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1、大型粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应分析郭文元1段新群2蒋自平2(11中国石化集团宁波技术研究院;21中国石化集团宁波工程有限公司,浙江宁波,315103)摘要大型煤粉气化炉及废热锅炉通过导管连接成一整体,且气化炉底部裙座固定,在废热锅炉侧采用恒力弹簧吊架吊挂支撑,如采用“常规设计”无法进行承压外壳的强度计算。建立了气化炉与废热锅炉系统的整体计算模型,采用应力分析计算方法进行系统整体动力效应计算,确定了各种载荷工况下的系统整体变形、力和力矩,为准确计算各关键部件的强度,保证气化炉和废热锅炉系统整体的安全奠定了基础。关键词气化炉废热锅
2、炉动力效应分析1概述目前国际上知名的煤气化技术主要有GE(原Texaco)水煤浆气化,壳牌(Shell)的SCGP和KrupUhde的Prenflo粉煤气化,鲁奇(Lurgi)固定床煤气化、德国未来能源公司的GSP气化技术等。国内目前投入工业化的有华东理工大学“四喷嘴对置”水煤浆气化技术和西北化工研究院“多元料浆”水煤浆气化技术,西安热工院“两段式干煤粉加压气化技术”、清华大学“非熔渣—熔渣分级气化技术”等。其中,以GE、华东理工大学“四喷嘴对置”为代表的水煤浆气化技术和以壳牌SCGP煤粉气化技术最具有发展前途,在国内建成或正在建设
3、10套以上的工业化装置。与水煤浆气化相比,干粉煤气化具有对煤种适应性广,气化温度高,耗氧量少,单台设备(气化炉)能力大,有效气产量高,环境效果好等特点。基于此,对轻油和渣油为原料的合成氨装置进行以干粉煤气化工艺为主导的煤代油“能源替代”原料路线改造,以及制备羰基合成气与氢气,是大型化肥(合成氨)、甲醇等企业生存发展及提高经济效益首选路线。国内某2000t/d投煤量煤气化装置采用Shell粉煤气化工艺,其气化及合成气冷却工段的关键设备包括气化炉、导管及废热锅炉(即合成气冷却器),在总体结构上主要由内件和承压外壳组成,其操作条件苛刻,技
4、术难度大,如外接管口达260多个,气体返向室的大直径斜开孔结构应力计算难度大,恒力弹性吊挂支撑难度大,如图1所示。图1气化炉及废锅系统布置气化炉支撑方式为气化反应器底部座落在35m混凝土框架上,由于气化炉系统整体“柔性”收稿日期:2008210212。作者简介:郭文元,男,教授级高工,1988年毕业于华东化工学院化工机械专业,现任中国石化集团宁波技术研究院副院长,获12项中国专利。联系电话:0574287975205;E2mail:guowy@snec1com。2008年第31卷362要求,在废热锅炉侧采用恒力弹簧吊架吊挂支撑。由图
5、1看出,为保证气化炉系统整体强度,必须对各部件进行强度计算。由于气化炉和废热锅炉连接成一整体,且气化炉侧采取在气化炉底部裙座固定式支撑(在35m框架上),为了保障该系统整体在操作状态下无任何限制(约束)而较自由热膨胀,在废热锅炉侧采取恒力弹簧吊挂方式。这样特殊的“固定+弹性”支撑方式如采用“常规设计”无法进行承压外壳的强度计算。因为:①由于在废热锅炉侧采取恒力弹性吊挂,传递给作为固定处的气化炉裙座有多大的力和力矩;②相应地,由于在气化炉裙座处固定支撑,分担了多少废热锅炉侧的质量,恒力弹簧的承重按多大的质量计算,恒力弹簧的行程量按多少
6、进行设计;③由于在废热锅炉侧采取恒力弹性吊挂,在气化炉锥壳处、导管与气化炉激冷段交界处、气体返向室(GRC)交接处应该产生多大的力和力矩以及位移(变形量);④废热锅炉的水平限位装置按多大的力进行设置,在垂直方向会产生多大的位移。基于上述分析,必须对气化炉及废热锅炉系统整体做动力效应分析计算,才能确定上述各交接截面处的力和力矩以及位移(变形量),通过采用“应力分析”的设计计算方法,才能全面确定各关键部件的强度,从而保证气化炉和废热锅炉系统整体的安全。同时,对于气化炉和废热锅炉在制造、安装中出现的“偏差”,如壳体制造整体直线度偏差、“四
7、大件”组焊后的“错边”偏差、安装后的整体垂直度偏差、就位后的“定位”偏差等,整体动力效应分析均可进行气化炉和废热锅炉的强度安全性校核。5110MPa、400℃的中压过热蒸汽混合后也送入粉煤烧嘴。粉煤、氧气和蒸汽混合物由粉煤烧嘴喷入气化炉内,在410MPa的压力下进行燃烧反应。反应后的高温合成气(1400～1700℃)在气化炉出口被冷合成气激冷至约900℃,然后经合成气冷却器冷却至340℃后进入除灰工序。气化反应过程中产生的大量高位能显热在气化炉及合成气冷却器中被回收以产生中压过热蒸气。图2粉煤气化工艺流程212气化炉工艺技术Shel
8、l粉煤气化炉工艺以干煤粉为原料,纯氧作为气化剂,液态排渣,加压气流床气化。干煤粉、氧气及蒸汽混合物流经粉煤燃烧器喷入气化炉内在412MPa压力,1400～1700℃温度发生“非催化部分氧化”反应,产生粗合成气(CO+H2)。出气化炉的
