气化炉结构设计及制造工艺6-14

1、.气化炉结构设计及制造工艺摘 要煤炭资源在我国一次能源中占70%以上，所以为了适应我国缺油、 少气、富煤的基本国情，本设计针对水煤浆制取合成气的大型设备气化炉进行研究， 根据一开始所选择的炉型，对其主要零部件设计计算，包括上下封头、筒体、支座、密封和人孔等结构，并绘制出气化炉的装配草图。 然后对整个气化炉制造过程及以上各零部件的制造工艺研究分析，阐述关键制造工序并提出解决制造难点的方案。 结合设备制造的过程经验，针对 sa387gr11cl2 材料表面堆焊耐蚀层、 复合钢板对接、 各零部件组焊等焊接工艺也做了重点分析，并做出总结。通过查阅相关资料，最终选择合适的热处理方式，即分部件单个热处理并

2、辅助加工手段逐层消除保证后， 做最后的整体消除应力热处理以达到最终效果。同时，由于设备的大型化，难以运输，所以本文对设备的现场组装、压力试验等也做了一定的介绍。关键词：德士古气化炉，结构设计，制造工艺，焊接.structure design and manufacturing process of gasifierabstractcoal resources accounted for more than 70% in chinas primary energy, in order to adapt to chinas basic national conditions of lacking

3、oil and gas and riching in coal resources, the design mainly discuss gasifying furnace which is used to produce synthetic gas from coal water slurry, first i design and calculate the main parts of the gasifier according to the furnace type before, including the heads of gasifier, cylinders, supporti

4、ng seats, sealing and manhole structure, next draw the assembly sketches of gasifier. then, analyze the manufacturing technology of the whole gasifier and the major parts, elaborate the key manufacturing procedure and put forward the plan to solve the questions of difficult manufacturing process. an

5、alyze and summarize the surfacing process of sa387gr11cl2, the butt welding of the composite steel, and the welding technology of the parts by combining with the process experiences of the equipment manufacturing. and choose the suitable heat treatment finally, through accessing to relevant informat

6、ion, which is heating the parts of gasifier with the auxiliary means of processing layer by layer to eliminate stress. then, heat the whole of gasifier to eliminating stress to achieve the final effect. at the same time, due to the large-scale of equipment, it is difficult to transport, so this pape

7、r also introduces the field of equipment.key words: texaco gasification furnace, structure design, manufacturing process, welding.目 录摘 要 .iabstract .ii1 绪论 .11.1课题研究的背景及理论意义 .11.2气化炉的选型 .11.3煤气化炉的发展趋势 .11.4德士古气化炉介绍 .21.4.1德士古炉型气化炉的技术特点 .21.4.2水煤浆气化特点 .21.5气化炉容器外壳的选材 .21.5.1反应室壳体选材 .21.5.2激冷室壳体选材 .31

8、.6主要材料的力学性能 .31.7气化炉的制造问题 .41.7.1运输问题 .41.7.2装备问题 .41.7.3制造与检验 .42 德士古气化炉主要部件的设计 .52.1气化炉结构特点与技术特性 .52.2主要部件的设计计算 .52.2.1燃烧室筒体壁厚的计算与校核 .52.2.2激冷室筒体的设计 .62.2.3上球形封头的设计 .72.2.4下锥体封头的设计 .72.2.5密封结构设计 .82.2.6人孔补强结构设计 .82.2.7支座结构设计 .123 气化炉的制造工艺研究 .133.1制造规范及要求 .133.1.1制造规范 .133.1.2技术要求 .133.2主要部件的制造工艺流程

9、 .13.3.2.1主要部件成型前的通用工艺流程 .133.2.2上球形封头成型 .143.2.3激冷室筒体的成型 .173.2.4燃烧室筒体的成型 .213.2.5下锥体封头的成型 .234 气化炉制造中的焊接技术研究 .254.1 sa387gr11cl2 耐热钢焊接性的分析 .264.2耐热型低合金钢焊接的要求 .264.3主要结构的焊接工艺分析 .274.3.1上球形封头环向坡口焊接 .274.3.2燃烧室筒体纵焊缝焊接 .274.3.3激冷室（复合钢板）筒体纵焊缝焊接 .284.3.4筒体锻件的局部堆焊 .314.3.5下锥形封头与大法兰组焊 .324.3.6接管与复合钢板筒体的焊接

