德士古水煤浆气化炉的设计.pdf

8 化工设 备设计 1 9 9 8年 第3 5 卷 德士古水煤浆气化炉的设计 张明慎 刘吉祥 化工郝第三设计院 告肥 2 3 O O 2 4 1 前 言 德 士古水 煤浆气化炉是 一种高 温 高压 反应设 备 目前 国 内已投产运行 的水煤浆气 化 装 置 有 三 套 即 鲁 南 化 肥 厂 上 海焦 化 总 厂 渭 河化 肥 厂 其 中 气 化 炉 容 器 外壳 及 内 件 均 由国 内设计 翻 造 而 原 材料则分 别从 日 本 美 国进 口 气化 炉反 应室的耐火 隔热衬里 材料 均 从 国外 引 进 2 水煤 浆气 化妒主 要 结构 及材质 水煤 浆气化炉 的主要结 构见 图 1 炉体 由 反 应 室 和 急 冷 室 组 成 反 应 室 和 急 冷 室 由锥 盘 隔开 反 应 室 中 衬有 耐 火 隔 热 衬 里 衬 里 由锥 盘上 的支盔来 支撑 锥 盘 的下 面装 有急 冷环 环 中充 满了急 冷水 溢 出的急冷水在程 液 管 内表 面 上 形 成充 分 的 水 膜 以保 护 急 冷 环 和 浸 液 管 免 受 过 热 图 1 水 煤浆 气化 炉主 要结 构 图 水 煤 浆 气 化 炉 反 应 室 外 壳 的 最 高 金 属 温 度 为 4 0 0 设 计 温 度 为 4 2 5 材 质 为 S A3 8 7 G r 1 1 C L 2 急 冷 室 钢 壳 的 设 计 温 度 为 2 6 0 急冷室钢壳和锥盘为 S A3 8 7 G r 1 l C L 2 3 1 6 L复 合 板 急 冷 室 中 除 急冷环和浸液管为镍 铬铁合金外 其 它内件均 为 3 1 6 L奥 氏体 超低 碳 不锈 钢 3水煤 浆气 化炉 容器外 壳 作 为 高 温 高 压 反 应 设 备 水 煤 浆 气 化 炉 的 操 作条 件 十 分 恶 劣 反 应 室 和 急 冷 室 的 操 作 工况 差 异 较 大 二 室虽 互相 独 立 又 相 互 影 响 反应室衬里 锥 盘 急冷室 内件与容器外 壳 间的相互 联 系 相 互影响 应予 以充分 地考 虑 鉴 于 此 在水 煤 浆气 化 炉 的 设 计 选 材 过 程 中 我们 综 合地 分 析 了 各组 件 的相 互关 系 提 出了避免异 种钢 焊接 尽可 能地降低 由于衬 里 内件 的热膨胀而 引起的壳 体膨胀 应力的设 计 主 导 思想 水 煤 浆 气 化 炉 容 器 外 壳 按 A S M E进 行 设 计 容 器 外 壳 的 主 材 为 S A3 8 7 G r 1 l C L 2 接管 法 兰等 采 用 与 S A 3 8 7 C r 1 1 C L 2化 学 成分 相 同 的 S A1 8 2 Fnc L 2 整 体 锻 件 以 确 保 容 器 外 壳 制 成 后壳 体 接 管整 体 锻件 和 焊 缝 金 属 具 有相 近的化学 成分 和机械性能 3 1反应 蜜壳体 反 应 室 中 水 煤 浆 气 化 反 应 的 温 度 约 为 1 4 0 0 经 衬 里 隔 热 后 反 应 室 金 属 壳 体 的最 fI f J l 维普资讯 第 6 期 9 高 工作 温 度 为 4 0 0 设 计 温 度 取 为 4 2 5 为 避 免金 属 壳 体 超 温 工 作 反 应 室壳 体 外 表 面 上 布满了表 面热 电偶丝线 以监控壳体金属 的温 度 3 1 1反 应 宣 壳 体 厚 度 的确 定 反 应 室壳 体 包括 上 球 封和 简 体 两 部分 按 A S M E 5 E C 一1 U G 一3 2和 U G一2 7确 定 的 球 封 和 简 体 的 设计 厚 度 分 别 为 P S R i C 2 m z P R i C 2 式中 P为 设计 压 力 船 i 和 R 分 别 为球 封 和 简 体 的内 半径 5为 材 料 在 