单烧嘴水煤浆气化炉结构设计

2017-04-22杨巍巍

化工设计 2017年2期

关键词：衬里水煤浆合成气

杨巍巍

中国五环工程有限公司武汉 430223

单烧嘴水煤浆气化炉结构设计

杨巍巍*

中国五环工程有限公司武汉 430223

本文介绍单烧嘴水煤浆气化炉的结构设计思路，指出气化炉外壳、内件及耐火材料结构设计时需注意的关键点。

单烧嘴水煤浆气化炉外壳内件耐火材料

水煤浆气化炉是指以煤或石油焦等固体碳化物的水煤浆或水浆岩作为燃料的煤气发生炉。目前应用于国内比较主流的水煤浆气化炉：以德士古、西北化工研究院为代表的单烧嘴顶置气化炉；以华东理工大学为代表的多烧嘴对置式气化炉。

2014年我公司承担了某项目的气化装置工程设计，该装置气化炉为单烧嘴水煤浆气化炉。笔者就该类气化炉结构的设计思路和设计关键点浅谈个人看法。

1 气化炉结构

单烧嘴水煤浆气化炉主体结构主要由压力容器外壳、内件和耐火材料三大部分组成。压力容器外壳由燃烧室外壳、激冷室外壳以及置于两者间的隔离支撑构件及支座组成。隔离支撑构件一方面用于将气化炉分成燃烧室和激冷室两个区域，另一方面用于支撑燃烧室耐火材料和悬挂激冷室内大部分内件。气化炉内件主要由激冷环、下降管、上升筒等其它附件组成，设置在气化炉激冷室中，以降膜蒸发的方式冷却和洗涤合成气；耐火材料主要为耐火砖的多层耐火衬里，设置于气化炉燃烧室外壳中，形成燃烧室炉膛。此类气化炉一般采用耳式支座支撑气化炉本体及出渣口下部悬挂设备的重量，气化炉结构见图1；气化炉主要技术参数见表1。

2 气化炉结构设计

气化炉的结构设计主要分为：气化炉外壳设计、耐火材料设计及激冷室内件设计。

气化炉的外壳主要是承压并为工艺介质形成必要的反应和洗涤(合成气的洗涤和冷却)空间。为配合内件和耐火材料的设计需要，一般先进行气化炉反应室耐火材料及激冷室内件的初步设计，确定外壳的尺寸并进行外壳的设计。

图1 单烧嘴水煤浆气化炉示意图

项目燃烧室激冷室操作温度，℃1300234设计温度，℃425(壳体)425操作压力(G)，MPa4343设计压力(G)，MPa4848操作介质合成气激冷水、合成气

2.1 耐火材料的设计

气化炉燃烧室内，与高温粗合成气接触的部位均应设置耐火衬里。具体部位为：烧嘴插入口、炉顶、燃烧室直筒段、隔离支撑构件上部。

耐火材料的设计要求耐火材料一方面能隔离炉膛内的高温介质，避免其与气化炉壳体直接接触，另一方面还应通过结构及材料属性的控制，防止过高或过低的温度及不恰当的力作用于外壳上。因此耐火衬里的设计需考虑几个因素[1]：① 向火面耐火材料应能承受气化炉燃烧室正常操作温度条件下熔渣的侵蚀和磨蚀作用(并考虑一定的短时1540℃的超温)，一般采用90高铬砖，且所含Cr2O3≥86%；② 耐火衬里传递到气化炉外壳上的温度不能过高，也不能过低。如果过高，气化炉外壳存在超温风险；如果过低，气化炉外壳存在被冷凝的合成气腐蚀的风险，一般此温度控制在相应工况下合成气的水汽露点温度30℃以上。壳体材料的选取应考虑此工作温度；③ 耐火衬里需设置膨胀缝，并且与壳体接触的部位需采用可压缩的材料，以满足耐火衬里自身热膨胀需要和避免耐火砖衬里对气化炉外壳产生额外的应力；④ 非规则部位的耐火衬里应选择流动性较好的材料，便于施工。

