CN103180465A - 具有可变壁厚度的重整器管装置和相关制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种重整器管装置，所述重整器管装置包括：包括凸缘段、顶段、中段和底段的轴向排列的管结构体。所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第一壁厚度的第一部分、具有第二壁厚度的第二部分和将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。所述的凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。所述管结构体的底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。所述管结构体的底段还包括设置在其外部周围的凹进部。所述轴向排列的管结构体还包括连接至所述凸缘段的第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。

Description

具有可变壁厚度的重整器管装置和相关制造方法
发明领域
本发明一般地涉及例如在直接还原(DR)工艺中用于重整气体的重整器。更具体地，本发明涉及具有可变壁厚度的重整器管装置。任选地，重整器管装置由新冶金学合金制造。
发明背景
用于制备多种类型的重整气的工艺遍及全世界广泛地使用，并且具有与直接还原铁(DRI)厂相关的特殊应用。在DR工艺中，使用重整器将天然气(CH4)用例如由还原炉，也称为竖炉获得的来自再循环的工艺气的氧化剂CO2和H2O重整。在重整反应中形成还原剂CO和H2，之后将其在高温使用以将氧化铁(Fe2O3)，即铁矿石在还原炉中还原为金属铁(Fe)。金属铁随后被加工为不同的钢等级用于制造最终产品。
该DR工艺在图1中一般地示例，并且包括三个主要步骤：还原、重整和热回收。在还原步骤中，将粒料或块形式的氧化铁在还原炉10的顶部通过配比进料斗12引入。当氧化铁由于重力流动穿过还原炉10落下时，它被加热并且氧通过具有高含量的还原剂CO和H2的对流气体被从铁移除，即氧化铁被还原。这些气体与铁矿石中的Fe2O3反应，并且将其转化为金属铁，留下氧化剂CO2和H2O。因此，其中进行DR工艺的还原炉10具有三个不同的区域：还原区、转化区和冷却区。用于冷DRI的生产，将金属铁冷却并且在还原炉10的下部中通过对流冷却气体渗碳。DRI也可以热卸料，并且进料至压块机用于热压铁(HBI)的生产，或作为热直接还原铁(HDRI)直接地热进料至电弧炉(EAF)等。
在重整步骤中，为了最大化重整效率，将来自还原炉10的再循环的工艺气与新天然气混合并进料至重整器14，即包括一个或多个填充有催化剂，如镍或镍氧化铝的冶金学合金重整器管装置16的难熔衬里炉。气体当通过重整器管装置16时被加热并重整。之后将含有90-92％CO和H2的新的重整气作为还原气直接地热进料至还原炉10。
在热回收步骤中，将重整器14的热效率最大化。将热由重整器燃料气回收并且用于预热重整器进料气混合物、燃烧器助燃空气以及天然气进料。任选地，将重整器燃料气也预热。
因为重整气中氧化剂的存在将阻碍还原反应，重整器进料气混合物必须含有足够的氧化剂以与天然气反应，外加足够过量的氧化剂以保护催化剂。这被称为化学计量比重整。重整气中还原剂与氧化剂比例典型地为约11比1。重整反应是吸热的。因此，对于该反应需要热的输入。重整反应在催化剂的存在下发生以加快反应速率。因为氧化剂之一为CO2，重整器14必须在比传统的蒸汽重整器更高的温度下运行。
传统的重整器管装置16由多种冶金学合金制造，以设计在受控的运行温度得到7-10年的寿命的工艺规格。一组替换管16可能例如花费超过$10,000,000.00，占据DRI工厂运营者显著的成本。因此，将有益的是如果管16能够在目前的温度水平运行更长的时间期间。类似地，将有益的是如果管16能够在升高的温度水平运行相同的时间期间。这两种情况都将提供重整器14的产出上的增加，从而提供DRI工厂的产出上的增加，并且，最终，提供利润上的增加。
大部分传统的管16最终在它们的顶段接近重整器顶部处损坏。该局部段在直径上逐渐地变化并增大，形成“凸出部分”。这是不希望的变形和壁减薄的区域。解决该问题的传统方式包括增加整个管16的壁厚度，从而导致总重量增加、较低效率的热传递、支撑问题以及增加的附管伸长，全部导致显著增加的成本。需要解决该问题的方法，但是该方法仍未由本领域技术人员开发出来。
发明简述
在多个示例实施方案中，本发明提供一种具有可变壁厚度并且由新冶金学合金制造的重整器管装置。该设计和材料组合结果在目前的温度需求下运行更久，或者在增加的温度需求下同样地运行。壁厚度仅在其中需要耐变形性的重整器管装置的局部段增加。设置至传统厚度的过渡，并且所述过渡是渐进的，以使得与焊接点相比将应力最小化。预期的是可以增加4-6年的管寿命，或者管温和整体DR工艺生产可以因此增加。