10、 .334.3.7筒体锻件与内件的焊接 .345 气化炉的组装 .37致 谢 .38参考文献 .39.1 绪论1.1 课题研究的背景及理论意义我国石油和化学工业在快速发展的同时，正面临着资源、能源和环境等多重压力。由于我国石油和天然气短缺， 煤炭相对丰富的资源特征， 加之国际油价的持续高位运行状态，煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会变得越来越重要。 国家在“十五”规划中明确指出， “必须下大力气调整能源结构，从各个方面采取措施节约石油消耗，大力发展洁净煤气化技术”。由于煤化工的气头，即气化方式是煤产品的根源，因此煤气化炉就成为煤化工产品的龙头。国外煤气化技术早在 20 世纪 50

11、年代已实现工业化， 20 世纪 70 年代因石油天然气供应紧张使得煤气化新工艺研究和开发得到快速发展，并成功地开发出对煤种适应性广、气化压力高、气化效率高、污染少的新一代煤气化炉。其中具有代表性的有荷兰的壳牌（ shell）炉、美国的德士古（ texaco）炉和德国的鲁奇（ lurgi ）炉等。在国内运用最为广泛的为 ge 水煤浆和 shell 煤粉气化工艺。利用煤碳在气化炉中发生一系列的化学反应，制取合成气，为合成氨、制取甲醇提供原料气。针对我国的国情，可以充分利用煤炭这一能源。采用德士古气化炉设备，有着较高的转化率和可靠性，而且对环境无污染，环保性能好。1.2 气化炉的选型按照气化炉内料流

12、形式， 气化技术大致分为固定床、 流化床和气流床三大类典型的固定床气化炉有间歇式固定床气化炉、 加压鲁奇固定床气化炉； 流化床有灰熔聚流化床气化炉、恩德炉等，气流床有德士古气流床、 shell 粉煤气化炉等。气流床技术由于煤种适应性强， 效率高，合成气中有效成分高，运行可靠且环保性能良好。所以气流床技术在我国也运用的较为普遍， 其代表炉型为德士古气化炉和壳牌干粉煤气化两种气化炉。德士古气化炉的设备结构简单， 内件很少；理论上可以用任何煤种；其有较长的运行实践经验，操作危险性小，可用率达 80% 85%；气化炉的运行费用较低。 shell 气化炉的碳转化率虽然比较高，但投资也高，设备造价较高，配

13、合的干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气加压所需的功耗较大 1 。所以本次设计以德士古气化炉作为研究对象。1.3 煤气化炉的发展趋势（1）气化压力向高压发展提高气化效率、碳转化率和气化炉能力，实现气化装置.大型化和能量高效回收利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成。（2）气化炉的能力向大型化发展大型化便与实现自动控制和优化操作，降低能耗和操作费用。（3）气化温度向高温发展气化温度高，煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应广。1.4 德士古气化炉介绍1.4.1 德士古炉型气化炉的技术特点ge 水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。水煤浆经原料加压泵加压后

14、与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进入气化炉，在燃烧室（气化反应室）内在表压 5.56mpa，约 1400条件下水煤浆与氧发生部分氧化反应，生成co、h 2 、co2 、h 2 o 和少量 ch 4 、h 2 s、cos 及微量的 nh 3 、hcooh 等气体。从气化反应室出来的粗合成气，直接向下通过下降管进入气化炉的激冷室完成合成气的激冷洗涤，出激冷室的合成温度260左右。粗合成气中的炭黑在激冷室中大部分被清除，由渣水出口进入破渣机。气化室的温度大约在 1400，耐火材料设计温度可达1540左右。气化炉壳体外壁设有壁温监测系统，反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量，当反应室外壁某

15、区域温度达到345370时高温报警。因合成气中含有少量的h 2 s 气体，为防止湿 h 2 s 腐蚀，气化炉外壁温度不低于225，以避免内壁结露造成露点腐蚀2 。1.4.2 水煤浆气化特点a）气化炉结构简单，气化强度高，设备体积小，布置紧凑、生产能力大。b）水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良好的稳定性、流动性，较低的灰熔点及泵易输送等。c）与干粉进料相比，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的过程，体现出了安全并容易控制的特点，取消了气化前对原料的干燥，节约能源。d）连续性生产。e）对环境污染小 3 。1.5 气化炉容器外壳的选材1.5.1 反应室壳体选材考虑反应室外壳的操作、设计条件，壳体材料在设

