氣化爐講座教材

化肥煤氣化關(guān)鍵設(shè)備氣化爐Tuesday,October14,2003一、概述

安慶石化殼牌煤氣化項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備―氣化爐及其合成氣冷卻器（廢熱鍋爐）為Shell公司的專有技術(shù)，其設(shè)計(jì)由Shell公司的分部德國(guó)SEG公司承擔(dān)，內(nèi)件供貨由Shell公司指定的西班牙BBE公司承擔(dān)；承壓爐體的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由SEG完成，蘭州院承擔(dān)承壓爐體的詳細(xì)設(shè)計(jì)，由國(guó)內(nèi)制造廠完成承壓爐體的制造和內(nèi)件組裝。氣化爐框架設(shè)備布置圖二、氣化爐系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

在煤粉氣化裝置中，氣化爐和合成氣冷卻器通過(guò)輸氣導(dǎo)管、氣體反向室連接在一起成為整體，共用一個(gè)汽包。氣化爐安裝標(biāo)高35.8米，合成氣冷卻器安裝標(biāo)高34.2米，安裝后設(shè)備總高約50米。爐體和合成氣冷卻器安裝中心距為10米。氣化爐是固定支撐，由其裙座承擔(dān)。合成氣冷卻器是由10個(gè)恒力彈簧承擔(dān)，彈簧安裝標(biāo)高為55米。汽包安裝在氣化爐上方的平臺(tái)上，汽包中心線標(biāo)高85.8米。

氣化爐內(nèi)件的總體結(jié)構(gòu)為水冷壁型式，主要由受熱面（膜式水冷壁）環(huán)形空間及承壓殼體組成。承壓殼體設(shè)計(jì)壓力為5.2MPa，設(shè)計(jì)溫度350℃。用沸水冷卻的水冷壁安裝在殼體內(nèi)，氣化過(guò)程實(shí)際發(fā)生在膜式水冷壁圍成的腔內(nèi)，氣化壓力由承壓爐體承受。在膜式水冷壁與承壓爐體之間的是環(huán)形空間，主要用于放置容納水/蒸汽的輸入/輸出管線及集箱管、分配管，另外，環(huán)形空間也便于管線的連接安裝及其以后的檢修與檢驗(yàn)。膜式水冷壁提高了氣化爐的效率，不需額外加入蒸汽，并可副產(chǎn)5.5MPa中壓蒸汽，同時(shí)也增強(qiáng)了工藝操作強(qiáng)度（因?yàn)樵O(shè)計(jì)膜式水冷壁時(shí)，考慮了超過(guò)設(shè)計(jì)條件的情況和操作干擾）。另外，膜式水冷壁內(nèi)襯有一層耐火襯里，用“以渣抗渣”方式保護(hù)膜式水冷壁不受侵蝕。與其它結(jié)構(gòu)型式氣化爐相比，由于不需要耐火絕熱層，使Shell粉煤氣化爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，粉煤燒嘴操作壽命長(zhǎng)，可單爐運(yùn)行，不需要備用爐，可靠性高。

合成氣冷卻器總體結(jié)構(gòu)為水管式，與氣化爐內(nèi)件相似，均為膜式水冷壁的結(jié)構(gòu)。包括：膜式水冷壁、多層環(huán)束管、環(huán)形空間和承壓殼體。

合成氣的冷卻換熱在多層環(huán)管束的管內(nèi)進(jìn)行，合成氣走管間，水/蒸汽走管內(nèi)。多層環(huán)管束共設(shè)置了三組，即中壓蒸汽過(guò)熱器、中壓蒸汽發(fā)生器Ⅱ、中壓蒸汽發(fā)生器Ⅰ，三組管束均可整體從合成氣冷卻器的殼體內(nèi)拆裝。

氣化爐外殼材質(zhì)為SA387Gr11CL2,最大壁厚約95mm，最大內(nèi)徑4630mm。其下端為半球形封頭。這兩項(xiàng)指標(biāo)也是對(duì)國(guó)內(nèi)壓力容器制造廠裝備的主要考核內(nèi)容，一是卷板能力，二是鍛壓機(jī)能力。

承壓外殼在制造廠的制造按其內(nèi)件的交貨狀態(tài)及組裝要求分四段進(jìn)行，即氣化爐本體組件、輸氣管組件、氣體反向室組件及合成氣冷卻器組件。在制造廠進(jìn)行組裝完成后，四段的最大主要尺寸及組裝重量如下表：組件名稱最大主體尺寸m內(nèi)件重量（噸）組裝后重（噸）氣化爐本體組件Ф4.82×31/5.888.0510.0輸氣管本體組件Ф3.3×16/5.017.595.0氣體反向室組件Ф3.82×12/7.515.0245.0合成氣冷卻器Ф3.54×40/Ф5.0136.5540.0