在一个示例实施方案中，本发明提供一种重整器管装置，所述重整器管装置包括：轴向排列的管结构体；其中所述轴向排列的管结构体包括具有第一壁厚度的第一部分；其中所述轴向排列的管结构体包括具有第二壁厚度的第二部分；并且其中所述轴向排列的管结构体包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。该轴向排列的管结构体还包括凸缘段，其中所述凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。该轴向排列的管结构体还包括顶段，其中轴向排列的管结构体的所述第一部分和所述第二部分是所述顶段的一部分。该轴向排列的管结构体还包括中段。该轴向排列的管结构体还包括底段。该管结构体的所述底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。该管结构体的所述底段还包括设置在其外部周围的凹进部。该轴向排列的管结构体还包括第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。任选地，重整器管装置设置在直接还原工艺中使用的重整器内。
在另一个示例实施方案中，本发明提供一种重整器管装置，所述重整器管装置包括：包括凸缘段、顶段、中段和底段的轴向排列的管结构体；其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第一壁厚度的第一部分；其中轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第二壁厚度的第二部分；并且其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。所述凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。任选地，第一壁厚度大于第二壁厚度。所述管结构体的所述底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。所述管结构体的所述底段还包括设置在其外部周围的凹进部。该轴向排列的管结构体还包括连接至所述凸缘段的第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。任选地，重整器管装置设置在直接还原工艺中使用的重整器内。
在进一步的示例实施方案中，本发明提供一种用于提供重整器管装置的方法，所述方法包括：提供包括凸缘段、顶段、中段和底段的轴向排列的管结构体；其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第一壁厚度的第一部分；其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第二壁厚度的第二部分；并且其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。该凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。任选地，第一壁厚度大于第二壁厚度。管结构体的底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。管结构体的底段还包括设置在其外部周围的凹进部。轴向排列的管结构体还包括连接至所述凸缘段的第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
附图简述
本文参考多个附图示例并描述本发明，其中使用相同的附图标记适当地表示相同的装置部件/方法步骤，并且其中：
图1是示例本发明的重整器管装置可以采用的DR工艺的一个示例性实施方案的示意图；
图2是示例本发明的重整器管装置可以采用的重整器的一个示例性实施方案的示意图；并且
图3是示例本发明的重整器管装置的一个示例性实施方案的截面侧视图。
发明详述
参考图2，在重整器14中，为了最大化重整效率，将来自还原炉10(图1)的再循环的工艺气与新天然气混合并进料至重整器14作为重整器进料气18。重整器14包括难熔衬里炉20，所述难熔衬里炉20包括一个或多个填充有催化剂22的冶金学合金重整器管装置16。难熔材料24包括例如陶瓷纤维覆盖物。在所示例的实施方案中，示例了两个重整器管装置16，然而，本领域技术人员容易明白的是，可以采用任意数目的重整器管装置16。在重整器14中，重整器进料气18当通过重整器管装置16时被加热并重整。之后将含有90-92％CO和H2的新的重整气直接地热进料至还原炉10作为还原气26。
再一次，在还原步骤中，将粒料或块形式的氧化铁在还原炉10的顶部通过配比进料斗12引入(图1)。当氧化铁由于重力流动穿过还原炉10落下时，它被加热并且氧通过具有高含量的还原剂CO和H2的对流气体被从铁移除，即氧化铁被还原。这些气体与铁矿石中的Fe2O3反应，并且将其转化为金属铁，留下氧化剂CO2和H2O。因此，其中进行DR工艺的还原炉10具有三个不同的区域：还原区、转化区和冷却区。用于冷DRI的生产，将金属铁冷却并且在还原炉10的下部中通过对流冷却气体渗碳。DRI也可以热卸料，并且进料至压块机用于HBI的生产，或作为热HDRI直接地热进料至EAF等。
具体地参考图3，在本发明的一个示例性实施方案中，每个重整器管装置16通常包括轴向排列的管结构体28，所述轴向排列的管结构体28包括多个部件。这些部件包括凸缘段30、顶段32、中段34和底段36。连接至凸缘段30的是第二凸缘段38。本文在下面更详细地描述每个部件。如本文所使用的，“管”通常是指圆形截面形状，虽然也预期到其他的截面形状。
