而造成两端链条不等长，进而导致刮板倾斜、链条脱轮等故障，以及链条主动轮磨损速率加快而使用寿命大幅缩减的问题，若维持现状使用，则会使系统的安全、稳定运行受到极大的困扰及带来不确定性。简言之，捞渣机圆环链与其配套轮系传动方式已不能适应新的工况，成为系统长周期稳定运行的主要瓶颈问题。

为避免上述各类事故的发生，提高捞渣机运行的可靠性，有必要通过优化技改逐步消除不良影响因素及隐患，提升捞渣机运行稳定性以促进其运行周期的延长，尽量减少或避免事故发生，从而实现系统的长周期、稳定运行。以下对有关情况作一简介。

1 捞渣机圆环链结构性缺点分析

高耐磨圆环链因其结构简单、较强的耐磨性及较长的使用寿命等特点，使其成为捞渣机使用的主流应用链条，是捞渣机的核心部件。但由于圆环链结构特点及运行环境(气化渣硬度高、渣水具腐蚀性)等方面的原因，使得链条及配套轮系运行中易磨损而出现链条拉长、两侧刮板偏斜、脱链甚至断链、运行周期短等状况。经总结与梳理，捞渣机圆环链主要缺点如下。

(1)运行结构缺点：平环与立环由圆钢卷制加工，二者平、立连接配合处形成点接触，运行中链条浸泡于渣水中，经过主动轮、回程耐磨板、托轮时产生抖动起伏并伴有滑动摩擦，受力过于集中，加剧接触点渗碳层磨损；圆环链与主动轮配合运行过程中因其结构特点，链节与主动轮弧面接触传动形成“提升式”链传动，接触面积小、压应力大，易导致局部磨损严重，长时间运行磨损后同时伴随滑动摩擦，圆环链的接触点磨损、自身制造偏差积累及链条磨损后自身拉长等原因造成双边链条的不等长、刮板跑偏、脱轮甚至断链等常见故障出现。

(2)结构属性缺点：不可拆卸，链条磨损拉伸后需气焊截取链节再接链环恢复，检修时间长，备件费用高，且对系统稳定运行影响大。

2 改造的必要性

捞渣机圆环链由于其结构特点，其磨损特性突出——由于受力点集中，长期运行后两链节点接触处表层热处理耐磨层快速磨损，运行一段时间(3～4个周期，约9 000 h)后抗拉能力减弱而链条拉长，当涨紧系统不能有效调整时则需截链节调整。圆环链长期运行后，各部位磨损情况加剧恶化，圆环链不断变长，加之两侧链条磨损不一致，造成两侧链条长度不等，涨紧后涨紧轮就会出现一侧高一侧低的情况,当涨紧轮两侧高低相差较大时，刮板通过则会出现一侧刮板铰叉先入较低位置的涨紧轮凹槽中，另一侧刮板铰叉继续升高(上升期间未入到涨紧轮凹槽中)达到最高处，最后落入较高位置的涨紧轮凹槽中，而此时刚好为刮板通过尾部涨紧轮最高位置的时候，由于涨紧机构、拖动机构均为捞渣机主要受力机构，其涨紧机构垂直于捞渣机上底板，受力较大，而刮板与涨紧轮相对运动时为钢性运动形式，此种情况下刮板通过涨紧轮时，总体来看呈现扭曲状态，刮板扭曲导致链条不能及时进入涨紧轮凹槽中，继而出现脱链现象。

捞渣机圆环链与主动轮配合运行，其“提升式”传动方式使得传动链节与主动轮接触点受力集中，运行中伴有些微滑动摩擦等问题时易致磨损加剧，尤其是系统“扩产增容”后，捞渣机链条、主动轮使用寿命大幅缩减。以2#捞渣机为例，原始链条(第一套链条)使用周期为2015年8月—2018年5月，而第二套链条更换时间为2020年7月，统计捞渣机的有效运行时间，第二套链条比第一套链条有效运行时间缩短30%以上，捞渣机圆环链使用寿命明显缩短，备件更换周期加快，检修费用相应增加(所用圆环链为国外进口产品，同类型链条中其质量已属最好，招标价每节310～320元，加配套接链环每套圆环链价值约25万元)。

3 优化技改

捞渣机作为煤气化系统中重要的大型除渣设备，其核心结构配置主要为链条与水下导轮，未来能化通过多年的运行维护总结，统计其事故率、备件费用约占整套设备的70%以上，故链条、水下导轮运行状态及运行周期对捞渣机及气化系统的运行有着极其重要的影响。此外，链条与水下导轮属配合运行，单一强调链条或水下导轮的作用与实际情况不符，只有通过优化技改，消除或弱化两者的弊端，整体提升运行质量，才能保障系统的稳定、长周期运行。简言之，改进捞渣机传动方式并配合水下导轮技改，是现阶段捞渣机运行瓶颈问题解决的较好方法。为此，计划对捞渣机链条、轮系等进行系统性改造——使用模锻链替代圆环链，并更换配套轮系、刮板。

3.1 模锻链替代圆环链

设备厂家针对圆环链在捞渣机运行过程中表现出的不足进行了设计升级，从改变链条结构形式、链节连接方式、刮板固定方式、传动方式等方面着手，设计出替代圆环链的专用于捞渣机的模锻一体成型耐磨抗拉伸新式链条——模锻链。