由上表可以看出，該四段組件均為超寬（高）超重的大件，在運(yùn)輸和吊裝上有很大的難度。經(jīng)現(xiàn)階段的初步調(diào)查，盡管存在的運(yùn)輸難度，但通過(guò)盡量減少陸路運(yùn)輸，憑借水路運(yùn)輸可運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。

由于氣化爐本體、輸氣管、氣體反向室及合成氣冷卻器在操作時(shí)是連通的整體，因此必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組焊及安裝，現(xiàn)場(chǎng)組焊設(shè)置有3條環(huán)焊縫（黃金焊縫）。岳陽(yáng)洞氮合資公司的氣化爐起吊方案已由蘭州院制定，準(zhǔn)備租用國(guó)外1250噸可拆式吊車進(jìn)行吊裝。2.1氣化爐本體

氣化爐反應(yīng)器膜壁為翅片管構(gòu)造的冷卻圓筒式結(jié)構(gòu)。翅片管材質(zhì)為13CrMo44,外徑38mm,標(biāo)準(zhǔn)壁厚7.1mm，腐蝕裕度5.0mm,該圓筒形結(jié)構(gòu)的上部有一個(gè)錐體通往激冷區(qū)，其下部也連著一個(gè)錐體作為燃燒室的底部。錐體內(nèi)有中心開(kāi)孔，供熔渣下落時(shí)通過(guò)。筒體下半部均勻分布著4個(gè)燒嘴口，各燒嘴口設(shè)有帶冷卻的保護(hù)器。

氣化爐按流態(tài)排渣爐的原理進(jìn)行操作。為了確保流態(tài)排渣，氣化爐內(nèi)腔有一層用高耐熱鋼襯釘襯起的導(dǎo)熱陶瓷耐火襯里。襯釘材質(zhì)為25Cr20Ni。襯釘密度較大，達(dá)到2500柱/m2。陶瓷耐火襯里，厚度為14mm，；其組成為：Al2O318%、SiO23%、Fe2O30.2%、SiC74%，導(dǎo)熱系數(shù)3.85W/m*K(500℃)。最大使用溫度1400℃。這層襯里的主要成份是SiC，碳化硅的特點(diǎn)是：硬度大（HV2.5MPa），導(dǎo)熱系數(shù)大（導(dǎo)熱性能好）和線膨脹系數(shù)?。ú灰组_(kāi)裂）。

氣化爐內(nèi)件氣化爐內(nèi)件

在氣化爐操作過(guò)程中，由于陶瓷材料良好的耐溫性及冷卻膜壁，會(huì)形成一定厚度的渣層，稱為掛渣，覆蓋內(nèi)腔表面并且變得堅(jiān)硬。這個(gè)薄的渣層將保護(hù)爐子免受熔渣的影響，熔渣在氣化過(guò)程中形成，沿著內(nèi)壁往下走最后通過(guò)底部的開(kāi)孔排出。該開(kāi)孔的底部又有一個(gè)錐體。在該錐體與渣池內(nèi)件之間設(shè)有熱裙，這樣可以保護(hù)壓力容器免受高溫的損壞。熱裙由特種“Ω”管組成，形成一個(gè)平的內(nèi)表面，使熔渣不易積留。管子材質(zhì)為13CrMo44,外徑38mm,標(biāo)準(zhǔn)壁厚8.0mm，腐蝕裕度5.0mm,

氣化爐的所有冷卻結(jié)構(gòu)與中壓水蒸汽回路構(gòu)成一個(gè)整體，這是有必要的，因?yàn)楦邷亓鲿?huì)引起大的溫度梯度，因此所引起的次應(yīng)力只能由鐵素體鋼管解決。為了能夠嚴(yán)格控制較為敏感的鐵素體鋼材料（13CrMo44即1.25Cr0.5Mo）的高溫腐蝕的影響，需選用溫度足夠低的一套冷卻系統(tǒng)。

氣化爐底部示意圖2.2冷激區(qū)、冷激管和輸氣管

冷激區(qū)分為兩個(gè)功能區(qū)。在第一區(qū)，經(jīng)冷卻的干凈氣體以約200℃的溫度進(jìn)行循環(huán)，并加入到氣化爐出來(lái)的熱氣流中。這股氣叫循環(huán)氣。第二區(qū)即所謂的“高速冷卻區(qū)”，是用加壓的合成氣吹除積累在循環(huán)氣出口附近的煤渣。

由于存在湍流，兩股氣流在經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的激冷管時(shí)得到了最充分地混合，混合后的溫度低于900℃。

