CN101104814B

CN101104814B - 一种耐磨喷管

Info

Publication number: CN101104814B
Application number: CN2006100897120A
Authority: CN
Inventors: 闫涛; 张荣克; 冯清晓; 王芳; 房家贵; 黄荣臻
Original assignee: Sinopec Engineering Inc; China Petrochemical Corp
Current assignee: Sinopec Engineering Inc
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: CN101104814A

Abstract

本发明描述的耐磨喷管是一种主要用于石油化工厂催化裂化装置和催化裂解装置的耐磨喷管，由基管、耐磨层、过渡层和中心喷孔所组成，是一种具有金属基管与耐磨层和过渡层形成紧密连接为一体的复合层、中心喷孔为各类孔型的金属-陶瓷复合喷管；且其耐磨层加过渡层的厚度为3～10mm；端部为翻边结构或者内嵌结构。这种耐磨喷管的基管的材料是奥氏体不锈钢，或碳钢、或低合金钢等金属；耐磨层的材料的基本组成为α—Al₂O₃；过渡层的材料是由Al₂O₃、Fe和其它金属和非金属元素所组成；通过高温离心法或压力法自蔓延合成技术制造而成。本发明由于采用了高耐磨性能的复合层以及上述结构型式，其耐磨性比普通碳钢或不锈钢高7倍，能在800℃下长期使用，并能适应气体中较高的固粒浓度和承受较大的机械力的冲击，喷管的使用寿命从原来的3~4年延长到6~8年以上。

Description

一种耐磨喷管

技术领域

本发明属于石油化工设备，更具体地说本发明耐磨喷管是石油化工厂催化裂化和催化裂解装置大量使用的一种重要部件和配件。

背景技术

耐磨喷管作为石油化工厂催化裂化和催化裂解装置大量使用的重要部件和配件。在不同部位，喷管所起的作用也不同。如再生器、反应沉降器中的分布管或分布环上安装有100～1000个喷管，它主要起到流化和均匀催化剂床层的作用。在这个部位，催化剂的浓度达300～600kg/m³，喷孔气速10～150m/s，是磨损较严重的部位。由于喷管数量多，磨损程度不同，常会引起床层流化不均，而影响装置的正常操作。又如再生器大烟道中的多孔降压板，每层降压板上安装有近百个喷管。它主要起到降压作用，稳定再生器和沉降器的压力，保证装置正常运行。由于烟气中含有一定量催化剂，喷孔气速也较高，特别是当系统中旋风分离器失效，在很短时间内就会将喷管磨损。再如，FCC能量回收系统三旋底部泄料排气管装有临界流速喷嘴(又称”限流喷嘴”)，主要起到控制三旋下泄气量的作用，这个部位烟气中催化剂浓度达10～100kg/m³，临界气速在350m/s以上，喷孔磨损十分严重，若不及时更换，三旋泄气量过大，就会降低烟机的发电能力。每更换一次喷管，检修费用达数十万元。

上一世纪八十年代末期，为解决分布器和孔板或临界流速喷嘴的磨损问题，曾使用了钴钼合金铸造喷管，从十多年使用情况来看使用寿命也仅1～2年。本世纪初期，国内外开始采用高温陶瓷喷嘴，高温陶瓷耐磨性能比金属材料好，但韧性太差，难于经受振动和机械力的冲击，在施工安装过程中，很容易出现裂纹或破碎。上述技术制备的喷管还有一个致命缺点是，由于陶瓷喷嘴和金属套管是物理套合，当这些喷管用于催化裂化的分布器或孔板中，由于其端部金属暴露在粉尘流体的冲刷下，因此这个部位很容易因磨损而破坏，从而导致陶瓷层的破碎和脱落。

由于传统的离心自蔓延只能制备等直径圆孔的复合管，目前只用于煤炭和冶金行业的低温粉体输送；而静态自蔓延制备的复合管存在结合强度和耐磨强度低、表面质量差等问题。因此目前上述两种技术根本无法在催化裂化和催化裂解装置中真正实现工业应用。

