CN101805639A - 一种分段固定支撑的气化炉衬里结构及其气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分段固定支撑的气化炉衬里结构及其气化炉。衬里主要包含向火面耐火衬里(4)、隔热层耐火衬里(3)和用于吸收纵向膨胀量的收缩层(9，10)以及用于吸收径向膨胀量的收缩层(12)。并且，设计了特殊的固定支撑架(2)，将气化炉耐火衬里分段支撑，通过这种特殊的支撑方式，取消了传统的采用中间层耐火衬里支撑顶部耐火衬里的方式，节约了耐火衬里的用量，并且增大了有效的炉膛空间或者减小了气化炉金属外壳直径。在固定支撑架(2)相应位置，在气化炉金属壳设置一圈散热翅片(11)。

Description

一种分段固定支撑的气化炉衬里结构及其气化炉

技术领域

本发明属于碳氢化合物气化炉的耐火衬里领域，具体涉及一种耐火衬里的固定和布置方式。

背景技术

碳氢化合物气化(尤其是煤气化)的气化炉可分为固定床型、流化床型和气流床型。其中，气流床型气化反应器以其处理能力大、转化率高等特点，成为主流技术。对气流床型气化反应器，其衬里结构可分为冷壁型和热壁型，冷壁型衬里通过流动的冷介质冷却反应器外壳，保持外壳温度在材料可承受的温度范围内，这种形式的气化炉以壳牌煤气化技术、西门子煤气化技术为代表；热壁型衬里是通过耐火材料的隔热保温，一方面降低炉膛内热量的散失，另一方面也保持反应器外壳壁温在材料可承受的温度范围内，这种形式的气化炉以GE水煤浆气化技术和华东理工大学开发的多喷嘴煤气化技术(中国专利，专利号分别为ZL98110616.1、ZL200510111484.8和ZL01210097.8)为代表。

传统的热壁型气流床气化炉，其耐火衬里主要是采用耐火砖，耐火砖在直筒段按照径向方向一般分为三层，从金属壳往炉膛方向分别为：隔热砖、背衬砖和向火面砖，另外，在气化炉穹顶部分，主要分为两层，分别为隔热衬里和拱顶向火面砖(参见：德士古煤气化炉耐火砖的使用与问题探讨，化肥工业，1998年第3期，P35-38)。隔热砖、背衬砖和向火面砖的材质主要分别为：氧化铝砖、铬铝砖、铬铝锆砖，这三种砖的导热系数分别约为：0.8W/(m*K)、4.0W/(m*K)和4.2W/(m*K)。其中隔热砖的主要功能为隔绝炉膛内1300℃以上的高温，将金属外壳的温度控制在200～300℃左右；向火面砖的主要功能是耐受炉内高温气体和熔融煤渣的冲刷、侵蚀等；至于背衬砖，其主要的功能是支撑穹顶的向火面耐火砖。直筒段的三层耐火衬里在受热情况下，各自膨胀，在上部空间必须预留膨胀缝。

传统的耐火砖衬里布置方式存在一些不足。主要是：

1、背衬砖的作用单一，主要是为了支撑穹顶耐火砖，其本身对隔热和耐冲刷作用贡献不大；为了有效支撑拱顶耐火砖，背衬砖必须保证足够的厚度和强度，一般厚度在200mm左右，这一方面占据了宝贵的炉内空间，另一方面也增加了投资；

2、由于三层耐火衬里在整个直筒段内各自独立受热膨胀，需要在上部空间预留足够的膨胀空间，以防止耐火衬里膨胀挤压，对于体积较大的气化炉而言，由于整个气化炉上下温差较大，耐火衬里的热膨胀量在设计阶段较难预测，因此，预留的膨胀空间其尺寸较难把握，若膨胀空间预留尺寸偏小，则会发生耐火衬里与气化炉金属外壳之间的挤压，影响耐火衬里的使用寿命，若膨胀空间预留尺寸偏大，则容易发生高温气体串入耐火衬里之间的缝隙，导致气化炉金属外壳局部超温。

