两段式液态排渣气化炉的研制

第41卷第6期太原理工大学学报Vol.41 No. 62010年11月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOL.OGYNov.2010 .文章编号: 1007-9432<2010)06-0740-05两段式液态排渣气化炉的研制董跃1.20,凌开 成2b(1.太原重工煤化工设备分公司,太原030024; 2.太原理工大学a. 环境工程学院;b.化学化工学院,太原030024)摘要:首先在分析两段式气化炉和液态排渣气化炉优缺点的基础上提出了两段式液态排渣气化炉的设计理念,并给出了该气化炉的炉体结构图;其次,根据结构设计围和相关标准对气化炉的内外简体不同材质的筒壁厚度进行了计算、分析和对比,选定了筒体的制造材料,同时,根据该气化炉下部燃烧室区城的内壁外表面堆焊层材料的特性要求,分析对比了3种不同堆坪材料的性质，确定了堆焊层的材料;最后，按照相应的制造工艺对该气化炉的炉体进行了制造,并进行了咸品检验,其检验结果表明该气化炉研发与制造是成功的。关键词:两段式气化炉;液态排渣;厚壁容器;堆焊中围分类号:TU996文献标识码:A随着国民经济的发展,我国对能源特别是对石.形成2000C左右的高温燃烧区,从而极大地提高了油的需求越来越迫切。这就使得高效洁净煤技术越蒸汽气化率和气化强度。同时,由于对物料的供给来越受到人们的关注。煤间接液化是-种十分有效采用逆流气化的物料供给方式,这使将提高气化炉且应用广泛的洁净煤技术之一,其核心就是煤的气自身的气化热效率,从而降低了氧耗,节省对空分等化。两段式气化炉和液态排渣气化炉是当前工业煤设备的投资。气化强度的增强和逆流气化的应用进气化工艺中使用较为普遍的两种气化炉。两段式气-步使得该气化炉的碳气化转化率达到99.5%以化炉将煤的干馏和气化在同一炉体内完成,使煤气上,并减少了气化含酚废水量。另外,两段式液态排带出物减少,但灰渣含碳量较高,热损失大叫。液态渣气化炉的操作过程对煤质的变化不敏感,从而可排渣气化炉克服了两段式气化炉固态排渣过程中灰以实现无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤的单煤种气化以渣含碳量高的问题,且热效率高,但气化过程需转化及多煤种的混合投料气化。全部产品气,造成能耗和造价较高[2]。笔者认为可通过以上的论述可知,两段式液态排渣气化炉以结合两段式气化炉和液态排渣气化炉的相关优的优点是显而易见的。根据设计要求和相关标准，点,设计制造- -种两段式液态排渣气化炉。该气化本文通过参考两段式和液态排渣气化炉的结构,设炉的运行过程为:煤从立式圆筒压力容器的顶部进计了两段式液态排渣气化炉的炉体结构，并通过计人,纯氧,COr和水蒸汽作为气化剂从容器底部进算分析选择了炉体的材质以及炉体底部的堆焊材人,合成气自下而上穿过煤床,产生的气化煤气一部料。最后,根据设计方案,进行了气化炉制造和产品分从炉体下部导出(底煤气),另一部分上升进入上.的相关检验,其检验结果显示该气化炉达到了设计部干馏段.其显热用于煤料的低温干馏,最终上升气目标和工业使用标准。化气和干馏气混合后从炉体上部导出(顶煤气),煤.灰以液态熔渣的形式从底部排出国。1设计部分基于以上设计思路的两段式液态排渣气化炉实1.1 计算壁厚现了煤热解制气和气化制气的有机组合,炉体上部1.1.1 内压圈筒计算.高温半焦热解的显热可以直接用于气化制气，这将.根据GB150- 1998《钢制压力容器》5.2圆筒计显著提高热能利用率和气化产率。其次,由于炉体内部耐火砖和水夹套保护层的设计,使得炉内局部中国煤化工8按下式计算,公MHCNMHG收稿日期:2010-03-12作者简介:董跃(1964-),男,山西原平人,高级工程师,在读博士.主要从事煤化工设备及I艺的设计与研究,(Tel)0351-6362458第6期董跃等:两段式液态排渣气化炉的研制741式的适用范围为mm,L= 10842 mm,D./8. = 123. 9≥20,L/D.= 10p.