凸缘段30包括具有约260-300mm的内径，约290-330mm的外径，具有约12-15mm的壁厚度，以及约90mm的总长度的管结构体40，虽然可以采用其他合适的尺寸。凸缘段30可以由HP-MA合金制造，该耐热合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素，特征在于属于高温合金家族，或者另一种新材料，并且优选将其表面喷砂清理等以移除杂质。在凸缘段30的顶部周围设置向外突出的同心凸缘42，并且其具有约432mm的外径和约16mm的厚度。
顶段32包括具有约260-300mm的内径，可变的外径，以及约3500mm的总长度的管结构体44，虽然也可以采用其他合适的尺寸。详细地，顶段32的管结构体44包括具有约290-330mm的外径，具有约12-15mm的壁厚度，以及约2000mm的总长度的连续厚度部分46，虽然也可以采用其他合适的尺寸。顶段32的管结构体44还包括具有从顶部至底部从约290-330mm逐渐减小至约280-320mm的外径，具有从顶部至底部从约15mm逐渐减小至约10mm的壁厚度，以及约1500mm的总长度的可变厚度部分48，虽然也可以采用其他合适的尺寸。顶段32可以由HV合金制造，该耐热合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素，特征在于落入高温合金家族的范围内，或者是另一种新材料，并且优选将其表面喷砂清理等以移除杂质。应当注意的是可以将任意合适的渐变段(以及其任何合适的数目)结合至顶段32中，或者重整器管装置16的任意其他段中，虽然光滑的直径变化(外侧和/或内侧)是优选的，以便最小化材料中的应力。将顶段32经由焊缝50或其他合适的连接机构连接至凸缘段30。
中段34包括具有约260-300mm的内径，约280-320mm的外径，具有约8-10mm的壁厚度，和约4900mm的总长度的管结构体52，虽然也可以采用其他合适的尺寸。中段34可以由HP-MA合金制造，该耐热合金包括Cr、Ni和Fe外加其他元素，特征在于在高温合金家族的范围内，或是另一种新材料，并且优选对其表面进行喷砂清理等以移除杂质。中段34经由焊缝50连接至顶段32，这样的焊缝50设计有合适的“J”焊缝斜角设计并且使用相容合金的焊缝填充材料进行，或者使用其他合适的连接机构进行。
底段36包括具有约260-300mm的内径，约280-320mm的外径(其可以是可变的/逐细的)，具有约8-10mm的壁厚度(其可以是可变的/逐细的)，以及约1060mm的总长度的管结构体54，虽然也可以采用其他合适的尺寸。底段36可以由HK-MA合金制造，该耐热合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素，特征在于落入高温合金家族的范围内，或者是另一种新材料，并且优选将其表面喷砂清理等以移除杂质。底段36经由焊缝50连接至中段34，这种焊缝50设计为具有合适的“J”焊缝斜角设计或直“V”焊缝斜角设计并且使用相容合金的焊缝填充材料进行，或使用其他合适的连接机构进行。此外，将多个镍合金楔形结构体56等同心地设置在底段36的管结构体54周围并且焊接至底段36的管结构体54的内侧，用于支撑内部催化剂支撑板(未示出)。同样地，将槽道58等同心地设置在底段36的管结构体54周围并且制造至底段36的管结构体54的外侧中用于安装底部气密凸缘(未示出)。
最终，第二凸缘段38包括具有约394mm的内径，约406mm的外径，具有约6mm的壁厚度，以及约71mm的总长度的管结构体60，虽然也可以采用其他合适的尺寸。第二凸缘段38可以由碳钢或其他合适的合金或另一种新材料制造，并且优选将其表面喷砂清理等以移除杂质。将向外突出的同心的第二凸缘62设置在第二凸缘段38的顶部周围，并且其具有约485mm的外径和约6mm的厚度。第二凸缘段38经由焊缝50连接至凸缘段30，这样的焊缝50设计为具有合适的“J”焊缝斜角设计或直“V”焊缝斜角设计并且使用相容合金的焊缝填充材料进行，或者使用其他合适的连接机构进行。采用第二凸缘段38通过例如焊接的方式将重整器管组连接至重整气头(未示出)。当然，重整器管组16的所有部件也可以整体地形成。管部件和耐热合金凸缘优选使用离心浇铸工艺制造。
再一次，在多种示例实施方案中，本发明提供具有可变壁厚度并且由新冶金学合金制造的重整器管装置16。该设计和材料组合导致在目前的温度需要的更长操作或者在增加的温度需要的相同运行。壁厚度仅在重整器管装置16其中需要耐变形性的局部段增加。设置至传统厚度的过渡，并且所述过渡是渐进的，以使得与焊接点相比将应力最小化。预期的是可以增加4-6年的管寿命，或者管温和整体DR工艺生产可以因此增加。
虽然本文已经参考其优选的实施方案和具体实例示例并描述了本发明，本领域技术人员将容易明白的是其他实施方案和实施例可以实现类似功能和/或获得类似结果。所有这种等价实施方案和实施例在本发明的精神和范围之内，从而被预期，并且意图由以下权利要求覆盖。在这方面，该说明书应被认为是非限制性的并且全面包含的。

Claims (24)

1.一种重整器管装置，所述重整器管装置包括：
