合成气变换炉的选材和应用

第40卷第6期化工机械825合成气变换炉的选材和应用谭立平(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司)擴要在媒化工工厂,变换装夏是制取氩气气化工段后续工段,对最终制取數气起到重要的作用,而变换炉是变换装中最重要的设备之一,其选树受到多种工艺工况的制约,其选树的好坏,直接影响到装王的长周期运行。关键词合成气变换炉复合板氫气硫化氩中图分类号TQ054·.7文獻标识码B文章编号02546094(2013)060825404在煤化工工厂,变换装置是制取氢气气化工2变换炉选材分析段的后续工段,而变换炉是变换装置中最重要的变换炉是CO变换装置的关键设备。变换气设备之一,由于变换工艺介质多、工况复杂,多为中的CO和H2O(气态)在催化剂的作用下转化为高温、中压工况,因此变换炉选材受到多种因素的CO2和H2。由表1可知,选择制造变换炉的材料制约,采用何种材料制造变换炉需要从强度、腐需要既能抗H2腐蚀又能抗高温H2S腐蚀。蚀、经济性及长周期运行等方面综合考虑。2.1抗氢材料选择1变换炉参数高温临氢压力容器的壳体材料应根据容器的第一变换炉按热壁炉设计,炉内装进口催化设计温度(已考虑28℃的裕量)和设计氢分压在剂,反应床为绝热轴向催化剂装填的结构形式, Nelson曲线中选取,并遵照HC20581《钢制化工内装约50m3催化剂。催化剂由型钢梁上的栅板容器材料选用规定》6.7.3节的规定。第一变换支撑,气体进口设置气体分布器催化剂床反应温炉的设计压力3.9MPa,炉内的设计温度485℃,度由床层内的热电偶测量。第一变换炉的工艺参根据炉内氢气的组成计算出氢气的分压为数为1.287MPa。利用 Nelson曲线分析,设备处于临氢基层材料SA387Grl1c2状态壳体需采用抗氢腐蚀材料。目前在中压范复层材料0Crl8 Nill Nb(TP347)围内临氢设备采用的抗氢钢主要有:1Cr0.5Mo,设备净重62125Cr0.5Mo和2.25Cr-1M设备容积83.5m根据氢分压和设计温度,查 Nelson曲线,得几何尺寸3600mmx9700mm知1Cr0.5M钢在此工况下虽然不会产生氢腐设计压力蚀,但会产生表面脱碳现象,材料的强度不能保设计温度485℃证,且采用 Nelson曲线有l度左右的误差,所以炉内工艺介质组成成分见表1。lCr05M钢不能选为此工况下的设备用材。查GB150表41发现1.25Cr0.5Mo(国产代表1变换炉内工艺介质组成%表钢种14 Crl MoR)在各个高温阶段材料的高温H2sCO其他屈服强度低于SA387 Grl1C12。另外,据调查23.1~33.10.2.114CrMR用于国内该工况变换炉的实例不多国内目前没中国煤化工x54没列人,CNMHG*谭立平,男,1962年12月生,工程师。北京市,100011826化工机械2013年GB7132008列入),GB150也只将14CrMR列是钢板成分控制要求;控制焊接时回火脆性敏感入附录A中,国内舞阳钢厂、武汉钢厂和重庆钢性;需作步冷试验。故SA387G22C不是变换炉厂处于试生产阶段,故不宜作为在此工况下的最材料的最佳选择。佳材料采用1.25Cr0.5Mo的国外牌号材料GB150没将2.25Cr1Mo的国内材料SA387 Grl1c12,查 Nelson曲线,该材料满足设计12C2MolR列入其中。SA387Gn22Cn属于工艺参数要求,查ASME标准-材料性能D篇表2.25Cr1Mo钢种系列国外牌号,此钢种价格较1,SA387Grl1c在各高温阶段许用应力材料较贵,且因材料强度高,含铬量达2%以上,在370~为稳定,且此材料国内用于变换反应器和气化炉590℃回火的过程中容易产生回火脆性,材料订货的实例较多,如神华宁煤和包头煤制烯烃的煤制时不能完全按ASMEⅡ的SA387标准正文去订氢变换炉所用材料均为SA387 GrlIcl,其化学成货。为了控制回火脆性必须增加一些附加要求:分和力学性能分别见表23。表2SA387Gr11Cl2的化学成分%项目Mn熔炼分析0.05~0.170.40~0.650.0350.0350.50-0.801.00~1.500.45~0.65成品分析0.04-0.170.35-0.730.0350.0350.44-0.860.9-1.560.40~0.70表3SA387 GarLic的力学性能析决定设备壳体材料采用不锈钢复合板。