气化炉讲座
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一、概述
安庆石化壳牌煤气化项目的关键设备― 气化炉及其合成气冷却器（废热锅炉）为 Shell公司的专有技术，其设计由Shell公司 的分部德国SEG公司承担，内件供货由 Shell公司指定的西班牙BBE公司承担；承 压炉体的基础设计由SEG完成，兰州院承 担承压炉体的详细设计，由国内制造厂完 成承压炉体的制造和内件组装。
气化炉内件的总体结构为水冷壁型式， 主要由受热面（膜式水冷壁）环形空间及承 压壳体组成。承压壳体设计压力为5.2 MPa ， 设计温度350℃。用沸水冷却的水冷壁安装 在壳体内，气化过程实际发生在膜式水冷壁 围成的腔内，气化压力由承压炉体承受。在 膜式水冷壁与承压炉体之间的是环形空间， 主要用于放置容纳水/蒸汽的输入/输出管线 及集箱管、分配管，另外，环形空间也便于 管线的连接安装及其以后的检修与检验。膜 式水冷壁提高了气化炉的效率，不需额外加
气化炉内件
气化炉内件
在气化炉操作过程中，由于陶瓷材料良 好的耐温性及冷却膜壁，会形成一定厚度的 渣层，称为挂渣，覆盖内腔表面并且变得坚 硬。这个薄的渣层将保护炉子免受熔渣的影 响，熔渣在气化过程中形成，沿着内壁往下 走最后通过底部的开孔排出。 该开孔的底部又有一个锥体。在该锥体 与渣池内件之间设有热裙，这样可以保护压 力容器免受高温的损坏。热裙由特种“Ω”管 组成，形成一个平的内表面，使熔渣不易积 留。管子材质为13CrMo44,外径38mm,标准壁 厚8.0mm，腐蚀裕度5.0mm,
气化炉外壳材质为SA387Gr11CL2, 最大壁厚约95mm，最大内径4630 mm。 其下端为半球形封头。这两项指标也是 对国内压力容器制造厂装备的主要考核 内容，一是卷板能力，二是锻压机能力。
承压外壳在制造厂的制造按其内件 的交货状态及组装要求分四段进行，即 气化炉本体组件、输气管组件、气体反
气 化 炉 框 架 设 备 布 置 图
二、气化炉系统的简介
在煤粉气化装置中，气化炉和合成气 冷却器通过输气导管、气体反向室连接在 一起成为整体，共用一个汽包。气化炉安 装标高35.8米，合成气冷却器安装标高 34.2米，安装后设备总高约50米。炉体和 合成气冷却器安装中心距为10米。气化炉 是固定支撑，由其裙座承担。合成气冷却 器是由10个恒力弹簧承担，弹簧安装标高 为55米。汽包安装在气化炉上方的平台上， 汽包中心线标高85.8米。
2.5清洁装置
气动操作的敲击器在要清洁的受热面上进 行脉动敲击，带粘性的沉淀物的受热面筒体被 声波加速到一定程度后，在受热面和沉淀物质 的不同惯性作用下，沉淀物被抖落下来。 敲击作用需要的能量是由安装在压力容器 外部的气动敲击圆筒体提供。用氮气做动力。 通过压力密封和动力传送系统，送到受热面。 为防止因脉动传输对受热面可能引起的损坏， 把一带冷却装置的砧形板焊在受热面上。敲击 装置共有58个，分别由7个仪表控制台控制。
合成气冷却器总体结构为水管式，与气 化炉内件相似，均为膜式水冷壁的结构。 包括：膜式水冷壁、多层环束管、环形空 间和承压壳体。
合成气的冷却换热在多层环管束的管内 进行，合成气走管间，水/蒸汽走管内。多 层环管束共设置了三组，即中压蒸汽过热 器、中压蒸汽发生器Ⅱ、中压蒸汽发生器 Ⅰ，三组管束均可整体从合成气冷却器的 壳体内拆装。
2.6压力容器
气化炉、输气管、反向室和合成气冷却 器等压力容器壳体，采用低合金钢 SA387Gr.11CL.2制造，可能会因为低于露点 温度而引起的低温腐蚀的地方，如所有人孔、 接管和其它非受热联接处，均应有金属堆焊 层。可以大大地降低露点腐蚀的金属堆焊层 也用于受渣池影响的气化炉压力容器温度较 低的区域。
系统初步设定有15个人孔，266个管口。 约85％的管口需要堆焊高镍合金，以避免高 温对铁素体的腐蚀。
压力容器外壳内壁还有一层耐火衬里， 主要是用以保护容器在出现不可预见的热对 流时，免受局部温度提高的影响。厚度为 40mm，是用六角形格栅结构，也就是俗称的 龟甲网将其固定，其组成为：Al2O3，39%,SiO2 49%,Fe2O3 2%，最大使用温度1300℃，导热系 数0.56W/m*K(600℃)。这层耐火衬里的主要 作用是隔热。这一层耐火衬里在内件安装前 由外壳制造厂完成安装。
