壓力容器技術在除塵凈化設備中的應用

紀民舉 金 偉 許慧萍

（上海化工研究院)

在化工、石油、冶金、電力及其他行業(yè)中，常產生含塵氣體。由于工藝上的要求，或回收能量、達標排放的要求，都需要對這些含塵氣體進行除塵凈化。一些含塵氣體在不同的工藝條件下具有一定的壓力、溫度和腐蝕性等特點，因此相應的除塵凈化設備往往需要按照壓力容器標準進行設計[1-3]。

壓力容器是石油、化工、冶金、電力、能源等部門廣泛應用的承壓設備，多數壓力容器的操作工況和使用介質常具有高溫、高壓、易燃、易腐蝕和有毒等特點，與人的安全息息相關[4]。壓力容器的設計專業(yè)性很強，要求設計人員必須全面正確地理解有關現行國家法令、設計標準和規(guī)范，從而達到正確合理地運用。

本文就壓力容器技術在除塵凈化設備中的應用進行了討論，特別是就壓力容器設計過程中的重要問題——強度校核、高溫磨損工況、最高允許工作壓力的確定、腐蝕裕量的選取等進行了研究，以便在工程設計時合理選擇壓力容器的結構尺寸，使設備既滿足生產工藝的要求，安全可靠地運行，同時也使設備設計得經濟合理，降低制造成本和運行成本。

1 壓力容器強度計算

這里所講的壓力容器強度計算，主要是指壓力容器承受載荷所需的壁厚δ和設備開孔所需的開孔補強面積A等的計算。

設計溫度下圓筒的計算厚度：

凸形封頭的計算厚度：

式中 δ、δh——圓筒、凸形封頭的計算厚度，mm；

pc——計算壓力，MPa；

Di——筒體 （凸形封頭）的內徑，mm；

［σ］t——設計溫度下圓筒或封頭材料的許用應力，MPa；

φ——焊接接頭系數。

由上述公式計算得到的厚度稱為計算厚度，設計時還必須考慮腐蝕余量。計算厚度與腐蝕裕量之和為設計厚度。由于鋼材有厚度負偏差，且鋼材是按一定規(guī)格厚度生產的，所以設計厚度加上鋼材厚度負偏差后應向上圓整至鋼材標準規(guī)格厚度 （稱為名義厚度），這也就是設備的加工厚度。

開孔補強所需的補強面積通常采用等面積法計算。等面積法就是補強的金屬面積應大于或等于開孔所削弱的面積。所需的補強面積計算公式為：

式中A——開孔削弱所需的補強面積，mm2；

d——接管中面直徑，mm；

δ1——開孔處的計算厚度，mm；

δet——接管有效厚度，mm；

fr——強度削弱系數。

對于壓力容器設備的壁厚，開孔補強必須滿足工藝載荷的要求，保證設備安全可靠地運行。同時，壓力容器主要結構尺寸的設計要經濟合理。合理地選擇壓力容器的結構尺寸 （如設備的內徑、壁厚等），可降低殼體的質量，從而達到降低設備造價的目的。

2 高溫磨損工況下壓力容器的設計

在石油、化工、電力、能源等領域，許多工藝條件中都有高溫甚至有大顆粒高速磨損的工況[5]。所謂高溫，通常是指壁溫超過容器材料的蠕變起始溫度。在高溫下壓力容器材料因蠕變會產生形狀和尺寸的緩慢變化。材料在高溫的作用下，其持久強度較短時抗拉強度低得多。此外，容器內部的介質對材料的腐蝕作用（例如氧化）也會因高溫而加劇。

因此，在設計時要根據工藝參數 （包括介質成分的物性等）來確定設計參數，合理正確地選擇材料，然后對容器進行強度校核計算和應力分析。高溫壓力容器的應力分析比較復雜，求理論解相當困難，在實際的工程應用中一般采用有限元法進行分析。壓力容器在使用期間一般允許其形狀和尺寸有一定的變化容限，因此選擇材料的主要依據是高溫持久強度和耐腐蝕性。當然，在工藝上要采取必要的防護措施，如在設備內壁澆鑄隔熱保溫層和防腐耐磨層襯里等，以確保設備在高溫、磨損、腐蝕等惡劣工況下長期安全可靠運行。

3 最高允許工作壓力的確定

除塵凈化設備用壓力容器在工程中，為保證設備在操作狀態(tài)下安全可靠地運行，特別是在較高壓力的工況下，設備上一般應裝設超壓泄放裝置 （安全閥或者爆破片裝置）。裝設有安全閥或者爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設計時提出氣密性試驗要求，則應當給出該壓力容器的最高允許工作壓力。在實際的容器設計中，有些設計者往往會把容器的最高允許工作壓力和設計壓力搞混。那么設計中如何確定最高允許工作壓力，這是一個很重要的問題。