近年来，高温自蔓延合成技术已经成熟，现有高温离心法或压力法自蔓延合成技术，使制造用于催化裂化装置和催化裂解装置，具有金属基管与耐磨层和过渡层形成紧密连接为一体的复合层的金属-陶瓷复合喷管有了可靠的技术基础。

通过检索，与本发明相关的专利主要有：CN1113303A、CN2673512Y和CN1541778A等，但这些专利所涉及的喷管所采用的耐磨层和结构、以及用途都与本发明有实质上的不同。

发明内容

本发明的目的在于：通过采用新的耐磨喷管来提高喷管的抗磨性能和抗高温应力、机械冲击力的性能，将喷嘴的使用寿命延长到6～10年，从而保证催化裂化、催化裂解装置长周期安全运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：这种喷管是用现有高温自蔓延合成技术制备而成，它是对常规喷管的一种改进，是主要用于石油化工厂催化裂化、催化裂解等装置中反应沉降器、再生器内催化剂的流化及含催化剂高温烟气的输送、流量控制和降压等领域的专用耐磨喷管(以下简称“喷管”)。

这种用于催化裂化装置和催化裂解装置的耐磨喷管，由基管、耐磨层、过渡层和中心喷孔所组成，是一种具有金属基管与耐磨层和过渡层形成紧密连接为一体的复合层、中心喷孔为各类孔型的金属-陶瓷复合喷管；且其耐磨层加过渡层的厚度为3～10mm；端部为翻边结构或者内嵌结构。

这种耐磨喷管的基管的材料是奥氏体不锈钢、或碳钢、或低合金钢等金属；耐磨层的材料的基本组成为α—Al₂O₃；过渡层的材料是由Al₂O₃、Fe和其它金属和非金属元素所

组成；通过高温离心法或压力法自蔓延合成技术制造而成。

耐磨喷管翻边结构的翻边半径R＝1～10mm。耐磨喷管的结构型式根据中心喷孔的形状和用途不同，可以是直管型；或阶梯型；或锥型；或渐缩型；或缩扩型；或是它们的组合。

本发明由于采用了高耐磨性能的金属一陶瓷复合材料，耐磨层的维氏硬度HV可达1100～1300，是普通钢管(碳钢或不锈钢)的10倍，相对耐磨性能是普通钢管的7倍，能承受高速气流中高浓度固体颗粒的冲刷磨损和机械力的冲击；同时，由于喷管耐磨层采用了翻边结构，大大改善了常规喷管端部的抗磨性能，从而使得喷管寿命由原来的3～4年提高到6～8年。与此同时，减少了装置检修费用，使装置操作更加稳定，提高了装置的经济效益。

附图说明

图1是本发明翻边直管型耐磨喷管的结构示意图

图2是本发明镶嵌直管型耐磨喷管的结构示意图

图3是本发明阶梯型耐磨喷管的结构示意图

图4是本发明锥型耐磨喷管的结构示意图

图5是本发明渐缩型耐磨喷管的结构示意图

图6是本发明缩扩型耐磨喷管的结构示意图

图7是本发明耐磨喷管用于FCC装置反应沉降器分布板的立面图

图8是本发明耐磨喷管用于FCC装置反应沉降器分布板的俯视图

图9是本发明耐磨喷管用于FCC装置反应沉降器分布板的喷管安装详图

图10是本发明耐磨喷管用于FCC装置能量回收系统三旋的临界流速喷嘴的结构示意图

具体实施方式

如图1到图6所示，本发明这种主要用于催化裂化装置和催化裂解装置的耐磨喷管，由基管1、耐磨层2、过渡层3和中心喷孔4所组成，是一种具有金属基管1与耐磨层2和过渡层3形成紧密连接为一体的复合层、中心喷孔4为各类孔型的金属-陶瓷复合喷管；且其耐磨层2加过渡层3的厚度δ为3～10mm；端部为翻边结构或者内嵌结构。