另外，当耐火材料发生破坏时，高温粗合成气有可能会穿过耐火衬里与气化炉壳体接触，导致气化炉壳体超温，因此在燃烧室外壳外壁，必须设计一套壁温检测报警系统，用以有效的保护气化炉；该壁温检测报警系统一般采用分区测量平均温度或最高温度的方法，在燃烧室筒体部分每隔200mm，封头部分每隔150mm要设检测点，以监控每一块耐火砖的工作情况。

一般此类气化炉耐火材料选择以耐火砖为主的多层组合衬里结构，包括：①受磨蚀作用最为严重的向火面直筒部耐火材料层，该层可纵向自由伸缩；②向火面内衬外侧的绝热耐火砖层，该层对向火面耐火材料拱顶部起支撑作用；③绝热耐火砖层外侧的保温层耐火材料；④炉内不规则部位砌筑流动性相对较好的高铝质浇注料。

耐火材料的具体设计一般由专业的厂家进行。

2.2 气化炉内件的设计

气化炉内件主要设置在激冷室内，用于冷却、洗涤合成气。激冷室内件又分为激冷环、下降管、上升管及其它辅助内件。激冷环的主要材料为N08825，一般由专利商设计并供货。下面主要介绍下降管、上升管及其它辅助内件的设计。

下降管为高温渣气和激冷水的(汽)流动通道，主要材料为N08825镍基合金，设计时需对筒节的圆度提出公差控制要求，以便来自激冷环的激冷水能在其壁上均匀形成一定厚度的膜，对渣气进行泡核蒸发冷却[2]。为了防止下降管由于压力波动产生变形，其上部设置了数个平衡孔。下降管下部设置成波齿状，以避免合成气出下降管时形成大的气泡，带水带灰。

上升管设置在下降管外部，与下降管一起形成合成气折流上升通道，金属壁温相对较低，主要材料为316L。下降管与上升管之间的螺栓连接设计时考虑两者之间的温差引起的膨胀位移，螺栓孔宜设计为长圆孔。上升管下部设计数个型钢固定在激冷室外壳内壁[3]，避免合成气在上升过程中引起上升管振动。

为防止下降管被烧坏后，高温合成气直接冲击到气化炉承压壳体，在下降管与气化炉壳体之间设置了一圈挡板。此挡板除短时保护气化炉壳体外，还可以在一定程度折流合成气，减少合成气带水、带灰。

2.3 气化炉外壳设计

气化炉外壳作为气化炉的承压壳体，分为燃烧室外壳、激冷室外壳、连接两者的隔离支撑构件及支座四大部分组成。

2.3.1 主要承压壳体材料

某项目气化炉气化反应温度为1300℃左右，合成气介质中含H213.42mol%，氢分压0.58MPa。根据Nelson曲线，当设计温度高于200℃，需考虑氢腐蚀。根据API RP 571 4.4.2条，铁基合金与硫化物在温度超过260℃将会产生硫化反应，且氢的存在将会加速硫化腐蚀。本设备介质中含较高分压的氢气、硫化氢，且某些区域或部位构件壁温高于260℃，存在高温H2/H2S腐蚀的可能性。综合以上因素，燃烧室壳体主要材料选择1.25Cr-0.5Mo材料(如SA387Gr11 CL2)，并考虑6mm腐蚀裕量。激冷室为汽液两相空间，且存在酸性腐蚀介质，因此激冷室外壳主要材料为：SA387Gr11 CL2堆焊或复合SS316L。

另外，考虑到Cr-Mo低合金钢长期处于343℃～593℃时存在因金相组织变化引起韧性降低导致脆性失效的可能。依据API 571 4.2.8条，1.25Cr-0.5Mo钢长期在425℃及以上温度操作，存在蠕变及回火脆化的可能。设计中对原材料采取了限制有害元素(Mn、Si、P、Sn、Sb、As)的控制措施，即：母材及焊缝金属控制J系数≤150，X系数≤15ppm，且P≤0.008%。S≤0.005% 等的限制。