16、计温度下，强度不应有显著的下降，同时还应有良好的抗腐蚀性能。奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀能力，但是成本太高，而且在温度升高到设计温度时，奥氏体不锈钢的强度明显下降。按asme sec ( 锅炉和压力容器规程), 最经济适用的容器钢板.为 sa387gr11cl2耐热钢，因为 gr、mo 元素的存在，提高了钢在高于 350温度下工作的高温强度和持久强度，这种钢通常称为耐热性低合金钢。同时该材料还有良好的抗氢腐蚀能力。在所有的铬钼钢里，sa387gr11cl2板材的韧性、强度、焊接性能都比较好，所以作为反应室的壳体材料使用。但由于 gr、mo 元素提高了钢的淬透性，使焊接性能变差，易产生冷裂纹和再

17、热4裂纹。为保证焊接焊接质量，预热、后热和焊后消除应力热处理等措施必不可少 。1.5.2 激冷室壳体选材为了避免异种钢焊接，降低气化炉的造价，气化炉激冷室壳体的基材也采用sa387gr11cl2。同时为了避免 h 2 s、so2 等酸性气体以及渣水的腐蚀，在基层上应堆焊耐腐蚀的奥氏体不锈钢（316l），并且采用含镍较高的材料作为过渡层堆焊（ 319l），所以最终采用轧制复合钢板sa387gr11cl2+316l。1.6 主要材料的力学性能表 1-1 316l 不锈钢和 sa182力学性能材料n/%屈服强度/mpa抗拉强度/mpa伸长率 /%316l0.0622052045sa182235500

18、21表 1-2 316l 化学成分化学成分c%si%mn%p%s%cr%ni%mo%n%316l0.03120.030.0350.81.113.5162.23 0.2表 1-3 sa182化学成分化学成分c%si%mn%p%s%cr%ni%mo%sa1820.120.180.170.370.40.70.0350.0350.81.10.30.40.55表 1-4 sa387gr11cl2化学成分c%si%mn%p%gr%mo%ni%0.20%0.05%0.17%0.50%0.80% 0.40%0.65% 0.010%0.012%0.10%0.15%0.45%0.65%0.25%.表 1-5 sa

19、387gr11cl2力学性能抗拉强度屈服强度伸长率冲击吸收能量180 弯曲试验弯曲直径钢板厚度/mm温度/（b35mm）/mpa/mpaa/%kv2/j6100520680310192034d=3a100150510670300192034d=3a1.7 气化炉的制造问题现在随着国家技术的发展，国内煤化工和石油化工企业得到了大力地发展。每个企业都在追求最佳经济效益，设备装置持续走大型化发展路线。设备装置的大型化给中国化工机械制造行业带来机遇的同时，也改变了大型压力容器制造方式。主要存在的问题有：1.7.1 运输问题由于现在设备的大型化，直接面对的便是设备高参数、大直径、重吨位。有些设备重量甚至

20、超过两千吨，唯一的选择就是分段、分部件运输现场组装。1.7.2 装备问题设备大型化带来的再一个问题就是为满足制造过程中各方面的要求而配备的加工装配问题。如锻造、成型、机加、焊接、无损检测、热处理等装备。1.7.3 制造与检验1）现场热处理和水压试验 由于现场条件的限制，所以在现场热处理的情况比在制造厂内的效果要差，所以现在很多工厂在现场搭建积木式炉，对设备进行整体热处理。对于大型设备，在现场进行水压试验也是装备的一个难点，因为大型设备一般都选择现场合拢，这样就无法再制造厂内实现水压试验，而且有些设备注水后总重上千吨，对支撑点也会有很大的作用力。因此，很多的大型设备，其水压试验选择在设备安装现场

21、。2）质量检验因运输条件的限制，大型设备制造过程中的很多工作往往会遗留到现场进行，对焊接质量等的检查也提出了更高的要求。如今国内大型设备制造厂家采用tofd 超声检测方法代替射线检测，对焊缝进行探伤。tofd 技术是利用超声波衍射的时差反应来对焊缝进行扫描，从而对焊缝中的缺陷进行定位。3） 焊接技术设备的大型化也使得设备壁厚增大，目前的解决方法是采用双丝进行双行窄间隙焊接。.2 德士古气化炉主要部件的设计2.1 气化炉结构特点与技术特性气化炉由喷嘴、球形封头、燃烧室、激冷室、y 形锻件、下锥体、大法兰等组成。本次研究的气化炉技术参数为：设计压力5.56mpa, 操作压力为 4mpa，上球形封头