≤0.4[σ]φ,842/4 298= 2.52 ,查GB150-1998中图6-2,查得系数A为4.34.2[]'φ- p.根据选用材料查GB150- 1998 中图6一4,查得四种材料的设计厚度8.=8+C2分别为116,系数B为120,许用外压力[p]= B/(D./8.)=0.9783. 5,82,57 mm.MPa,而设计压力p. =0.3 MPa.。= p.(D. +8.)[p]>p.因此假定的外压圆简厚度8, = 38 mm2四种材料在设计温度下圆筒的计算应力d分别为成立。1.2 材料选择89. 5,123. 5,125. 7,179. 84 MPa,d<[o]',应力校表1为4种不同材料作为炉体的计算壁厚,由核合格。表中可以看出,Q245R材料的炉体外壁计算厚度最1.1.2 外压圊筒的计算根据GB150- 1998《钢制压力容器》6.2外压圆.大,达到113 mm,而16MnR和15CrMoR在设计温筒和外压球壳的计算方法对外压圆简壁厚8。计算度下的许用应力值相接近，计算得出的炉体外壁厚相差不大,分别为80. 5 mm和79 mm, 13MnNiMoR如下:假定8=38 mm,8,=8,-C=38-3. 3=34.7炉体外壁厚度计算值最小,为54 mm.表1四种材料炉体外璧计算厚度杭拉强度下设计压力简体内径|设计温度下 应力焊接接头炉体外简材料限值/MPap/MPaD./mm[o]/MPa系数p壁厚8/mmQ245R3904. 64 400)211316MnR60440028180.515CrMoR450317913MnNiMoR4.69054由图1中可以看出13MnNiMoR材料的许用应兰,内外壳折边封头,内外简体,内外壳标准椭圆封力值在400C以下稳定,为190 MPa,其余三种材料头及上部连接法兰组成，在气化炉下部燃烧室内壁的许用应力值都随着温度的升高而降低,且低合金.外部堆焊Inconel625,堆焊层及炉体内壁外砌耐火高强度钢的焊接件容易引起晶粒粗大,产生马氏体.材料和耐火砖,以避免炉内壁与火焰直接接触,水夹组织,从而导致焊接区域硬度升高,尤其对于厚壁容套内通人高压循环水,对炉内壁进行温度冷却。气器,易产生较大的焊接残余应力1。为了降低容器化炉在运行时,煤由煤锁进人过渡舱,经上部法兰口的壁厚和节约用材,采用更高强度级别的低合金高进人炉腔体内部,煤炭在炉体腔内燃烧室区域形成.强度钢板替代低合金中、低强度钢板。同时低合金.高温燃烧区,产生的粗煤气由气化炉自下而上经粗高强度钢,具有高性能,低成本的优势,在以上四种煤气出口进人洗涤冷却器,对粗煤气进行洗涤。两材料中,炉体的外壁选取材料13MnNiMoR.炉腔段式液态排渣气化炉炉体结构简图如图2所示。体内和水夹套内外压差较小，为0.3MPa,炉内壁可1.4 堆焊层材料.选用普通的碳钢材料Q245R。在气化炉内部,温度对整个反应体系的转化率以及选择性都有比较明显的影响,产物中CO以及.60 tH2所占比例随反应器的壁温升高而提高,表明高温20 f对提高合成气产率有促进作用,CO2浓度随着反应80 t器的壁温升高而有明显降低的趋势，说明提高反映体系的温度有利于提高反应原料中碳元素的利用效20100150200250300350400率间]。为了提高炉体内璧对高温的适应性,需要在十20R一16MnR一1SCrMoR 士13MnNiMoR气化面堆焊一层耐高图1材料的许用应力温.抗中国煤化工1.3两段式液态排渣 气化炉的结构IYHCNMHG介质都具有优良两段式液态排渣气化炉的主体由下部连接法耐蚀性的低碳镍铬钼铌合金。由于碳含量低并经过742太原理工大学学报第41卷抗腐蚀性能,在航海、航空、化工、核领域等得到广泛1应用,其适用温度范围从低温温度到982C,成分如下表2所示:Inconel625合金的强度是由铝和铌在1210镍铬矩阵中的硬化效应而产生的。该合金不需要沉淀硬化处理,这种元素之间的联合造成该材料具有优良的抗腐蚀性能和在高温环境中的抗氧化性和抗渗碳性。该合金在很宽的温度和压力范围内具有优13异的耐腐蚀性,其高强度使之能作为较薄的结构部件,是它在化工领域内得到广泛认可的原因。