最高允許工作壓力是指在相應溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。該壓力是根據容器各受壓元件的有效厚度，考慮了該元件承受的所有載荷而計算得到的，且取最小值。最高允許工作壓力不同于最高工作壓力，最高允許工作壓力是根據有效壁厚反推得到的容器允許承受的最大壓力值，一般超過設計壓力，但是最高工作壓力不允許超過設計壓力。在確定容器的最高允許工作壓力時，應考慮到容器中包含的所有受壓元件的設計條件和結構尺寸，原則上依據各受壓元件的有效厚度計算得到。

容器的最高允許工作壓力可按下式確定：

式中 P1、P2、P3、P4等分別為容器圓筒、封頭、法蘭、開孔補強等受壓元件，依據各自的設計條件、結構尺寸計算所得的相應于該元件的最高允許工作壓力。

4 腐蝕裕量的確定

容器殼體壁厚的腐蝕裕量，嚴格地說，應由材料的腐蝕速度及設備的使用壽命來決定。但對多數的工藝過程來說，一般都難以給出材料確切的腐蝕速度，而是由設備設計人員籠統(tǒng)地給出腐蝕裕量，這樣對設備的成本及安全都有很大的誤差。在實際的工程設計中，除工藝系統(tǒng)專業(yè)或工程設計文件中另有規(guī)定外，建議參照相關標準確定腐蝕速度，并以此來確定容器的腐蝕裕量。表1所示為石油化工設備常用的腐蝕裕量。

表1 石油化工設備的腐蝕裕量

對于接管的腐蝕裕量，建議取與筒體的腐蝕裕量相同。對于小直徑或薄壁接管，則應采取適當的補強措施，如改用厚壁管等。

5 除塵凈化設備工程應用實例

5.1 HGSD型天然氣預處理裝置的設計

下面以 “西氣東輸”工程中某油氣田采氣凈化廠采用的天然氣除塵凈化裝置為例，論述除塵凈化設備用壓力容器的有關設計問題。該設備為上海化工研究院設計的HGSD型天然氣凈化預處理裝置，其結構如圖1所示。

圖1 HGSD型天然氣除塵凈化裝置結構

相關的工藝條件：氣體介質為已脫硫天然氣，易燃易爆，氣體密度0.6982 kg/m3，處理氣量10.0萬Nm3/h，操作壓力1.0～1.45 MPa，操作溫度-15～50℃，進口粉塵粒度分布如表2所示。

表2 進口粉塵粒度分布

根據工藝條件確定設計參數，設計壓力為1.6 MPa，設計溫度為-15～50℃，設備材料采用低合金鋼Q345R，焊接接頭系數為1。從表2可以看出，粉塵粒度大于10 μm的顆粒約占61.5%?？紤]到磨損腐蝕程度為輕微腐蝕，取腐蝕裕量為2 mm。設備上封頭開設大開孔，為公稱尺寸DN450的人孔，開孔補強采用厚壁管鍛件 (?500×25)進行補強。設備裝設有安全閥，進行氣密性試驗時應給出設備最高允許工作壓力，因此要對容器圓筒、封頭、法蘭、開孔補強等受壓元件計算最高允許工作壓力。也就是說，要依據各受壓元件的設計條件和結構尺寸計算其相應的最高允許工作壓力，取其中的最小值作為該設備的最高允許工作壓力。

設計參數確定以后，代入前面所述的計算公式，即可對設備進行強度校核計算，直至滿足壓力容器的設計要求。在滿足工藝要求的條件下，設備不同內徑時各重要參數的計算結果如表3所示。

表3 不同內徑時設備參數的計算結果

從表3可以看出，設備在不同內徑尺寸條件下，選取的設計參數均達到了壓力容器的設計要求。但設備的設計在滿足工藝的條件 （處理介質氣量）下，還應盡可能做到經濟合理。表3中對符合設計要求的三種規(guī)格的設備進行了比較分析，內徑1800 mm設備考慮工藝條件的裕量系數較大，滿足了工藝要求，但設備的制造成本較大；內徑1400 mm設備盡管大幅度降低了制造成本，但對工藝條件參數要求很嚴苛，裕量系數太小，很難滿足實際的使用要求；而內徑1600 mm設備能很好地兼顧工藝條件和設備成本的要求，最為經濟合理。因此，經比較最終將1600 mm設備確定為設計的最佳方案進行了設計、制造和檢驗。目前該設備已經投運三年多，從實際運行情況看，運行安全可靠，滿足工藝除塵凈化要求，效果良好。

5.2 旋風分離器的設計

以山西某煤化工項目中的旋風分離器設計為例。該項目以煤為原料，在氣化爐中原料與氧氣、水蒸氣進行高溫氣化反應，產生含有氫氣、一氧化碳等的原料氣，供后續(xù)系統(tǒng)進行產品合成。除塵凈化設備旋風分離器負責將氣化爐出口煤氣中細小的煤粉顆粒分離出來，并通過返料輔助系統(tǒng)將煤粉顆粒返送回氣化爐內進行二次反應，以提高氣化爐的工作效率，提高C轉化率。因此，旋風分離器的正常工作，對氣化爐的高效運行非常關鍵。