发明内容

本发明的目的是提供一种分段固定支撑的气化炉衬里结构及其气化炉，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本发明的主要内容如下：

一种分段固定支撑的气化炉衬里结构，包括：向火面耐火衬里、隔热层耐火衬里，以及用于吸收膨胀量的收缩层，所述向火面耐火衬里和所述隔热层耐火衬里分段地由固定在反应器金属外壳壁面上的支撑架所支撑。

所述向火面耐火衬里主要由氧化铬含量在85％以上的耐火砖组成，这种耐火衬里能够承受在高温下熔渣的冲刷。

所述隔热层耐火衬里主要由氧化铝含量在95％以上的耐火砖组成，这种耐火砖导热系数低，能够有效隔热，防止炉膛热量过多损失，并防止反应器金属外壳温度过高。

所述收缩层的主要材质为耐火纤维，或者是以耐火纤维为主要成分的耐火水泥，具有耐高温和收缩性能。

所述支撑架为金属材质，通过焊接或者螺栓连接的方式，固定在反应器金属内壁上；所述支撑架在反应器内水平地设置2层以上，优选地，设置为2～4层。

相邻层的所述支撑架的间隔在1.5～3米之间。

所述支撑架不直接暴露于炉膛，而是内缩在向火面衬里之后。

所述支撑架在其相应部位的反应器外壁，可设置用于散热的翅片结构。

所述向火面耐火衬里分段地由所述支撑架支撑，具体的支撑方式为：通过向火面衬里的逐层过渡，衬里呈台阶状逐渐向炉膛内延伸，过渡段通过n层砖过渡，根据向火面耐火衬里的具体厚度，为满足耐火砖的制造尺寸要求，n在1，2，3，4，5之间选择，最终向火面耐火衬里在炉膛一侧在竖直方向上形成平滑的内筒式形状。

所述隔热层耐火衬里分段地由所述支撑架支撑。

本发明的技术思想主要来源于：

1、从耐火砖分段独立支撑角度

耐火衬里新形式的气流床煤气化炉，在高温高压下进行气化反应时，耐火衬里在高温下发生热膨胀。对于处理规模较大的煤气化炉，采用传统的耐火衬里形式，其耐火砖的预留膨胀空间不易控制，给生产和设备安全带来一定隐患。如果预留尺寸过大，则容易导致高温气体串入耐火衬里之间的缝隙，导致气化炉金属外壳局部超温，如果预留膨胀尺寸偏小，则容易导致耐火衬里与气化炉金属外壳之间，或者耐火衬里之间发生挤压，产生局部应力，严重时甚至导致局部耐火砖脱落。

采用分段支撑的方式，则可以在合理的空间范围内，将耐火砖进行分割，每间隔1.5m到3m范围内，将耐火衬里分段，各段内的耐火衬里独立自由膨胀。由于总尺寸范围固定，因此，易于估计耐火砖的总膨胀量，从而合理地预留膨胀空间。

另外，由于高温气流及熔渣的影响，向火面耐火砖不可避免地要受到侵蚀、冲刷，需要定期进行更换。而不同部位的向火面耐火砖，其侵蚀冲刷程度不尽相同。采用分段支撑，则有可能对向火面衬里进行分段更换，从而降低耐火砖的消耗。

通过这种特殊的支撑方式，取消了传统的采用中间层耐火衬里支撑顶部耐火衬里的方式，节约了耐火衬里的用量，并且增大了有效的炉膛空间或者减小了气化炉金属外壳直径。

2、从气化炉内空间利用角度

气流床气化炉是在高温高压下进行操作，气化压力2.8～8.1MPa，气化炉金属外壳以SA387型铬钼钢为主，耐火衬里布置在金属外壳内，气化反应在耐火衬里之内的空间进行，炉膛内空间的代价是高昂的。