2.1气化炉本体
气化炉反应器膜壁为翅片管构造的冷 却圆筒式结构。翅片管材质为13CrMo44,外 径38mm,标准壁厚7.1mm，腐蚀裕度5.0mm, 该圆筒形结构的上部有一个锥体通往激冷 区，其下部也连着一个锥体作为燃烧室的 底部。锥体内有中心开孔，供熔渣下落时 通过。筒体下半部均匀分布着4个烧嘴口， 各烧嘴口设有带冷却的保护器。
反向室主管
反向室支管
2.4合成气冷却ຫໍສະໝຸດ Baidu（废热锅炉）
合成气冷却器所有的受热面基本上为同一结 构。 受热面管束为翅片列管结构，并把它们挨个 焊在一起形成膜壁，膜壁内的水管为盘管式，形 成不同直径的园柱体，并嵌套在一起，由支撑结 构固定，允许每个圆柱体向下的自由膨胀。
受热面管束由外部圆柱体所环绕，即所谓的 水冷壁受热面，这个圆筒体的直径与反向室主管 的相同，水冷壁受热面一直延伸到合成气冷却器 的整个长度，与反向室以搭接接头进行连接。
输气管低部也有用耐热衬钉固定的陶 瓷耐火衬里。 激冷管、输气管都是独立的部件，有 不同的进气和排气管道，作为中压水/蒸汽 系统气体两个部分之间的连接，一方面要 求对流不能进入壳体内，另一方面，又要 求保证热膨胀，它们之间的连接由带膨胀 节密封的连接装置来完成。
2.3反向室
反向室由作为输气管道延伸部分的入 口支管和反向室主管组成，进来的合成气 在此被转向到合成气冷却器的受热面上。 反向室顶罩被设计成带冷却的蛇形管结构， 该冷却系统由循环系统的进料管和出料管 分别供给，这个顶罩在进行必要的检修时 可以拿开。 入口支管、反向室主管和顶罩由铁素 体钢管水冷壁制成，结构为翅片列管式， 组成中压水/蒸汽回路的部分 。
带密封装置的连接
从顶部往下看，受热面管束包括如下部
分： ——中压过热器； ——中压蒸发器Ⅱ； ——中压蒸发器Ⅰ，并分为两件管束。 中压过热管束为整体翅片管式，由高合金 钢制成，两台中压蒸发器管束和环绕壁受热面 由铁素体钢制成，为翅片管式结构。
所有的管束有各自的水/蒸汽回路及各自 的连接管线。
合成气冷却器内件
气体反向室组件
合成气冷却器
15.0
136.5
245.0
540. 0
由上表可以看出，该四段组件均为超宽 （高）超重的大件，在运输和吊装上有很大的 难度。经现阶段的初步调查，尽管存在的运输 难度，但通过尽量减少陆路运输，凭借水路运 输可运输至现场。 由于气化炉本体、输气管、气体反向室及 合成气冷却器在操作时是连通的整体，因此必 须在现场进行组焊及安装，现场组焊设置有3 条环焊缝（黄金焊缝）。岳阳洞氮合资公司的 气化炉起吊方案已由兰州院制定，准备租用国 外1250吨可拆式吊车进行吊装。
激冷器结构示意图
激冷区采用高合金奥氏体钢，而激冷 管则采用铁素体钢。激冷管设计成膜壁式 冷却系统组成的循环管，激冷管与中压水 /蒸汽的系统都采用翅片列管式结构。 激冷管下游的延伸部分即输气管，是 由一段冷却弯管和一段冷却直管组成。输 气管水冷壁为MP蒸汽系统的一部分，并用 铁素体材料的超“Ω ”管制成。
气化炉按流态排渣炉的原理进行操作。 为了确保流态排渣，气化炉内腔有一层用高 耐热钢衬钉衬起的导热陶瓷耐火衬里。衬钉 材质为25Cr20Ni。衬钉密度较大，达到2500 柱/m2。 陶瓷耐火衬里，厚度为14mm，；其 组成为：Al2O3 18%、SiO2 3%、Fe2O3 0.2%、 SiC 74%，导热系数3.85W/m*K(500℃)。最 大使用温度1400℃ 。这层衬里的主要成份 是SiC，碳化硅的特点是：硬度大（HV 2.5MPa），导热系数大（导热性能好）和线 膨胀系数小（不易开裂）。
气化炉的所有冷却结构与中压水蒸汽回路 构成一个整体，这是有必要的，因为高温流会 引起大的温度梯度，因此所引起的次应力只能 由铁素体钢管解决。为了能够严格控制较为敏 感的铁素体钢材料（13CrMo44即1.25Cr0.5Mo） 的高温腐蚀的影响，需选用温度足够低的一套 冷却系统。
气化炉底部示意图
2.2冷激区、冷激管和输气管
入蒸汽，并可副产5.5MPa中压蒸汽，同时 也增强了工艺操作强度（因为设计膜式水 冷壁时，考虑了超过设计条件的情况和操 作干扰）。另外，膜式水冷壁内衬有一层 耐火衬里，用“以渣抗渣”方式保护膜式 水冷壁不受侵蚀。与其它结构型式气化炉 相比，由于不需要耐火绝热层，使Shell粉 煤气化炉运转周期长，粉煤烧嘴操作寿命 长，可单炉运行，不需要备用炉，可靠性 高。