根據氣化爐反應器的工況，旋風分離器工作環(huán)境具有高溫、帶壓、沖刷、腐蝕等特點[5-6]，其入口粉塵含量受原料帶粉、原料粒度、固定C、氣化爐的反應強度、壓力、溫度等多種因素的影響。因此，旋風分離器的結構設計，要與耐溫、耐沖刷和耐溫度升降的要求相適應。我們采用了具有耐溫耐壓耐磨隔熱襯里的高效旋風分離器對氣化爐反應器系統(tǒng)進行除塵凈化，其結構如圖2所示。

圖2 高溫帶壓耐磨隔熱襯里旋風分離器結構

相關工藝參數：固體顆粒為煤粉，粒徑在0～8 mm之間，經氣化爐反應后排出粗煤氣，煤氣流量40000 Nm3/h，中間夾帶未反應完全的粉煤灰 （粒徑經測約為150 μm）以及較大顆粒的原料粉煤。混合氣體進入到一級旋風分離器時其溫度約為850℃，工作壓力為0.6 MPa。

根據工藝條件，高溫 （約為850℃）、腐蝕性（含有硫化氫）混合氣體進入旋風分離器時其平均氣流速度為16～18 m/s?？紤]到這樣的惡劣條件，旋風分離器內表面采用了一定厚度的隔熱耐磨材料,并保持內表面平整光滑。取設備的設計溫度為350℃ （壁溫），設計壓力為1.0 MPa。經過工藝傳熱校核計算，這樣厚度的隔熱耐磨層可以滿足設計條件的要求。

由于旋風分離器特殊的進口形狀，不宜直接按照壓力容器規(guī)范中常用的方法來設計，而是采用了有限元分析設計的方法[7]，這里不再具體詳述。而對旋風分離器的筒體、錐體、灰斗結構等仍可按照常規(guī)壓力容器規(guī)范進行強度校核計算。

在設計中對一些重要的相關參數進行了計算、選取。由于煤粉顆粒度較大，氣流速度高，而且含有硫化氫，考慮了其磨損腐蝕程度，取腐蝕裕量為3 mm。設備材料受壓元件采用Q345R(正火)板材，確保材質碳當量CE≤0.45%，焊接接頭系數為1。設備上沒有開孔，不考慮補強計算。設備本體不裝設安全閥，故設計時可不給出設備最高允許工作壓力。設備按350℃ （壁溫）進行強度設計，操作中應隨時監(jiān)測壁溫。設備外表面涂耐高溫 (350℃)變色漆，如發(fā)現設備內部襯里損壞引起局部殼體超溫現象，應立即采取降溫或停止操作的有效措施，以保證設備的安全。

特別需要指出的是，由于旋風分離器的出口管位置的特殊性，出口管的高溫氣流速度很高，若采用耐磨襯里則很容易被沖刷掉，并造成循環(huán)系統(tǒng)的堵塞。因此，出口管材料宜采用耐磨耐高溫的高合金鋼材料。我們采用了抗腐蝕和耐磨性能優(yōu)良、富含鉻鎳的特種高合金鋼進口材料，該材料可承受800℃以上的高溫，使用效果良好。

確定設計參數后，代入前述的計算公式，即可對設備進行強度校核計算，直至滿足壓力容器的設計要求。設備的重要參數的計算結果如表4所示。

表4 設備參數的計算結果

根據設計要求，該設備應在正確的操作狀態(tài)下運行，嚴格按照規(guī)定的操作程序進行開車停車，以保證設備的耐受性。設備投入運行后，從實際測得的結果來看，設備運行壓力為0.4～0.6 MPa，設備壁溫為150～200℃，均小于設計參數值，符合設計要求，因而保證了設備的正常、安全、穩(wěn)定運行。

6 結語

本文介紹了壓力容器技術在除塵凈化設備中的應用。除塵凈化設備在壓力容器中占的比重越來越大，這就要求設計者要嚴格按照壓力容器的規(guī)范進行設計。本文從實際工程設計中遇到的一些典型問題入手，并以應用實例來具體論述壓力容器技術在除塵凈化設備中的應用，如何解決一些實際的工程技術問題。在進行除塵凈化設備設計時，既要考慮設備的經濟合理性，也要考慮設備的安全可靠性。

[1] 金國淼.除塵設備 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：26-179.

[2] 高忠白，等.壓力容器安全管理工程 [M].北京：中國石化出版社,1992：10-15.

[3] 紀慶偉.壓力容器設計的經濟合理性分析 [J].化工設計通訊，2008,34(1)：42-43.

[4] 邱廣民，吳冬果.淺談壓力容器設計中容易忽視的問題 [J].科技情報開發(fā)與經濟，2010,20(10)：222-223.

[5] 夏興祥，勞家仁.新型高溫旋風分離器的研究 [A].見：潔凈煤技術國際研討會論文集 [C].北京：煤炭工業(yè)出版社,1997：333-339.

[6] Sellakumar K M.High pressure high temperature gas cleaning using an advanced ceramic tube filter[J].Proc of 11th Int Conf on FBC,ASME,1991：1087-1094.

[7] ASME Boiler&Pressure Vessel Code.Ⅷ-1,2001.