这种耐磨喷管的基管1的材料是奥氏体不锈钢、或碳钢、或低合金钢等金属；耐磨层2的材料的基本组成为α—Al₂O₃；过渡层3的材料是由Al₂O₃、Fe和其它金属和非金属元素所组成；通过高温离心法或压力法自蔓延合成技术制造而成。

耐磨喷管翻边结构5的翻边半径R＝1～10mm。耐磨喷管的结构型式根据中心喷孔4的形状和用途不同，可以是直管型；或阶梯型；或锥型；或渐缩型；或缩扩型；或是它们的组合。

该喷管主要由金属-陶瓷复合管和中心喷孔所组成，根据中心喷孔的形状和用途不同，本发明耐磨喷管主要有以下六种结构型式：翻边直管型(见图1)；镶嵌直管型(见图2)；阶梯型(见图3)；锥型(见图4)；渐缩型(见图5)；缩扩型(见图6)。详细说明如下：

如图1所示的翻边直管型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为翻边直管型，可采用单端翻边或两端翻边，其内径D＝30～120mm，长度L＝2D～5D，翻边5的半径R＝1～10mm。

如图2所示的镶嵌直管型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为镶嵌直管型，其内径D＝30～120mm，长度L＝2D～5D，两端为金属材料，复合耐磨层和过渡层成型时内嵌到基管中。

如图3所示的阶梯型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为阶梯型，可采用单端翻边或两端翻边，大端内径D1＝20～40mm，小端内径D2＝5～20mm，长度L＝4D1～8D1，翻边5的半径R＝1～10mm。

如图4所示的锥型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为锥型，可采用单端翻边或两端翻边，最大端内径D1＝80～200mm，最小端内径D2＝20～100mm，锥角α<60°，翻边5的半径R＝1～10mm。

如图5所示的渐缩型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为渐缩型，最大端内径D1＝200～800mm，最小端内径D2＝30～100，翻边5的半径R＝(0.5～1)(D₁+D₂)。

如图6所示的缩扩型耐磨喷管，其中心喷孔4的形状为缩扩型，其内径D＝30～100mm，出口锥角α1＝10～20°，入口锥角α2＝45～60°，翻边5的半径R＝1～10mm。

这几种喷管都是用高温自蔓延合成技术制备而成，它是对常规喷管的一种改进，是应用于石油化工厂催化裂化、催化裂解等装置中反应沉降器、再生器内催化剂的流化及含催化剂高温烟气的输送、流量控制和降压等领域的专用耐磨喷管。

与国内外目前采用的喷管相比，本发明耐磨喷管的特点在于：

1、由于采用现有高温自蔓延合成技术制备成金属一陶瓷复合材料喷管，在自蔓延合成技术的成型过程中，反应达2000～3000℃。在高温下，金属基管与耐磨层、过渡层形成一体结构，具有很高的强度和抗磨性。其复合层为α-Al₂O₃，维氏硬度HV达1100～1300，耐磨性能是普通钢材(碳钢或不锈钢)的7倍，抗冲刷性能好，能在高达800℃下长期使用。过渡层与金属壁面呈冶金一机械结合，比常规的喷涂材料与基管的结合强度高得多。同时由于复合材料比普通的陶瓷材料韧性好，在热应力或机械冲击力下不易破裂。

2、图1、图3～图6的喷管，一个或两个端面采用了翻边结构5。由于采用这种结构，保护了基管的端面，加强了基管和耐磨层的结合牢固性，使喷管能承受含尘气流的高速冲刷和磨损。从而大大提高了喷管的抗磨性能和使用寿命。

3、由于可以制备如图1～图6所示的不同形状和不同尺寸的喷管，从而可以适应不同条件下的操作要求。

例如，由多个图1～图3所示喷管组合，可用于催化裂化、催化裂解等装置沉降器和再生器分布板或分布环中。该系统催化剂浓度高达300～600kg/m³，气流速度为10～150m/s，喷管能使催化剂床层很好流化。该型喷管还能用于烟气管道多孔降压板中，很好地稳定了装置的操作。