设 计 温 度 下 的许 用 应 力 E 为焊 缝 系数 c 为 腐 蚀 裕 量 反应室壳体除承受内压外 还 承受着衬里 热 膨 胀 产 生 的 径 向和 纵 向膨 胀 力 此 外 壳 体 上 开 孔 的 朴强 方 式 以 及 扳 材 与 锻 件 的 对 接 等 对壳体 的厚度也有一 定的影 响 因此 在确定 壳 体 的 最 终 厚 度 时 应 综 合 考 虑 以上 各 种 因 素 的影 响 3 1 2球封与简体间的过渡 球 封 和 简体 的厚 度 相 差较 大 二 者 对 接 时 必须加工 过渡段 但 球封 与简体 闯的过 渡段 不 得 削弱 简体 部 分 必须 位 于 封 头 与 简体 闯 的 切 线 以 上 的 球 封 一 侧 按 A S ME S E C 一 1 U W一9 不等厚 板对接时 在保证 内壁平齐 的 前提下 过渡段 的长度 工必须 不小于 两扳厚 度 差 的 3倍 此外 球 封 内半 径 疆 简体 内半 径 R t 与 工间还 应满足几何关系式 脓 L 3 I 3扳 材与 锻 件 的 对 接 S A3 8 7 G r 1 1 C L 2板 材 的 常 温 拉 仲 强 度 为 5 1 5 M P a 常温 屈 服 强 度 为 3 1 0 M P a 在 0 4 2 5 的 范 围 内 的 许 用 应 力 值 为1 2 9 M P a 而 S AI 2 F 1 1 C L 2锻件的常温拉仲 强度为 4 8 5 M P a 常 温 屈 服 强 度 为 2 7 5 M P a 在 0 4 2 5 范 围 内 的 许 用 应 力 值 为 1 2 0 M P a 二 者 在 强 度 方 面 存 在 着 较 大 的差 异 当二 者 需 要 对 接 时 为保 证 板 材 和 锻 件 达 到 相 当 的相 对 应 力 水平 就 不可 避 免 地 会 出 现 不 等 厚 对 接 问 题 根 据 A S M E S E C 一1 U W 一9 当厚 度差 超 过 较 薄 件 厚 度 的 1 4和 l 8英 寸 3 1 7 5 m m 中的 较 小 值 时 应按图 U W一9加工过渡段 但 在较 厚件 锻 件 上加工过渡段实 质上是减小 了较厚件 的厚 度 因此 在 确 定 板 材厚 度 时 应 充 分 重 视 板 材 与 锻 件 的对 接 问 题 在 满 足 标 准 规 范 的前 提 下 尽可 能地通过控制厚度差来实现对 接 当 厚 度 差 较 大 时 扳 材 的 厚 度 应 进 行 适 当 的 调整 以便 在不 削弱锻 件 的前 提 下实现 对 接 必要 时 可通过堆焊过渡段 的方式来实现 对接 3 1 4开 孔 补 强 气 化 炉 反 应 室 的 接 管 法 兰 采 用 S Al 8 2 Fn 2整 体 锻 件 开 孔 补 强 采 用 自补 强 的方式 即开孔 均由其相 应的整体锻件进行补 强 设计计算 中仅考虑 在有效补强范 围内整体 锻 件 上 的 多 余金 属 对 开 孔 的 补 强 忽 略壳 体 多 余 金 属 和 焊 缝 的 朴 强 作 用 从 而 将 开 孔 补 强 和 壳 体 强 度 分 别 考 虑 简 化 设 计计 算 3 2急冷 宣壳体 根据 急冷室 的工况条件确定 的急 玲室 壳 体 材 料 为 s A3 8 7 G r 1 1 C L 2 I 3 l 6 L整 体 复 合 板 复 合 层 3 1 6 L用 于 抵 抗 各 种 腐 蚀 基 层 s A3 8 7 G r nC L 2用 于 承 压 与 反 应 室壳 体 一 样 为避免壳体 金属主材 的异种钢 焊接 急玲室接 管 法兰 采 用 S Al 8 2 FnC L 2整 体 锻 件 根 据 国 内 主要制 造厂 的堆焊设备 的实际情况 接管 公称 直 径大 于 5 0 ra m 时 内壁 堆 焊 3 1 6 L 接 管 