对于金属外壳内径为3.4m的气化炉而言，采用传统形式的耐火砖结构和布置形式，炉膛内空间直径只有约2.2m，炉膛内空间占金属壳内部空间的40％，耐火砖占据金属壳内部空间的60％，其中，背衬砖占据了炉膛内空间的20％。因此，优化耐火砖结构形式，对于提高气化炉的有效空间潜力巨大。

3、从隔热保温的角度

根据传热学的基本原理，对于采用多层隔热材料进行隔热保温的过程，是热阻最大处起主要的隔热作用。传统的热壁型气流床气化炉，采用三层耐火砖型式，隔热砖、背衬砖和向火面砖的导热系数分别约为0.8W/(m*K)、4.0W/(m*K)和4.2W/(m*K)，背衬砖和向火面砖的导热系数相差无几，而隔热砖的导热系数只有背衬砖和向火面砖的1/5左右，因此，对气化炉隔热起主要作用的是隔热砖。

以炉膛内壁温度1350℃的气流床气化炉为例，采用传统形式的耐火砖方式，隔热砖、背衬砖和向火面砖的厚度分别为110mm，200mm，228mm，其耐火砖及金属外壁温度分布如图3所示。

由图3可见，隔热砖厚度虽然只有背衬砖和向火面砖的一半，但其内部温差约为其余两层的5倍。

4、从抵抗熔渣侵蚀角度

对于气流床煤气化炉，煤中灰分在气化炉内为熔融状态，熔融态的灰渣对于耐火材料会产生溶解、渗透和冲刷。经过长期的研究和实践发现，氧化铬对于抵抗熔融灰渣的渗透和侵蚀具有良好的抵抗抑制作用。但是，由于氧化铬成分不易烧结致密，气孔率较高，因此加入氧化铝成分；为了提高氧化铬材料的热稳定性，又加入氧化锆成分。因此，向火面砖的主要成分为氧化铬、氧化铝和氧化铬。传统的气流床煤气化炉的背衬砖采用的材料以刚玉砖为主，这与渣油气化炉的向火面砖成分类似，其本身抵抗熔融煤渣的侵蚀能力较弱。因此，抵抗熔渣侵蚀完全是依靠向火面砖。

基于以上几点理由，本发明提出分段支撑的双层耐火砖形式的热壁型气流床煤气化炉。

从耐火砖的隔热保温角度而言，按照上文所述的气化工况，气化炉内温度为1350℃，隔热砖厚度150mm，向火面砖厚度228mm，无背衬砖。耐火砖温度分布图2所示。

对比两种形式耐火砖的温度分布可见，在取消掉向火面砖后，适当增加隔热层砖厚度(本例中，隔热砖厚度增加40mm)，即可达到与三层耐火砖相同的保温隔热效果。

如前所述，背衬砖的主要功能是支撑穹顶耐火砖。本发明采用托砖架形式的结构，来实现对于穹顶耐火砖的支撑。所谓托砖架，是固定在气化炉金属内壁的环形金属托架。在托砖架附近，需要对耐火砖和伸缩料进行特殊设计，既要保证耐火砖有适当的热膨胀空间，又保证炉膛内高温气体和熔渣不会窜入耐火砖，也要避免高温气体直接接触到金属托架，否则金属托架将达到较高的温度，影响其强度性能。托砖架部分的结构参见附图2。

本发明的气化炉的结构参见附图1、附图2。

本发明所设计的耐火衬里支撑结构和特殊的耐火衬里支撑方式，通过固定在反应器壁面的支撑架2，分段支撑隔热层耐火衬里3和向火面耐火衬里4，取消传统炉型的中间层-即背衬砖，这样既节省了耐火材料的消耗，又可以减少炉内空间的浪费。另外，采用分段支撑后，有利于耐火衬里的分段替换，为气化炉的生产管理带来便利并节约耐火材料的消耗。