复合层抗拉强度屈服强度伸长率/%伸长率/%不锈钢和基层铬钥钢采用爆炸复合(锯齿连接)。MPaMP(标距200)(标距50)设备复层采用奥氏体不锈钢较合适,由于奥氏体515-69031018不锈钢塑性及韧性好,和异种钢焊接不会产生裂纹。为了保证复层钢材一定的高温强度,复合层22铬锯抗氢钢抗氢的理论基础奥氏体不锈钢含碳量应不小于0.04%,故复层选因为氢原子在高温状态下有渗透性,钢中的择TP347(0Cr18N1Nb)奥氏体不锈钢,基层采用碳与渗入钢中的氢原子生成甲烷,使其强度和韧SA387 Grllcl2。性明显降低2),反应进行的过程降低了该区域的3焊接材料的选择和焊接方法碳浓度,局部区域甲烷量不断增多,形成阻力使该设备因直径大,容器壁较厚,设备为整体运区域产生裂纹,即产生氢膽和组织中的碳元素组输故设备的焊接工作主要在制造厂完成。设备成化合物的趋势,造成材料力学性能下降。为了的主要纵环焊缝为自动焊。焊接工艺评定为:其避免这种事情的发生,在钢中增加铬钼元素阻止基层焊丝为 HIl CrMo45A,焊剂为CHF603,复合氢进入组织中,在晶界上形成碳化铬和碳化铝的板不锈钢部分的焊接采用焊条HOCr20NoTi,基化合物,组织中游离的氢有所减少。层和复层之间的焊接采用E310Mo-15。2.3抗硫化氢腐蚀材料选择表4为H1CrMo45A焊丝的化学成分,经比根据介质中硫化氢的含量(0.1%),笔者分对,各化学成分符合控制要求。表4 Hll CrMo45A焊丝的化学成分项目供应值0.060.230.0090.0041.260.520.05复验值00.570.190.0130.0051.120.140.510.18珠光体耐热钢应采用低氢型焊条或焊丝,基或焊丝,复TYH中国煤化工层相应的焊层与基层材料焊接应选择同基层材料相应的焊条条或焊丝CNMHG再焊过渡层,第40卷第6期化工机械827最后焊复层的基本要求。复层奥氏体不锈钢347国内生产厂家有上钢因变换炉的外部接管采用304材料,而设备的五厂及山西太钢等,各厂家都有成熟的冶炼和制补强锻件材料为SA336FlC3钢,设备和外部管道造工艺。此台设备复层钢板347供货厂家为瑞典连接采用焊接,因SA336F1lC3钢含碳量在01%奥拓坤普。0.4%正火状态下的组织主要是珠光体。珠光体与4.3CrMo钢+衬里不锈钢的复合板厂家奥氏体的线膨胀系数不同,在焊接时会产生很大的目前国内钢厂生产复合板的厂家主要有:四应力不锈钢与珠光体低碳钢的直接焊接(堆焊例川惊雷大连爆炸复合所及太钢等厂家。将基层外)极易产生裂纹,焊接时应在SA336 Flick3钢上堆材料和复层材料进行爆炸复合,选择焊一层高镍奥氏体焊条(如A302),完成后再用低铬SA387 GriCe+347的爆炸复合厂家为大连爆炸奥氏体钢焊条(如A132)焊接。也可采用镍基焊条复合所。爆炸方法为直接爆炸法。作为填充金属(ERNC3)因镍基的膨胀系数和铬钼5技术规格书中材料的要求钢接近,界面处产生的应力比用奥氏体焊条作为填在确定了材料以后,需编写钢板的采购技术充金属的小。规格书。因ASME规范钢板-SA387GrLC的4国内外钢厂的供货情况正文后面有很多补充的技术要求,用户或设计单初步选定材料后,需要了解国内外都有哪些位要根据具体用途进行选择和补充。文中所采用厂家能生产制造,笔者分别从基层复层和复合板的是SA387GrC正火板(抗拉强度为515供货厂家进行可行性分析。690MPa,屈服强度不小于310MPa,伸长率为4.1基层CrMo板材的供货厂家22%),和国内的14Cr1MoR材料性能相当。由于国内生产变换炉的抗氢CrMo钢主要有:ASME规范中SA387Gr11Cl的化学成分中控制12cr2MolR、14 Crl Mor和1CMoR。生产CrMo的硫、磷含量高于国内同种材料14cMoR,冲击中厚板材厂家主要是:河南舞阳钢厂、武汉钢厂和功低于14 CrI MoR,那么订货时SA387GlLC2正重庆钢厂。经过考察知舞阳是国内生产中厚板火板的化学成分和冲击功值应不低于14cMoR较著名厂家,它的钢板生产厚度和冲击功优于其的数值这些都应在技术规格书中写明。他两个厂家,但是14CMoR还处于试生产阶段为了控制SA387 Grl1C2材料的回火脆性,在(还没批量生产),对于12C2Mo1R钢板以上3家钢板釆购的技术规格书中要求熔炼分析除应符合企业还处于研发阶段。