22、的锻件材料为sa387gr11cl2，直径为3200mm；燃烧室的筒体锻件为sa387gr11cl2，直径为 3200mm, 操作温度为 1400左右，设计温度 455；激冷室筒体采用轧制复合钢板 sa387gr11cl2+316l，堆焊总厚度为 6mm, 直径 3188mm,操作温度约 260，设计温度为 455。工作介质高温煤气、煤气、熔渣、黑水等，属类压力容器。水压试验压力为 7.57mpa。因为气化炉的内件结构较为复杂，所以本次结构设计以主要部件作为研究对象，分别有：上球形封头，燃烧室筒体，激冷室筒体和下锥体封头以及其他比较重要的部件。2.2 主要部件的设计计算2.2.1 燃烧室筒体壁

23、厚的计算与校核1）高压容器的筒体壁厚计算公式为5 ：pdi(2-1)2tp筒体的壁厚，mm；p设计压力，mpa；di 燃烧室筒体的内径，mm；焊接接头系数；t 设计温度下材料的许用应力，mpa; sa387gr11cl2的机械性能为：常温s =310mpab =515mpat=455st =230mpabt =373mpa已知燃烧室筒体的直径为 3200mm, 设计压力为 5.56mpa；双面对接焊缝 100%无损探伤，=1。t 取以下数值较小者：s310 193.75mpab230 143.75 mpans1.6nb1.6t230t373smpabmpans143.75nb124.331.6

24、3.取t124.33mpa.于是5.56320073.19(mm)2124.3315.56圆整后取筒体厚度为75mm，则筒体的直径比为kde33501.05 。di32002）内压与温差同时作用时的强度校核5气化炉壳体外壁设有壁温检测系统，当反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量，当反应室温度外壁温度达到345380时高温报警，所以，取壳体的内壁温度为290。因合成气中含有少量 h 2 s 气体，为防止湿 h 2 s 腐蚀，气化炉外壁温度不应低于225，以避免内壁结露造成露点腐蚀，所以取壳体的外壁温度为240。t 290 240 50 内壁壁温高于外壁壁温时，校核外壁的叠加应力：当加

25、热的情况，两种应力的叠加，外壁应力恶化，此时应校核外壁的叠加应力，即：( )r r( 1 ) r rt2t(2-2)000其中，p k15.56(1.051)113.98 (mpa)(2-3)1 rr2 k12 (1.051)0温差应力的工程近似计算:(t ) r re t 1 ln k rk r21pt12(2-4)02 1ln k rk 21ln k k 21其中，12其值接近 1， ptet ，令 me，则 m 值见下表，由此ln k rk 212 12 1温差应力的近似计算方法为：ttm t(2-5)z表 2-1 材料的 m 值材料高碳钢低碳钢低合金钢cr-co钢，mo 钢，cr-ni

26、 钢m1.51.61.71.8铬钼钢为低合金钢，所以m=1.7。(t )r r mt1.7 50 85 (mpa)0()r r0( 1) r r0t113.98 85 198.98 2t2 124.33 248.66(mpa)0所以计算所得的壁厚满足强度要求。2.2.2 激冷室筒体的设计.激冷室腐蚀比较严重，所以采用复合钢板，筒体过渡层堆焊厚度为3mm，复层堆焊厚度为 3mm, 总堆焊厚度为 6mm，激冷室筒体的内径为3188mm, 激冷室筒体壁厚的计算和燃烧室一样，考虑堆焊层总厚度，所以筒体的厚度取为（75+6）mm。2.2.3 上球形封头的设计球形封头壁厚计算方法：tpdi(2-6)t4p

27、t已知球形封头的壁厚为 3200mm，双面对接焊缝 100%无损探伤， =1；124.33 mpa。所以有：t5.56320036.18 (mm)124.3315.564取球封壁厚 t=60mm。球形封头的中心开孔采用整体锻件补强，其补强结构如图2-1 所示，它的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小，且与壳体采用对接焊缝，使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。整体锻件补强一般用于有严格要求的重要设备。比如：高强度（ b 540 mpa）钢和铬钼钢制造的容器等。图 2-1 球形封头的补强结构2.2.4 下锥体封头的设计锥形封头壁厚计算公式为：pcd c1ct(

