單燒嘴水煤漿氣化爐結構設計

楊巍巍

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

單燒嘴水煤漿氣化爐結構設計

楊巍巍*

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

本文介紹單燒嘴水煤漿氣化爐的結構設計思路，指出氣化爐外殼、內件及耐火材料結構設計時需注意的關鍵點。

單燒嘴水煤漿氣化爐 外殼 內件 耐火材料

水煤漿氣化爐是指以煤或石油焦等固體碳化物的水煤漿或水漿巖作為燃料的煤氣發(fā)生爐。目前應用于國內比較主流的水煤漿氣化爐：以德士古、西北化工研究院為代表的單燒嘴頂置氣化爐；以華東理工大學為代表的多燒嘴對置式氣化爐。

2014年我公司承擔了某項目的氣化裝置工程設計，該裝置氣化爐為單燒嘴水煤漿氣化爐。筆者就該類氣化爐結構的設計思路和設計關鍵點淺談個人看法。

1 氣化爐結構

單燒嘴水煤漿氣化爐主體結構主要由壓力容器外殼、內件和耐火材料三大部分組成。壓力容器外殼由燃燒室外殼、激冷室外殼以及置于兩者間的隔離支撐構件及支座組成。隔離支撐構件一方面用于將氣化爐分成燃燒室和激冷室兩個區(qū)域，另一方面用于支撐燃燒室耐火材料和懸掛激冷室內大部分內件。氣化爐內件主要由激冷環(huán)、下降管、上升筒等其它附件組成，設置在氣化爐激冷室中，以降膜蒸發(fā)的方式冷卻和洗滌合成氣；耐火材料主要為耐火磚的多層耐火襯里，設置于氣化爐燃燒室外殼中，形成燃燒室爐膛。此類氣化爐一般采用耳式支座支撐氣化爐本體及出渣口下部懸掛設備的重量，氣化爐結構見圖1；氣化爐主要技術參數(shù)見表1。

2 氣化爐結構設計

氣化爐的結構設計主要分為：氣化爐外殼設計、耐火材料設計及激冷室內件設計。

氣化爐的外殼主要是承壓并為工藝介質形成必要的反應和洗滌(合成氣的洗滌和冷卻)空間。為配合內件和耐火材料的設計需要，一般先進行氣化爐反應室耐火材料及激冷室內件的初步設計，確定外殼的尺寸并進行外殼的設計。

圖1 單燒嘴水煤漿氣化爐示意圖

項目燃燒室激冷室操作溫度，℃1300234設計溫度，℃425(殼體)425操作壓力(G)，MPa4343設計壓力(G)，MPa4848操作介質合成氣激冷水、合成氣

2.1 耐火材料的設計

氣化爐燃燒室內，與高溫粗合成氣接觸的部位均應設置耐火襯里。具體部位為：燒嘴插入口、爐頂、燃燒室直筒段、隔離支撐構件上部。

耐火材料的設計要求耐火材料一方面能隔離爐膛內的高溫介質，避免其與氣化爐殼體直接接觸，另一方面還應通過結構及材料屬性的控制，防止過高或過低的溫度及不恰當?shù)牧ψ饔糜谕鈿ど稀Ｒ虼四突鹨r里的設計需考慮幾個因素[1]：① 向火面耐火材料應能承受氣化爐燃燒室正常操作溫度條件下熔渣的侵蝕和磨蝕作用(并考慮一定的短時1540℃的超溫)，一般采用90高鉻磚，且所含Cr2O3≥86%；② 耐火襯里傳遞到氣化爐外殼上的溫度不能過高，也不能過低。如果過高，氣化爐外殼存在超溫風險；如果過低，氣化爐外殼存在被冷凝的合成氣腐蝕的風險，一般此溫度控制在相應工況下合成氣的水汽露點溫度30℃以上。殼體材料的選取應考慮此工作溫度；③ 耐火襯里需設置膨脹縫，并且與殼體接觸的部位需采用可壓縮的材料，以滿足耐火襯里自身熱膨脹需要和避免耐火磚襯里對氣化爐外殼產生額外的應力；④ 非規(guī)則部位的耐火襯里應選擇流動性較好的材料，便于施工。

另外，當耐火材料發(fā)生破壞時，高溫粗合成氣有可能會穿過耐火襯里與氣化爐殼體接觸，導致氣化爐殼體超溫，因此在燃燒室外殼外壁，必須設計一套壁溫檢測報警系統(tǒng)，用以有效的保護氣化爐；該壁溫檢測報警系統(tǒng)一般采用分區(qū)測量平均溫度或最高溫度的方法，在燃燒室筒體部分每隔200mm，封頭部分每隔150mm要設檢測點，以監(jiān)控每一塊耐火磚的工作情況。