又如，图4～图5的结构可制备临界流速喷管，含尘气速达350m/s以上，用于控制气体流量。

图6的结构为超音速喷管，用于抽空、增压和混合器中。

4、本喷管耐磨层原料来源广泛，复合管制造工艺简单，成本低廉，适宜于大工业的批量生产。

本喷管不仅可用于石化厂催化裂化、催化裂解等装置反应沉降器、再生器中的床层流化耐磨喷嘴、烟气管道的降压孔板及能量回收系统的临界流速喷嘴；也可以用于煤液化生产石油化工产品和煤粉发电系统等装置中粉尘的流化、输送和降压设备等。

实施例一：

分布板耐磨喷管：

图7和图8是某FCC装置反应沉降器分布板的立面图和俯视图。分布板上分三圈共布置本发明中的翻边直管型喷管119个。喷管安装详图如图9所示，喷管的内径D为50mm，长度L随着安装位置不同，在100~150mm之间。催化剂和气流穿过喷管，在分布板的上方形成密度为300~400kg/m3的密相床层。耐磨喷管的气流使床层流化，能保证反应和再生系统的长期正常运行。

实施例二：

临界流速喷嘴：

图10是某FCC装置能量回收系统三旋排料下泄气临界流速喷嘴采用渐缩型喷管的安装结构图，喷嘴6安装在由法兰7和套管8等组成的外套筒内，喷嘴喷孔最大端直径D1为500mm，最小端直径D2为78mm，气速穿过喷孔临界速度354m/s，在临界状态下气体的重量流量保持一个恒定值。由于催化剂浓度高，气速大，一般的耐磨材料很难适应，或价格过于昂贵。而本发明喷管是一种价格较低，且耐磨性能良好的耐磨喷嘴，同时能保证系统的长期正常运行。

Claims

1.一种用于催化裂化装置和催化裂解装置的耐磨喷管，由基管(1)、耐磨层(2)、过渡层(3)和中心喷孔(4)所组成，其特征在于这种耐磨喷管是一种金属材料的基管(1)与耐磨层(2)和过渡层(3)形成紧密连接为一体的复合层、中心喷孔(4)为各类孔型的金属-陶瓷复合喷管；且其耐磨层(2)加过渡层(3)的厚度δ为3～10mm；端部为翻边结构或者内嵌结构。

2.如权利要求1所述的耐磨喷管，其特征在于基管(1)的材料是奥氏体不锈钢、或碳钢、或低合金钢；耐磨层(2)的材料的基本组成为α-Al₂O₃；过渡层(3)的材料是由Al₂O₃、Fe和其它金属和非金属元素所组成；通过高温离心法或压力法自蔓延合成技术制造而成。

3.如权利要求2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管翻边结构的翻边(5)的半径R＝1～10mm。

4.如权利要求3所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管的结构型式根据中心喷孔(4)的形状不同，可以是直管型；或阶梯型；或锥型；或渐缩型；或缩扩型；或是它们的组合。

5.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为

翻边直管型，可采用单端翻边或两端翻边，其内径D＝30～120mm，长度L＝2D～5D，

翻边(5)的半径R＝1～10mm。

6.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为镶嵌直管型，其内径D＝30～120mm，长度L＝2D～5D，两端为金属材料，复合耐磨层和过渡层成型时内嵌到基管中。

7.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为阶梯型，可采用单端翻边或两端翻边，大端内径D1＝20～40mm，小端内径D2＝5～20mm，长度L＝4D1～8D1，翻边(5)的半径R＝1～10mm。

8.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为锥型，可采用单端翻边或两端翻边，最大端内径D1＝80～200mm，最小端内径D2＝20～100mm，锥角α＜60°，翻边(5)的半径R＝1～10mm。

9.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为渐缩型，最大端内径D1＝200～800mm，最小端内径D2＝30～100，翻边(5)的半径R＝(0.5～1)(D₁+D₂)。

10.如权利要求1或2所述的耐磨喷管，其特征在于耐磨喷管中心喷孔(4)的形状为缩扩型，其内径D＝30～100mm，出口锥角α1＝10～20°，入口锥角α2＝45～60°，翻边(5)的半径R＝1～10mm。