28、2-7)2pc cos锥体半顶角，；锥体半顶角为 30，其计算内径为 3200mm。5.5632001(mm)c84.512 124.33 5.56cos30.圆整后取其厚度为85mm。2.2.5 密封结构设计高压容器的密封部件是高压设备中除筒体外的另一个重要部件。高压设备的密封原理与中压和低压设备的密封原理基本相似，防止流体在密封口处泄露的基本途径是在密封面处增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压力差时，介质就能够被密封住5 。此次研究的是与燃烧器相连的凸缘法兰的密封装置八角垫，其结构如图2-2所示。八角垫属于径向自紧密封，它的压紧面是梯形槽内外锥面（主要是外锥面）

29、与垫圈接触而形成密封，这种压紧面一般与槽的中心轴线成 23夹角。密封垫圈材料可用纯铁、低碳钢、cr5mo、0cr13等。图 2-2 八角垫垫圈和槽2.2.6 人孔补强结构设计（1）人孔接管壁厚计算可以将人孔接管看作是单层厚壁的圆筒，单层厚壁的圆筒的算法如下6 ，即在计算压力不t超过 0.4 时，按公式：pdi2tp(2-8)式中，计算厚度，mm；.图 2-3 人孔接管p计算压力，p=5.56mpa；焊接接头系数,一般情况下焊接接头系数取 =1.0；di 筒体内径，d i600 mm；t 许用应力（组合许用应力），接管锻件 sa 182f11,cl2在 0455范围内的许用应力值为 120mpa

30、。所以：5.566002120114.23 (mm)5.56（2）补强结构的设计为了使容器能够进行正常的操作并满足容器制造、安装、检验、维修等要求，在容器壳体和封头上不可避免的需要开孔。压力容器上的开孔接管对容器所产生的影响主要有以下三个方面：首先是因开孔造成了承载材料的削弱；其次是由于开孔而造成孔边缘局部应力集中；第三是接管和壳体的连接构成了不连续结构，从而在接管的一定长度范围内和壳体的孔边附近引起附加的边缘力。因此，在开孔接管部位某些局部区域的应力将大大超过容器在正常设计状态下的应力水平，因而在静载荷下可能引起过大的变形或破坏，或在交变载荷下可能逐步萌生疲劳裂纹直至破坏。所以，压力容器设计

31、中心开孔及其补强设计就显得非常重要。压力容开孔补强的计算方法有很多种，如等面积法、压力面积法、开孔补强等，下面以国际工程设计中最常使用的方法，且为我国国家标准gb 150所采用的等面积补强法进行介绍7 。表 2-2 适合开孔的范围.项目在壳体上允许的最大开孔直径 d内径 d 1500mm内径 d1500mm筒体d1/2d 且 d500mmd1/3d 且 d1000mm凸缘封头或球壳d1di2锥壳（锥形封头）d1/3d(d 为开孔中心处的锥壳内直径）在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面d壳体内直径，mm；d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，mm；激冷室筒体直

32、径为 3200mm1500mm，开孔直径 d=601.6mm 1/3d=1066.7mm，所以该人孔需要补强。（3）内压激冷室壳体开孔所需补强面积壳体开孔后，在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规律，在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。为有效发挥补强材料的强度，补强材料应设置在开孔附近的高应力区域，及有效补强范围内。有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分。a)开孔壳体上的有效补强范围，是以受拉伸开孔大平板孔边应力的衰减范围进行考虑的，即补强范围取 2 倍的开孔直径。b)接管上的有效补强范围，是以端部受均匀分布载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑的，补强范围取1/ 2（

33、d 为开孔直径； nt 为接管名义厚度）。( d nt )（4）补强计算内压容器开孔后所需的补强面积，按下式计算：a d 2 et (1 f r )(2-9)式中，d开孔直径，取厚度负偏差为0.3mm，则有 d=600+0.8 2=601.6mm；fr 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，查得，接管锻件 sa 182f11cl2在 0455范围内的许用应力值为120mpa，前面已经计算过sa387cr11cl2在 0455范围的许用应力，为124.33mpa。两者的比值近似为1。所以 f r 1。壳体开孔处的计算厚度，72.91 mm；et 接管有效厚度， etntc20 0.8 19.2 (mm)；.nt 接管名义厚度， nt20(mm)；c厚度附加量，mm。钢板的负偏差取为c1 0.8mm，该接管和筒体的内壁都堆焊6mm 的不锈钢耐蚀层，所以取腐蚀余量为c2 =0mm。所以厚度附加量：cc1c20.800.8 mma601.672.91272.91 19.2(11)43862 .656 (mm2 )有效补强面积：壳体开孔