激冷器結(jié)構(gòu)示意圖

激冷區(qū)采用高合金奧氏體鋼，而激冷管則采用鐵素體鋼。激冷管設(shè)計(jì)成膜壁式冷卻系統(tǒng)組成的循環(huán)管，激冷管與中壓水/蒸汽的系統(tǒng)都采用翅片列管式結(jié)構(gòu)。激冷管下游的延伸部分即輸氣管，是由一段冷卻彎管和一段冷卻直管組成。輸氣管水冷壁為MP蒸汽系統(tǒng)的一部分，并用鐵素體材料的超“Ω”管制成。

輸氣管低部也有用耐熱襯釘固定的陶瓷耐火襯里。激冷管、輸氣管都是獨(dú)立的部件，有不同的進(jìn)氣和排氣管道，作為中壓水/蒸汽系統(tǒng)氣體兩個(gè)部分之間的連接，一方面要求對(duì)流不能進(jìn)入殼體內(nèi)，另一方面，又要求保證熱膨脹，它們之間的連接由帶膨脹節(jié)密封的連接裝置來(lái)完成。2.3反向室

反向室由作為輸氣管道延伸部分的入口支管和反向室主管組成，進(jìn)來(lái)的合成氣在此被轉(zhuǎn)向到合成氣冷卻器的受熱面上。反向室頂罩被設(shè)計(jì)成帶冷卻的蛇形管結(jié)構(gòu)，該冷卻系統(tǒng)由循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)料管和出料管分別供給，這個(gè)頂罩在進(jìn)行必要的檢修時(shí)可以拿開(kāi)。入口支管、反向室主管和頂罩由鐵素體鋼管水冷壁制成，結(jié)構(gòu)為翅片列管式，組成中壓水/蒸汽回路的部分。反向室主管反向室支管

2.4合成氣冷卻器（廢熱鍋爐）

合成氣冷卻器所有的受熱面基本上為同一結(jié)構(gòu)。受熱面管束為翅片列管結(jié)構(gòu)，并把它們挨個(gè)焊在一起形成膜壁，膜壁內(nèi)的水管為盤(pán)管式，形成不同直徑的園柱體，并嵌套在一起，由支撐結(jié)構(gòu)固定，允許每個(gè)圓柱體向下的自由膨脹。受熱面管束由外部圓柱體所環(huán)繞，即所謂的水冷壁受熱面，這個(gè)圓筒體的直徑與反向室主管的相同，水冷壁受熱面一直延伸到合成氣冷卻器的整個(gè)長(zhǎng)度，與反向室以搭接接頭進(jìn)行連接。帶密封裝置的連接

從頂部往下看，受熱面管束包括如下部分：

——中壓過(guò)熱器；

——中壓蒸發(fā)器Ⅱ；

——中壓蒸發(fā)器Ⅰ，并分為兩件管束。

中壓過(guò)熱管束為整體翅片管式，由高合金鋼制成，兩臺(tái)中壓蒸發(fā)器管束和環(huán)繞壁受熱面由鐵素體鋼制成，為翅片管式結(jié)構(gòu)。

所有的管束有各自的水/蒸汽回路及各自的連接管線。合成氣冷卻器內(nèi)件

氣動(dòng)操作的敲擊器在要清潔的受熱面上進(jìn)行脈動(dòng)敲擊，帶粘性的沉淀物的受熱面筒體被聲波加速到一定程度后，在受熱面和沉淀物質(zhì)的不同慣性作用下，沉淀物被抖落下來(lái)。敲擊作用需要的能量是由安裝在壓力容器外部的氣動(dòng)敲擊圓筒體提供。用氮?dú)庾鰟?dòng)力。通過(guò)壓力密封和動(dòng)力傳送系統(tǒng)，送到受熱面。為防止因脈動(dòng)傳輸對(duì)受熱面可能引起的損壞，把一帶冷卻裝置的砧形板焊在受熱面上。敲擊裝置共有58個(gè)，分別由7個(gè)儀表控制臺(tái)控制。

2.5清潔裝置

2.6壓力容器

氣化爐、輸氣管、反向室和合成氣冷卻器等壓力容器殼體，采用低合金鋼SA387Gr.11CL.2制造，可能會(huì)因?yàn)榈陀诼饵c(diǎn)溫度而引起的低溫腐蝕的地方，如所有人孔、接管和其它非受熱聯(lián)接處，均應(yīng)有金屬堆焊層。可以大大地降低露點(diǎn)腐蝕的金屬堆焊層也用于受渣池影響的氣化爐壓力容器溫度較低的區(qū)域。系統(tǒng)初步設(shè)定有15個(gè)人孔，266個(gè)管口。約85％的管口需要堆焊高鎳合金，以避免高溫對(duì)鐵素體的腐蝕。

壓力容器外殼內(nèi)壁還有一層耐火襯里，主要是用以保護(hù)容器在出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的熱對(duì)流時(shí)，免受局部溫度提高的影響。厚度為40mm，是用六角形格柵結(jié)構(gòu)，也就是俗稱的龜甲網(wǎng)