一般此類氣化爐耐火材料選擇以耐火磚為主的多層組合襯里結構，包括：①受磨蝕作用最為嚴重的向火面直筒部耐火材料層，該層可縱向自由伸縮；②向火面內襯外側的絕熱耐火磚層，該層對向火面耐火材料拱頂部起支撐作用；③絕熱耐火磚層外側的保溫層耐火材料；④爐內不規(guī)則部位砌筑流動性相對較好的高鋁質澆注料。

耐火材料的具體設計一般由專業(yè)的廠家進行。

2.2 氣化爐內件的設計

氣化爐內件主要設置在激冷室內，用于冷卻、洗滌合成氣。激冷室內件又分為激冷環(huán)、下降管、上升管及其它輔助內件。激冷環(huán)的主要材料為N08825，一般由專利商設計并供貨。下面主要介紹下降管、上升管及其它輔助內件的設計。

下降管為高溫渣氣和激冷水的(汽)流動通道，主要材料為N08825鎳基合金，設計時需對筒節(jié)的圓度提出公差控制要求，以便來自激冷環(huán)的激冷水能在其壁上均勻形成一定厚度的膜，對渣氣進行泡核蒸發(fā)冷卻[2]。為了防止下降管由于壓力波動產生變形，其上部設置了數(shù)個平衡孔。下降管下部設置成波齒狀，以避免合成氣出下降管時形成大的氣泡，帶水帶灰。

上升管設置在下降管外部，與下降管一起形成合成氣折流上升通道，金屬壁溫相對較低，主要材料為316L。下降管與上升管之間的螺栓連接設計時考慮兩者之間的溫差引起的膨脹位移，螺栓孔宜設計為長圓孔。上升管下部設計數(shù)個型鋼固定在激冷室外殼內壁[3]，避免合成氣在上升過程中引起上升管振動。

為防止下降管被燒壞后，高溫合成氣直接沖擊到氣化爐承壓殼體，在下降管與氣化爐殼體之間設置了一圈擋板。此擋板除短時保護氣化爐殼體外，還可以在一定程度折流合成氣，減少合成氣帶水、帶灰。

2.3 氣化爐外殼設計

氣化爐外殼作為氣化爐的承壓殼體，分為燃燒室外殼、激冷室外殼、連接兩者的隔離支撐構件及支座四大部分組成。

2.3.1 主要承壓殼體材料

某項目氣化爐氣化反應溫度為1300℃左右，合成氣介質中含H213.42mol%，氫分壓0.58MPa。根據(jù)Nelson曲線，當設計溫度高于200℃，需考慮氫腐蝕。根據(jù)API RP 571 4.4.2條，鐵基合金與硫化物在溫度超過260℃將會產生硫化反應，且氫的存在將會加速硫化腐蝕。本設備介質中含較高分壓的氫氣、硫化氫，且某些區(qū)域或部位構件壁溫高于260℃，存在高溫H2/H2S腐蝕的可能性。綜合以上因素，燃燒室殼體主要材料選擇1.25Cr-0.5Mo材料(如SA387Gr11 CL2)，并考慮6mm腐蝕裕量。激冷室為汽液兩相空間，且存在酸性腐蝕介質，因此激冷室外殼主要材料為：SA387Gr11 CL2堆焊或復合SS316L。

另外，考慮到Cr-Mo低合金鋼長期處于343℃～593℃時存在因金相組織變化引起韌性降低導致脆性失效的可能。依據(jù)API 571 4.2.8條，1.25Cr-0.5Mo鋼長期在425℃及以上溫度操作，存在蠕變及回火脆化的可能。設計中對原材料采取了限制有害元素(Mn、Si、P、Sn、Sb、As)的控制措施，即：母材及焊縫金屬控制J系數(shù)≤150，X系數(shù)≤15ppm，且P≤0.008%。S≤0.005% 等的限制。

2.3.2 燃燒室外殼設計

燃燒室外殼頂部為燒嘴插入孔，用于支撐工藝燒嘴和開工燒嘴，需承受燒嘴的自重及工作時產生的沖擊力。為防止燒嘴偏燒，插入通道與爐體中心線同軸度偏差一般不大于3mm(具體值還應根據(jù)不同燒嘴選擇)[4]。燃燒室封頭宜采用球形封頭，主要為方便耐火磚布置；在燃燒室直筒段，同樣為了滿足耐火磚布置，應控制筒節(jié)的圓度公差不得超過3.0mm(按內徑)、直線度公差為任意3m圓筒段偏差不得大于±3.0mm。

考慮到設備操作介質為中毒危害、易爆，燃燒室上的管口(主要為測溫、測壓口)宜采用整體鍛件補強結構。

根據(jù)耐火襯里施工要求及操作需要(操作時，各耐火襯里層之間存在相對自由位移)，爐體接口與爐壁內表面必須打磨平整且爐體內壁上不應附著其它配件。

2.3.3 隔離支撐構件

隔離支撐構件除了連接燃燒室和激冷室外殼的鍛環(huán)外，還有錐形封頭、托磚板及托磚板法蘭。錐形封頭、托磚板和托轉板法蘭設計時既要考慮同激冷室內件重量、耐火材料自身重量產生的全部負載、以及耐火材料發(fā)生縱向膨脹造成的相應負載，又要考慮燃燒室與激冷室之間的壓差。