分段的隔热衬里直接架设在支撑架上。

支撑架以下部分，与下部的隔热衬里之间填充伸缩性耐火纤维，纤维层厚度3～50mm(含预留的膨胀空间1～15mm)，防止下部隔热衬里在受热膨胀后挤压支撑架。

在超出支撑架边缘部分，下部的向火面衬里与上部的向火面衬里之间采用阶梯状配合，在竖直方向的阶梯配合之间，设置伸缩性耐火纤维(9)，纤维层厚度3～50mm(含预留的膨胀空间1～15mm)，以避免下部的向火面衬里在受热膨胀后挤压上部的向火面衬里，并且防止高温熔渣和气体侵入。

为了最大程度保证金属支撑架不致超温，并且防止支撑架周围的金属外壳超温，在固定支撑架的相应位置，在气化炉金属外壳外壁设置翅片型散热片，翅片沿金属外壳外缘在同一水平面上均匀布置。

附图说明

图1是本发明实施例的气化炉的结构示意图；

图2是托砖架部分的结构示意图；

图3是传统形式耐火砖及金属外壁温度分布图；

图4是本发明的耐火砖外壁温度分布图。

符号说明

1气化炉金属外壳；2支撑架；3隔热砖(隔热层耐火衬里)；

4向火面砖(向火面耐火衬里)；5工艺烧嘴口；

6预热烧嘴口或工艺烧嘴口；7托砖架上向火面耐火砖；

8托砖架下向火面耐火砖；9、10、12收缩层(耐火纤维)；

11散热翅片。

具体实施方式

实施例1

多喷嘴对置式水煤浆气化炉(中国专利ZL98110616.1)，燃烧室金属外壳内径3.4m，气化操作压力6.5MPa，对比传统耐火衬里结构与采用本发明耐火衬里结构，区别如下所述。

若采用传统耐火衬里结构，直筒段耐火衬里主要分为三层，分别为：隔热砖、背衬砖和向火面砖。三层砖的厚度、材质及导热系数见表1：

表1传统耐火衬里结构的主要参数(Ф3400)

砖型	厚度(mm)	主要材质	导热系数   (W/(m＊K))
				隔热砖	105	氧化铝	0.8
背衬砖	200	氧化铬、氧化铝	4.0
				向火面砖	230	氧化铬、氧化锆	4.2

采用表1所示的结构形式和参数的耐火衬里，气化炉炉膛内径为2282mm，炉膛内空间占金属外壳内空间的45％，采用以神府煤为原料，以水煤浆形式进料，则该气化炉的处理能力大约为1600吨煤/天。

如图1和图2所示，采用本发明技术，直筒段耐火衬里主要设置两层，分别为隔热砖3和向火面砖4。两层砖的厚度、材质及导热系数见表2：

表2采用本发明设计衬里结构形式的主要参数(Ф3400)

 

砖型	厚度(mm)	主要材质	导热系数  (W/(m＊K))
				隔热砖	130	氧化铝	0.8
向火面砖	230	氧化铬、氧化锆	4.2

在气化炉金属外壳1的内部，设置三层托砖架，其中最上层托砖架位于工艺烧嘴管口5的中心线以上1.5～2米处，中间层托砖架位于工艺烧嘴管口5的中心线以下1～1.5米处，最下层托砖架位于中间层托砖架以下2～3米处。每层托砖架下方设置的收缩层10的厚度为20～50mm，向火面衬里台阶连接处的收缩层9的厚度为10～30mm，纵向收缩层12的厚度为10～30mm。

每层向火面砖4由托砖架上向火面耐火砖7和托砖架下向火面耐火砖8组成，形成阶梯状配合。在气化炉金属外壳1的侧面设置有工艺烧嘴口5，在气化炉金属外壳1的顶部设置有预热烧嘴口或工艺烧嘴口6。

采用表2所示结构形式和参数的耐火衬里，在同样的金属外壳内径下，气化炉炉膛内径达到2632mm，炉膛内空间占金属外壳内空间62％，采用以神府煤为原料，以水煤浆形式进料，则该气化炉的处理能力达到2000吨煤/天。