规定外,还有如下限制:国外生产变换炉抗氢CrMo钢板材料主要a.Cr含量应大于1.0%(产品分析)是SA387Gr22C12SA387Grl1CI2和b.P含量应不大于0.01%,如有特殊要求SA387Gr12C。钢板根据ASME标准生产制造,需在设计图纸的技术要求中注明其主要生产企业是日本神户制钢以及德国C.(S%+Mn%)不大于1.1%;DILLINGER等,经了解这两家都有多年生产d.J系数不高于120,J=(S%+Mn%)SA387GC2的经验,此台设备基材选择供应厂(P%+Sn%)×10000。家为德国 DILLINGER。化学成分分析结果(表5)和碳当量计算结果4.2复层衬里不锈钢的供货厂家应在材料合格证书表示。表5 DILLINGER实际供货材料的化学成分%C0.0.570.5180.010.00031.3980.1680.5620.1460.000根据表5数据计算得:J=(S%+Mn%)×V)/5×100%合格:Si+Mn=1.09<(P%+Sn%)×10000=108.8<120;碳当量1.1%合格。中国煤化工CE =C+Mn/6 + Ni+ Cu)/15 + Cr +Mo因设备处CNMHG申强度试验828化工机械013年(表6)应满足以下要求588>515MPa;Ra=446>310MPa,室温拉伸强度a.钢板应按SA20的要求进行附加拉伸试和屈服强度均满足 ASME SA387GlC12(表3)验,高温拉伸试验温度按相关设备的设计温度并要求。在材料采购单明确,高温试验温度为485℃;6结束语b.同炉、同种规格每批钢板做一个试验,且目前SA387GllC2钢板广泛用于气化炉、加每张钢板要求相同热处理炉次;氢反应器和变换炉壳体材料,此设备随装置于c.高温拉伸强度的最小强度值应满足2008年开车成功运行到现在,每次停车检修期ASME第Ⅱ篇D部分的要求;间,进入设备对其复合层进行检查,同时对焊缝进d.材料合格证中应阐明高温抗拉强度值,行超声波抽查,没有发现氢腐蚀和材料减薄等问其拉伸试验的要求应不小于485℃下的高温屈服题。强度。参考文献表6 DILLIGER实际供货材料的部分力学性能R/MPa/MPaR.2(485℃)/MPa[1] ASME SA387/387M,ASME锅炉及压力容器规范Ⅱ材料A篇:铁基材料[S].北京中国石化出版社588.630446.495355,317[2]王非,林英化工设备用钢[M].北京:化学工业出由表6可以看出:Ra2=317>206MP版社,2004(500℃时的屈服强度),高温屈服强度合格;Rn=(收稿日期:20130401,修回日期:20130507)(上接第787页)[7]徐英,于中伟张涛等,V形内锥流量计关键参数9符松,王亮湍流转捩模式研究进展[J].力学进展对流出系数的影响[]机械工程学报,2008,442007,37(3):409-416(12):105-11l10]成婷婷,张正科,屈科.用转捩模型预测转捩及确[8] Bakabel A, Hegab A M, Nasr M, et al. 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Having ef-flux coefficient's calculation results compared with experimental results shows that, with respect to SST turbu-lence model the SST 4-equation turbulence model is more suitable to calculate the flow field of multi-orificeflow meter, and the calculation precision is higher in the case of low Reynolds number; the linearity of the ef-flux coefficient C becomes best and reaches0.8% when k closes to"V凵中国煤化工 arity of the eflux coefficient C becomes worst and reaches 3. 6% when k gets lessCNMHGKey words multi-orifice flow meter, efflux coefficient, turbulence model, simulation