托磚板法蘭容易損壞的原因[5]：① 高溫爐渣及粗煤氣的沖蝕；② 粗煤氣對金屬材料造成的高溫腐蝕；③ 高溫介質對金屬材料的燒蝕。下降筒堵渣后，因粗煤氣流出燃燒室的阻力變大，會嚴重加劇介質在托磚板法蘭處的湍流。設計時考慮合成氣接觸部分用耐火磚將托磚板法蘭包起來，使其不外露，其目的不僅可以在一段時間內保護法蘭不被高溫粗煤氣和爐渣沖蝕，還可以一定程度避免或減少粗煤氣接觸托磚板法蘭而對其的腐蝕。同時在爐口處采用N08825的抗高溫耐腐蝕的材料。

2.3.4 激冷室外殼的設計

激冷室外殼設計的關鍵點為：人孔的設計和出渣口的設計。

(1)人孔設計：人孔位于氣化爐激冷室殼體上，人孔本身的結構設計可按照常規(guī)設計進行。人孔設計的關鍵點在于人孔位置的確定。本氣化爐的人孔除了檢修激冷室內件用外，還應考慮耐火材料更換時使用(此類氣化爐耐火材料的向火面磚需要經常更換)。受限于下降管、上升管及激冷室外殼筒體的尺寸限制，人孔中心位置宜與上升管底部齊平。檢修時(特別是耐火襯里更換時)，檢修人員、向火面磚、腳手架及其它工具可從其進出。

(2)渣氣出口設計重點：渣氣出口用于氣化爐排渣，及內件檢修的進出口，底部與破渣機相連。設計時重點考慮設計載荷和法蘭密封型式。

設計載荷的確定：由于渣氣出口下部懸掛有破渣機、短管、閥門及鎖斗等相關部件，因此渣汽出口設計時，除考慮由溫度、壓力造成的載荷外，還應考慮底部懸掛物的重量引起的相關載荷。

法蘭密封墊片設計[6]：渣氣出口處溫度、壓力較高，法蘭直徑大，且由于內件及破渣機檢修需要，拆卸相對較頻繁，因此此處應選擇一種壓縮、回彈性和密封性能都較好，耐高溫和高壓并能適應操作參數(shù)波動的帶內外加強環(huán)型纏繞墊(一般墊片材料為：S31603/FG)。如選用金屬八角墊，在法蘭拆卸后，墊片不容易拔出，易損傷法蘭密封面，影響密封。

2.3.5 支座的設計

此類氣化爐一般直徑較大，且在激冷室有數(shù)對帶有沖洗聯(lián)箱的就地液位計，一般用耳式支座支撐于氣化框架上。耳式支座的設置應盡量使就地液位計及其聯(lián)箱位于兩相鄰支耳正中間。另外，考慮到布置專業(yè)需要(簡化支撐鋼梁布置及避免液位計聯(lián)箱穿樓面)及設備運輸尺寸限制，建議氣化爐耳式支座數(shù)量為4個。

支座具體設計時，要分工況綜合考慮氣化爐本體重量、渣氣出口底部懸掛物重量、燃燒室頂部燒嘴及風載荷、地震載荷的影響。

3 結語

單燒嘴水煤漿氣化爐的設計是個復雜、繁瑣的過程，本文系統(tǒng)的歸納、總結的設計思路和需注意的關鍵點亦可作為德士古、西北化工研究院及華東理工的水煤漿氣化爐設計參考。另外，氣化爐運行的好壞，與燒嘴及耐火材料的供貨質量、設備操作等方面關系非常大，結構設計只是其中最基本的一步。

1 王彥海，周 夏.水煤漿氣化爐耐火材料的應用[R],神華包頭煤化工有限公司，2008.

2 張克鋒，周 夏.氣化爐錐底磚、激冷環(huán)與下降筒損毀原因分析與改進措施[R]，山東華魯恒升化工股份有限公司.

3 王建軍,張敬忠,張亮等.德士古氣化爐帶水原因分析和處理[R]，山東兗礦魯南化肥廠第二氮肥廠，2001.

4 叢玉梅，孫 鴻，高 凱. 德士古激冷型氣化爐合成氣偏流的原因、危害及采取的措施[R]，2007.

5 周 夏，張克鋒. 水煤漿氣化爐托磚板法蘭損毀原因分析R, 山東華魯恒升化工股份有限公司,2006.

6 高俊峰，吳樹濟. 壓力容器用大直徑法蘭連接密封墊片的選用[J]，壓力容器，2012,29(10)：68-69.

2016-03-04)

*楊巍?。焊呒壒こ處煛?008年畢業(yè)于武漢工程大學化工設備與機械專業(yè)獲碩士學位?，F(xiàn)從事石油化工設備設計工作。 聯(lián)系電話：(027)81927279，E-mail：yangzimuyang@163.com。