实施例2

多喷嘴对置式水煤浆气化炉(中国专利ZL98110616.1)，燃烧室金属外壳内径3.8m，气化操作压力4.0MPa，对比传统耐火衬里结构与采用本发明耐火衬里结构，区别如下所述。

若采用传统耐火衬里结构，直筒段耐火衬里主要分为三层，分别为：隔热砖、背衬砖和向火面砖。三层砖的厚度、材质及导热系数见表3：

表3采用传统衬里结构形式的主要参数(Ф3800)

砖型	厚度(mm)	主要材质	导热系数  (W/(m＊K))
				隔热砖	105	氧化铝	0.8
背衬砖	200	氧化铬、氧化铝	4.0

向火面砖

230

氧化铬、氧化锆

4.2

采用表3结构形式和参数的耐火衬里，气化炉炉膛内径为2.8m，炉膛内空间占金属外壳内空间54％，采用以神府煤为原料，以水煤浆形式进料，则该气化炉的处理能力大约为2000吨煤/天。

采用本发明技术，直筒段耐火衬里主要设置两层，分别为隔热砖和向火面砖。两层砖的厚度、材质及导热系数见表4：

表4采用本发明设计衬里结构形式的主要参数(Ф3800)

砖型	厚度(mm)	主要材质	导热系数  (W/(m＊K))
				隔热砖	130	氧化铝	0.8
向火面砖	230	氧化铬、氧化锆	4.2

在气化炉金属外壳1的内部设置三层托砖架，其中最上层托砖架位于工艺烧嘴管口5的中心线以上1.7～2.5米处，中间层托砖架位于工艺烧嘴管口5的中心线以下1.2～1.7米处，最下层托砖架位于中间层托砖架以下2～3米处。每层托砖架下方设置的收缩层10的厚度为20～50mm，向火面衬里台阶连接处的收缩层9的厚度为10～30mm，纵向收缩层12的厚度为15～35mm。其他部分同实施例1。

采用表5中结构形式和参数的耐火衬里，在同样的金属外壳内径下，气化炉炉膛内径达到3m，炉膛内空间占金属外壳内空间62％，采用以神府煤为原料，以水煤浆形式进料，则该气化炉的处理能力达到2300吨煤/天。

由此可见，采用本发明的耐火衬里结构形式，可大大提高气化炉处理负荷，减少耐火衬里的用量，经济效益可观。

与所述支撑架相对应部位的反应器外壁，还可以设置用于散热的翅片结构11。

Claims (10)

1.一种分段固定支撑的气化炉衬里结构，其特征在于，包括：向火面耐火衬里、隔热层耐火衬里，以及用于吸收膨胀量的收缩层，所述向火面耐火衬里和所述隔热层耐火衬里分段地由固定在反应器金属外壳壁面上的支撑架所支撑。

2.根据权利要求1所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述向火面耐火衬里由氧化铬含量在85％以上的耐火砖组成。

3.根据权利要求1所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述隔热层耐火衬里由氧化铝含量在95％以上的耐火砖组成。

4.根据权利要求1所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述收缩层的材质为耐火纤维，或者是以耐火纤维为主要成分的耐火水泥；所述收缩层的厚度为3～50mm，包括预留的膨胀空间1～15mm。

5.根据权利要求1所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述支撑架为金属材质，通过焊接或者螺栓连接的方式，固定在反应器金属内壁上。

6.根据权利要求5所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述支撑架在反应器内水平地设置2层以上，相邻层的所述支撑架的间隔在1.5～3米之间。

7.根据权利要求6所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述支撑架在反应器内水平地设置设置2～4层。

8.根据权利要求5所述的气化炉衬里结构，其特征在于，所述支撑架不直接暴露于炉膛，而是内缩在向火面衬里之后。

9.根据权利要求5所述气化炉衬里结构，其特征在于，与所述支撑架相对应部位的反应器外壁，设置有用于散热的翅片结构。

10.一种气化炉，其特征在于，具有权利要求1～9任一所述的分段固定支撑的气化炉衬里结构。

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