6~ 14904L是一种含碳量很低的高合金化的奥氏体不锈钢。具有较高的铬含量和足够的镍含量,铜的加人使它具有很强的抗酸能力,尤其对氯化物间隙<~ 15腐蚀和应力腐蚀崩裂有高度抗性,不易出现蚀损斑和裂缝,抗点蚀能力略优与其他钢种,具有良好的可加工性和可焊性,与一般含钥量高的奥氏体不锈钢相比,904L对铁素体和a相的析出不敏感，在氯化1-下部连接法兰,2-外壳封头;3- -内壳封头;4-进气口;物溶液,依缩的氢氧化物溶液和富硫化氢的环境中，5-燃烧室;6-水夹套;7-内简体;8-外简体;9-人孔;具有很高的抗应力腐蚀破裂能力。其化学成分如下10-吊柱;11-上部连接法兰;12-粗煤气出口;表3所示。13--耐火材料;14-耐火砖;15-燃烧室堆焊层316L是超低碳奥氏体不锈钢。国内对照牌号圈2两段式液态排潼 气化炉炉体结构简團稳定化热处理,即使在650~900C高温保温50h以为00Cr17Ni14Mo2,焊接性能良好,焊后无刀口腐后仍然不会有敏化倾向。Inconel625 镍铬由于其高蚀倾向,对各种酸具有良好的的耐蚀性,其化学成分强度,优异的可加工性(包括焊接性能),以及出色的.如表4所示。表2 Inconel625 合金的化学成分(质量t分数)%NFe_Mn SiMo ALTiNb≤58 20~23≤5 I≤0.01 工≤0.5T ≤0.5T 8~10≤0.4≤0.4_ 53.15~4.15 ≤0.015≤0. 015表3904L 合金的化学成分(质分数)CMnMoCu≤1.00≤2.00 ≤0.035 ≤0.0323~2518~20~44~5表4 316L 合金的化学成分(质分数)P≤0.03≤1. 00≤2.00≤0.035≤0.03 T 12~15 16~18~3通过以上3种材料的对比,Inconel625不但具L=9 937 mm。内简体规格,内简体内径D,为4222有其它两种材料所不具备的耐高温性,和在高温环mm,壁厚为38mm,材质依据表选取为Q245R,简体境中的抗氧化性,同时还具有优良的抗腐蚀性能,所长度为L=9 842 mm,按GB150- 1998 进行制造。以,在BGL气化炉炉体下部堆焊层的材料中选择13MnNiMoR钢板使用状态:正火+回火。钢.Inconel625。材标准抗拉强度下限值570MPa,钢材标准常温屈服强度(0.2%屈服强度)390MPa.2制造工艺中国煤化工寸分别为,70 mm2.1成型X170 mmX2 204 mm外简体规格,外简体内径D,为4 400 mm,壁厚X14:ACHCNMHG口，创边后尺十分为70 mm,材质依据表选取为13MnNiMoR,简体长度别为70 mmX1 650 mmX14 443 mm;70 mmX2 199第6期董跃等;两段式液 态排渣气化炉的研制743mmX14 443 mm。610+10C内简体分5段进行制造，下料尺寸分别为,38 mm升溢≤80 c保湿时间降溢≤100 C150-155 minX320 mmX13 683 mm; 38 mmX2 463 mmX 13683mm;共2件。38 mmX1 580 mmX13 683 mm; 38 mm始溢≤350 C终湖≤350CX3 065 mmX13 683 mm。38 mmX 320 mmX 13683mm板先刨出宽度方向一边的破口,待炉体内外壳整体时间组装确定宽度后,再割另一边的破口,其余4件刨边后圈3焊后气化炉壳体热处理工艺曲线尺寸为38 mmX2 458 mmX13 683 mm;38 mmX1 575 .表4无损检测方法及要求mmX 13683 mm;38 mmX3 060 mmX13 683 mm;为了简体上位置机械加工后焊后水压试验后避免短直边,下料时预留压制直边余量,钢板两端预弯AB类焊缝100%MT- I级| 100%RT-■级100%UT- I合格合后,割除直边间。D、≥200 mm| 100%MT- I级| 100%UT- I级| 100%UT- 1胡在卷板机上进行卷制后,用弦长大于300 mm接管与壳体的内样板进行检测，要求:筒体纵缝对口错边量D<200 mm 100%MT- I级≤3mm,间隙差<1mm,对接纵缝处所形成的棱角附属件与100%MT- I级E≤5 mm,同一断面的最大最小直径差e≤10 mm,壳体间并用弦长大于300 mm的内样板进行检查。