公 称 直径不超过 5 0 m m时 管 内村焊 3 1 6 L村 管 急冷 室壳 体主要 由筒体 下锥封 及底 法兰等组成 各部分按要 求材 造 检验合格后 与反应室 壳体等组 焊成 气化炉的容器外壳 3 2 1急冷宣壳体厚度的确定 维普资讯 w w w b z f x w c o m 1 0 化工设 备设计 1 9 9 8年 第 3 5 卷 急 冷 室 壳 体 耐 腐 蚀 层 由 3 1 6 L复 合 层 和 3 1 6 L接缝 堆焊层构成 3 1 6 L复 合层的厚度 根 据 急 冷 室 介 质 的 腐 蚀 速 率 渣 水 的 磨蚀 速 率 以及水 煤浆气化 炉 的寿命 确定 3 1 6 L接箍 堆 焊 层 的 厚 度 应 至 少 包 括 过 渡 层 和 两 层 面 层 的厚 度 具 体 的 厚 度 按 选 定 的焊 接 工 艺 和 焊 缝 结 构 确 定 但 堆 焊 层 的 耐 腐 蚀 面 层 厚 度 应 不小 于 3 1 6 L复 合层 的 厚度 急 冷室 壳 体 承 压 基 层 的 厚度 除 应 满 足 强 度 要 求 外 还 应 满 足 结 构 要 求 确 定 其 厚 度 时 除 按 舳锄 一1 U G一2 7内 压 计 算 出的器壁计 算厚度 以外 还 应充分考 虑急冷 室 内件热膨胀引起 的壳体局部应力 外 管 外 部 附件 引起 的壳 体局部 应力 以及 板材与锻 件 的对 接 等 因素 的 影响 3 2 2底 法 兰 的设 计 急 冷 室底 法 兰 的 密 封 面 及 连 接 尺 寸 按 其 配对法 兰 破渣机顶法兰 在设计过程 中 施 加在底 法 兰上的破 渣机及 渣水管 道 的重力 作 为 轴 向外 载 荷 与 设计 压 力 一 起 综 合 考 虑 底 法 兰 颈 部 与 下 锥 封 小 端 的 加 强 等 同题 也 应 足 够 重 视 3 2 3开 孔 补 强 与气化 炉反虚室一 样 为彻底避免异种钢 焊 接 气 化 炉 急 冷 室 的 接 管 法 兰 也 采 用 与 壳 体 主材化学成 分相 同的 S A1 8 2 F 1 1 C L 2整 体锻 件 法 兰 密 封 面 堆 焊 3 1 6 L后 进 行 精 加 工 公 称 直 径 不 大 于 5 0的 接管 内衬 焊 3 1 6 L衬 管 为 消 除 开孔 对 确 定 壳 体 壁 厚 的 影 响 除 气 化 炉 底法兰外 其它开孔 均采取 自朴强的方式 3 3 锥 盘 水 煤 浆 气 化 炉 的 反 应 室 和 急 冷 室 由 锥 盘 来 隔开 锥盘作 为一 个承上 启下的枢纽 上表 面支承 着反应室 耐火衬 里 下部安 装有急玲 环 和 浸 液 管 因 此 锥 盘 的强 度 刚度 支 捧 及 安装 面的衬造偏 差对水 煤浆气 化炉 的整体运 行 效 果 均 有 着 很 大 的 影 响 在 锥 盘 的强 度 剐 度 设 计 中 反 应 室 与 急 冷 室 的压 差 锥盘 基 层 金属 材 料 的 温 度 耐 火 衬里 的重力 及荷载分 布 耐火 衬 里 的纵 向热 膨 胀 力 反 应 室 侧 的腐 蚀 裕 量 板 厚 负 偏 差 以及 成型 减薄量 等 因素 的影 响 均应 充分 地体 现在最 终确定 的锥盘厚度上 4耐火衬 里 反应室耐火衬里分 为拱顶 圆筒段 和锥段 三 个部 分 拱顶和 锥段分 别 由火面砖 和 隔热 填 充层 构 成 圆筒 段 则 由火 面砖 背 层 砖 和 隔 热 层构成 其 中火面砖采用具有 良好的抗渣 耐 冲刷 性 能 的 铬铝 锆砖 水 煤浆 气 化炉 的反 应 室 中 反 应 温 度 高 达 1 4 0 0 而且 反虚过程 中产生 的熔渣顺壁 雨下 经 喉 口流人 急 冷 室 反 应 室 中各 部 位 的火 面 砖 烧损的程度 受熔渣侵蚀程度 均不尽 相 同 各段 的使 用寿命 也有 明显 