2.3.2 燃烧室外壳设计

燃烧室外壳顶部为烧嘴插入孔，用于支撑工艺烧嘴和开工烧嘴，需承受烧嘴的自重及工作时产生的冲击力。为防止烧嘴偏烧，插入通道与炉体中心线同轴度偏差一般不大于3mm(具体值还应根据不同烧嘴选择)[4]。燃烧室封头宜采用球形封头，主要为方便耐火砖布置；在燃烧室直筒段，同样为了满足耐火砖布置，应控制筒节的圆度公差不得超过3.0mm(按内径)、直线度公差为任意3m圆筒段偏差不得大于±3.0mm。

考虑到设备操作介质为中毒危害、易爆，燃烧室上的管口(主要为测温、测压口)宜采用整体锻件补强结构。

根据耐火衬里施工要求及操作需要(操作时，各耐火衬里层之间存在相对自由位移)，炉体接口与炉壁内表面必须打磨平整且炉体内壁上不应附着其它配件。

2.3.3 隔离支撑构件

隔离支撑构件除了连接燃烧室和激冷室外壳的锻环外，还有锥形封头、托砖板及托砖板法兰。锥形封头、托砖板和托转板法兰设计时既要考虑同激冷室内件重量、耐火材料自身重量产生的全部负载、以及耐火材料发生纵向膨胀造成的相应负载，又要考虑燃烧室与激冷室之间的压差。

托砖板法兰容易损坏的原因[5]：① 高温炉渣及粗煤气的冲蚀；② 粗煤气对金属材料造成的高温腐蚀；③ 高温介质对金属材料的烧蚀。下降筒堵渣后，因粗煤气流出燃烧室的阻力变大，会严重加剧介质在托砖板法兰处的湍流。设计时考虑合成气接触部分用耐火砖将托砖板法兰包起来，使其不外露，其目的不仅可以在一段时间内保护法兰不被高温粗煤气和炉渣冲蚀，还可以一定程度避免或减少粗煤气接触托砖板法兰而对其的腐蚀。同时在炉口处采用N08825的抗高温耐腐蚀的材料。

2.3.4 激冷室外壳的设计

激冷室外壳设计的关键点为：人孔的设计和出渣口的设计。

(1)人孔设计：人孔位于气化炉激冷室壳体上，人孔本身的结构设计可按照常规设计进行。人孔设计的关键点在于人孔位置的确定。本气化炉的人孔除了检修激冷室内件用外，还应考虑耐火材料更换时使用(此类气化炉耐火材料的向火面砖需要经常更换)。受限于下降管、上升管及激冷室外壳筒体的尺寸限制，人孔中心位置宜与上升管底部齐平。检修时(特别是耐火衬里更换时)，检修人员、向火面砖、脚手架及其它工具可从其进出。

(2)渣气出口设计重点：渣气出口用于气化炉排渣，及内件检修的进出口，底部与破渣机相连。设计时重点考虑设计载荷和法兰密封型式。

设计载荷的确定：由于渣气出口下部悬挂有破渣机、短管、阀门及锁斗等相关部件，因此渣汽出口设计时，除考虑由温度、压力造成的载荷外，还应考虑底部悬挂物的重量引起的相关载荷。

法兰密封垫片设计[6]：渣气出口处温度、压力较高，法兰直径大，且由于内件及破渣机检修需要，拆卸相对较频繁，因此此处应选择一种压缩、回弹性和密封性能都较好，耐高温和高压并能适应操作参数波动的带内外加强环型缠绕垫(一般垫片材料为：S31603/FG)。如选用金属八角垫，在法兰拆卸后，垫片不容易拔出，易损伤法兰密封面，影响密封。

2.3.5 支座的设计

此类气化炉一般直径较大，且在激冷室有数对带有冲洗联箱的就地液位计，一般用耳式支座支撑于气化框架上。耳式支座的设置应尽量使就地液位计及其联箱位于两相邻支耳正中间。另外，考虑到布置专业需要(简化支撑钢梁布置及避免液位计联箱穿楼面)及设备运输尺寸限制，建议气化炉耳式支座数量为4个。

支座具体设计时，要分工况综合考虑气化炉本体重量、渣气出口底部悬挂物重量、燃烧室顶部烧嘴及风载荷、地震载荷的影响。