按， 注:MT(Magnetic particle test)为磁粉检测;RT(Radiograph test)为射线检测;UT(Ultrasonic les1)为超卢波检测。GB150-1998进行制造,检验和验收。2.2 焊接2.5试压(水压实 验)焊接前对坡口表面进行磁粉检测,清理坡口两设备制造完成后，进行液压试验5. 75 MPa(卧侧表面20mm范围内的氧化物、油污、熔渣、灰尘、式)和气密性试验(1%氨渗漏试验),主要检查焊缝.铁粉及其它影响焊缝质量的有害杂质门]。简体的环和管口密封面的致密性。水压试验后,A,B类焊缝纵缝焊接采用CO2气体保护焊,埋弧焊及平焊。和Dx≥200 mm接管与壳体之间进行100%超声波2.3焊后热处理检测，I级合格。焊后热处理类型为局部消除应力退火,加热设.3结语备为6500mmX7000mmX25000mm大型退火炉,在实施PWHT前,炉体卧置在支座上,要求，首先通过两段式液态排渣气化炉和其它类型气固定平稳。热处理时要严格把握温度变化,均匀升化炉的对比分析,给出了两段式液态排渣气化炉的.降温,平稳保温,在保温期间,加热区内最高与最低.优点，并设计该气化炉的炉体结构;其次根据设计结温度差不大于30C。加热火焰不得喷在炉体上,防构图和相关标准对气化炉的内外筒体不同材质的筒止局部过热,并保护好法兰密封面不被损伤。焊件壁厚度进行了计算、分析和对比,选定了简体的制造样板与焊件要同炉同时进行热处理。焊后热处理工材料;同时根据该气化炉下部燃烧室区域的内壁外艺曲线如图3所示。表面堆焊层材料的特性，分析对比了3种不同堆焊2.4检验材料的性质,确定了堆焊层材料。最后对该气化炉炉体无损检测方法及要求如表4所示。的制造工艺进行分析和讨论,主炉体成品的相关检验结果表明该气化炉工艺的开发是成功的。参考文献:[1]周永顺. 恩德炉与两段炉煤气化技术的选择与应用[J].燃料与化I，2008 ,39(6);8-10.[2] WanignonF F, Laurent Van de Sreene. 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Then, according to the design draw-ings and relative design standard, wall thickness of inside and outside the cylinder was calculatedand analysed and the creating materials of these cylinders were selected. In addition, three surfa-cing materials were compared and analysed to confirm the best surfacing material for surface weldmetal buildup of the gasifier combustor inner surface. Finally, the manufacturing process of two-stage slag tapping gasifier was analyzed and discussed, important factors were pointed out, andtests of furnace body finished product showed that the design of two-stage slag tapping gasifier a-chieves its aim.Key words:two-stage gasifier; slag tap; thick- walled vessel; overlay welding(编辑:刘笑达)中国煤化工MYHCNMHG