的差 异 据 宇部氨 厂对气化 炉反应 室衬 里火 面砖 寿命 跟 踪调查 的结果 拱顶火面砖 寿命 约为 1 2 X 10小时 圆 筒 段 火 面 砖 寿 命 约为 1 6 0 0 0小 时 而 锥 段 火 面 砖 寿 命 约 为 1 0 0 0 0小 时 原 因 就是 锥段 渣 蚀 冲 刷严重 拱顶烧损 严重 因此 各段火面砖 应 单 独 支 捧 以便 于 衬 里 的维 护 更 换 耐 火衬 里 的设计 及 操 作状 况直 接影 响到 水煤浆 气化炉 的运行安全 气化炉 反 应室经 衬里隔热后 设定 的反应 室壳 体最 高 金属温 度 为 4 0 0 在 设 计 中 应 充 分 考 虑 到 衬 里 的 寿命 极 限 状 态 以及 掉 砖 等 最 恶 劣 的工 况 条 件 并据此选择隔热材料 确定 隔热层 厚度 以确保 在最 恶劣 的工况 出现 时 在反 应室金 属壳体 温控系统 发 出停 车信 号之前 反应室 壳 体不 出现 超温 运行现 象 水煤浆和氧气在反应室 中不完全燃烧 生 成物 中古有 C O z S O 2 H z S I O等 其 中 H t 的分压约为 1 0 胁 为避 免壳 体金属 出现 高温氢腐蚀 或露 点腐蚀 现象 在结 构 处理 中 背层砖 层应具 有 良好 的隔离 性能 以确保气 体不穿 透背层砖 层 且 反 应室壳 体 内壁上 不 维普资讯 w w w b z f x w c o m 第 6 期 出 现冷 凝 现 象 此 外 在 衬 里 的结 构 设 计 中 还 应 充 分地 认 识到 衬里 纵 向 径 向膨 胀 对 反 应 室 球 封 筒 体和 锥 盘 的影 响 合 理地 留 设 膨胀 缝 以便 尽 可 能 地 降低 由于 衬 里 热 膨 胀 引 起 的壳 体 应 力 5 急冷 室 内件 和外部 预 焊件 在保 证 强 度 刚 度 满 足 工 艺要 求 的情 况 下 在 急冷室 内件 和外 部预焊 件 的设 计 中应 采 取 尽 可 能 地 避 免 产 生 膨 胀 应 力 的 主 导 思 想 需 与壳 体焊 接 的内件和 外部 预焊件均 须 在 壳 体 进 行 焊 后 热 处 理 之 前 与 壳 体 焊 接 以 急 冷水 管 的走 向 为 例 为 减 小 急 冷 水 管 与 壳 体等 膨胀不一 致而引起 的壳 体 和急冷 环的局 部应力 急冷水 管 中设置了多个 9 0 弯头 以 降 低 其 各 个 方 向 的 刚 度 并 通 过 其 自身 的柔 性变 形来 抵 消 其在 各个 方 向上 的热 膨胀 量 从 而 将 由 于 急 冷 水 管 与 壳 体 等 膨 胀 不 一 致 而 产 生 的 壳 体 和 急 冷 环 的局 部 应 力 降 低 到 可 以 控 制 的水 平 6 综 述 水 煤 浆 气 化 炉 运 行 的好 坏 炉 体 的设 计是 其 中 的 一个 重要 因素 只 有严 格 把握 设 计 选 材 制 造 检验 安装 中 的每 一个 环 节 才 能 确 保 气化 炉 的 整 体 质 量 只 有结 合 水 煤 浆 气 化 装 置 的生 产 操 作 等 具 体 情 况 充分 考 虑 到 可 能 出现 的最 恶 劣 操 作 工况 严 格 按 照 操 作 规 程 进 行 操 作 维 护 才 能确 保 水 煤 浆 气 化 炉 在 设 计 寿 命 的期 限 内安 垒 稳定 地 运 行 综 上 所 述 在 水 煤 浆 气 化 炉 的 设 计 过 程 中 我 们 在 借 鉴 国 内外 水 煤 浆 气 化 炉经 验 教 训 的基 础 上 坚 持 避 免 异 种 钢 焊 接 尽 可 能 地 避 免或 降低 膨 胀 应力 的 设 计 主 导 思 想 力 争 将 设 计 选 材 制 造 检 验 等 环 节 有 机 地 结 合 起 来 以最低 的成本获得最佳 的经 济效 益和社 会 效