3.1.1 模锻链结构优点

(1)运行结构优化：链节之间采用销轴连接，链板与销轴之间柱面接触(圆环链为点接触)，受力均衡，不易磨损；链板受力截面大于圆环链，故而其抗拉强度、链条延伸率均优于圆环链。

(2)结构属性优化：链节之间采用销轴连接，属创新性结构，每条链节均可方便地拆卸更换，从而可缩短链节更换时间并免除动火作业，最大限度减少其对系统运行的影响。

3.1.2 增大接触面积而降低压应力

圆环链链节之间为点接触受力，单位面积承受压力大；模锻链链节之间为面接触受力，同等拉力下单位面积所受压力大幅降低，即增大受力面积相当于减小压应力：圆环链链节最初配合接触处为点接触，圆环链因运行磨损由点接触逐步过渡至圆弧面接触，当圆环链表面渗碳层(原厚度3 mm)磨损量约1 mm时，此时是圆环链最佳运行状态(接触面积增大，磨损速率减缓)，故以此设定为圆环链与模锻链的比较节点——此时圆环链接触面积以100%计，模锻链接触面积为270%，接近圆环链的3倍，况且模锻链销轴处设置密封结构，基本上可避免灰渣浸入形成的磨损，从而可延长链条的使用寿命。

3.1.3 具有更大的破断力

模锻链与高耐磨圆环链破断力对比试验表明，现场使用的30 mm×108 mm圆环链破断力约为565 kN，模锻链破断力约为802 kN，即模锻链更大的破断力可使捞渣机运行中出现链条卡涩时其抗拉断能力更强，从而增强捞渣机运行的稳定性。

3.2 水下导轮改造

捞渣机水下导轮在整套设备中占有极其重要的地位，而水下导轮轴封一直以来均采用油封组合密封，由于运行环境恶劣(浸泡于渣水之中)，油封组合密封轴颈磨损较快，通常使用寿命为气化炉的2个运行周期，即6个月左右。水下导轮轴磨损后，渣水渗透密封而进入轴承箱，破坏轴承运转，链条与导轮由转动配合变为滑动，致使链条、导轮磨损加剧，严重时导致链条脱轮(设备过载跳车)，被迫停车处理；水下导轮轴磨损后，检修措施基本上是更换新轴或堆焊硬化磨损轴径，没有太多的选择余地，检修频繁且费用高。可见，水下导轮轴间密封是薄弱环节，要从根本上延长水下导轮的运行周期、维持其运行稳定性，轴间密封改造是关键。

未来能化气化车间通过试验性改造并经运行验证，以机械密封替代油封密封，可避免油封与轴径直接配合磨损的问题，可解决水下导轮运行周期短及稳定性方面的问题，可防止灰渣侵入而致的轴承失效，从而可达到延长轴承使用周期而稳定捞渣机运行的目的。此外，在水下导轮轴封优化设计之初，机械密封选择的是“冲洗水式轴封结构”，但在安装试用过程中因冲洗水压力不稳定及冲洗水管配置而使得现场复杂繁琐，工艺操作不方便，考虑到水下导轮转速较低(20～30 r/min)、渣水为常压、动静环密封面对渣水中颗粒不是高敏感等因素，最终选用了“免冲洗机封水下导轮”。

4 改造效果

(1)2019年7月先行选择1台捞渣机进行“免冲洗机封水下导轮”改造，改造后水下导轮运行状况良好，无拆检运行累计长达11 000 h且仍在正常使用，相较于改造前采用的油封组合密封，其运行周期达4倍以上，极大地减少了水下导轮的维修费用。至2021年5月，其余7台捞渣机全部完成“免冲洗机封水下导轮”改造，为捞渣机的长周期、稳定运行奠定了坚实基础。

(2)2021年5月，未来能化6#捞渣机“模锻链及其轮系”综合改造完成，并运行至2021年9月系统停车检修，期间捞渣机运行状况良好——现场观察到捞渣机运行平稳，模锻链与主动轮轮齿配合平滑有序、过渡自然(减少了圆环链运行时的顿挫抖动感)，与未改造捞渣机运行状况对比，模锻链运行优势较为明显，可以预见其运行周期将会有较大的提升，实际运行验证模锻链替代圆环链是完全可行的。紧接着，第2台捞渣机“模锻链及其轮系”综合改造于2021年6月完成。先行完成2台捞渣机“模锻链及其轮系”综合改造的主要目的是进行运行检验与确认，2022年将逐步完成其余6台捞渣机的“模锻链及其轮系”综合改造。

5 结束语

未来能化捞渣机圆环链改模锻链以及水下导轮轴封由油封组合密封改为免冲洗机封实施后，保证了捞渣机的稳定、长周期运行，降低了捞渣机的运维成本，消除了气化系统的生产隐患，改造的成功实施对目前业内普遍使用的圆环链捞渣机来说具有极大的参考价值，对“进口备件国产化”也起到了积极的引领及示范作用。当然了，作为煤化工行业第一家成功改造捞渣机的企业，还有许多问题需要面对，生产经验也需逐步进行总结，以进一步优化改进，挖掘设备潜力，保障气化系统的优质运行。