轴向排列的管结构体；
其中所述轴向排列的管结构体包括具有第一壁厚度的第一部分；
其中所述轴向排列的管结构体包括具有第二壁厚度的第二部分；并且
其中所述轴向排列的管结构体包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。
2.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述重整器管装置由其特征在于在高温合金的家族之内的包含Cr、Ni和Fe外加其他元素的耐热合金制造。
3.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括凸缘段，其中所述凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
4.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括顶段，其中所述轴向排列的管结构体的所述第一部分和所述第二部分是所述顶段的一部分。
5.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括中段。
6.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括底段。
7.权利要求6所述的重整器管装置，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。
8.权利要求6所述的重整器管装置，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其外部周围的凹进部。
9.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
10.权利要求1所述的重整器管装置，其中所述重整器管装置设置在直接还原工艺中使用的重整器内。
11.一种重整器管装置，所述重整器管装置包括：
轴向排列的管结构体，所述轴向排列的管结构体包括凸缘段、顶段、中段和底段；
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第一壁厚度的第一部分；
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第二壁厚度的第二部分；并且
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。
12.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述重整器管装置由其特征在于在高温合金的家族之内的包含Cr、Ni和Fe外加其他元素的耐热合金制造。
13.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
14.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述第一壁厚度大于所述第二壁厚度。
15.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。
16.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其外部周围的凹进部。
17.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述轴向排列的管结构体还包括连接至所述凸缘段的第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
18.权利要求11所述的重整器管装置，其中所述重整器管装置设置在直接还原工艺中使用的重整器内。
19.一种用于提供重整器管装置的方法，所述方法包括：
提供轴向排列的管结构体，所述轴向排列的管结构体包括凸缘段、顶段、中段和底段；
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第一壁厚度的第一部分；
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括具有第二壁厚度的第二部分；并且
其中所述轴向排列的管结构体的所述顶段包括将所述第一部分与所述第二部分接合的具有过渡变化的壁厚度的第三部分。
20.权利要求19所述的方法，其中所述凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
21.权利要求19所述的方法，其中所述第一壁厚度大于所述第二壁厚度。
22.权利要求19所述的方法，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其内部周围的多个同心楔形结构体。
23.权利要求19所述的方法，其中所述管结构体的所述底段包括设置在其外部周围的凹进部。
24.权利要求19所述的方法，其中所述轴向排列的管结构体还包括连接至所述凸缘段的第二凸缘段，其中所述第二凸缘段包括设置在其顶部周围的同心凸缘。
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