向室组件及合成气冷却器组件。在制造厂进 行组装完成后，四段的最大主要尺寸及组装 重量如下表：
组件名称 气化炉本体组件 输气管本体组件 最大主体尺寸 m Ф 4.82×31/5.8 内件重量 （吨） 88.0 17.5 组装后重 （吨） 510.0 95.0
Ф 3.3×16/5.0
Ф 3.82×12/7.5 Ф 3.54×40/Ф 5.0
2.7压力容器壁温监测系统
在压力容器外壳的有些位置上安装表面 温度监测系统，在如下位置如渣池，气化炉 下段封口处，输气管，合成气上段封口处。
冷激区分为两个功能区。 在第一区，经冷却的干净气体以约200℃ 的温度进行循环，并加入到气化炉出来的热 气流中。这股气叫循环气。 第二区即所谓的“高速冷却区”，是用 加压的合成气吹除积累在循环气出口附近的 煤渣。 由于存在湍流，两股气流在经过很长的激 冷管时得到了最充分地混合，混合后的温度 低于900℃。
安庆石化壳牌煤气化项目的关键设备― 气化炉及其合成气冷却器（废热锅炉）为 Shell公司的专有技术，其设计由Shell公司 的分部德国SEG公司承担，内件供货由 Shell公司指定的西班牙BBE公司承担；承 压炉体的基础设计由SEG完成，兰州院承 担承压炉体的详细设计，由国内制造厂完 成承压炉体的制造和内件组装。
气化炉内件的总体结构为水冷壁型式， 主要由受热面（膜式水冷壁）环形空间及承 压壳体组成。承压壳体设计压力为5.2 MPa ， 设计温度350℃。用沸水冷却的水冷壁安装 在壳体内，气化过程实际发生在膜式水冷壁 围成的腔内，气化压力由承压炉体承受。在 膜式水冷壁与承压炉体之间的是环形空间， 主要用于放置容纳水/蒸汽的输入/输出管线 及集箱管、分配管，另外，环形空间也便于 管线的连接安装及其以后的检修与检验。膜 式水冷壁提高了气化炉的效率，不需额外加
气化炉内件
气化炉内件
在气化炉操作过程中，由于陶瓷材料良 好的耐温性及冷却膜壁，会形成一定厚度的 渣层，称为挂渣，覆盖内腔表面并且变得坚 硬。这个薄的渣层将保护炉子免受熔渣的影 响，熔渣在气化过程中形成，沿着内壁往下 走最后通过底部的开孔排出。 该开孔的底部又有一个锥体。在该锥体 与渣池内件之间设有热裙，这样可以保护压 力容器免受高温的损坏。热裙由特种“Ω”管 组成，形成一个平的内表面，使熔渣不易积 留。管子材质为13CrMo44,外径38mm,标准壁 厚8.0mm，腐蚀裕度5.0mm,
气化炉外壳材质为SA387Gr11CL2, 最大壁厚约95mm，最大内径4630 mm。 其下端为半球形封头。这两项指标也是 对国内压力容器制造厂装备的主要考核 内容，一是卷板能力，二是锻压机能力。
承压外壳在制造厂的制造按其内件 的交货状态及组装要求分四段进行，即 气化炉本体组件、输气管组件、气体反
气 化 炉 框 架 设 备 布 置 图
二、气化炉系统的简介
在煤粉气化装置中，气化炉和合成气 冷却器通过输气导管、气体反向室连接在 一起成为整体，共用一个汽包。气化炉安 装标高35.8米，合成气冷却器安装标高 34.2米，安装后设备总高约50米。炉体和 合成气冷却器安装中心距为10米。气化炉 是固定支撑，由其裙座承担。合成气冷却 器是由10个恒力弹簧承担，弹簧安装标高 为55米。汽包安装在气化炉上方的平台上， 汽包中心线标高85.8米。
2.5清洁装置
气动操作的敲击器在要清洁的受热面上进 行脉动敲击，带粘性的沉淀物的受热面筒体被 声波加速到一定程度后，在受热面和沉淀物质 的不同惯性作用下，沉淀物被抖落下来。 敲击作用需要的能量是由安装在压力容器 外部的气动敲击圆筒体提供。用氮气做动力。 通过压力密封和动力传送系统，送到受热面。 为防止因脉动传输对受热面可能引起的损坏， 把一带冷却装置的砧形板焊在受热面上。敲击 装置共有58个，分别由7个仪表控制台控制。
合成气冷却器总体结构为水管式，与气 化炉内件相似，均为膜式水冷壁的结构。 包括：膜式水冷壁、多层环束管、环形空 间和承压壳体。
合成气的冷却换热在多层环管束的管内 进行，合成气走管间，水/蒸汽走管内。多 层环管束共设置了三组，即中压蒸汽过热 器、中压蒸汽发生器Ⅱ、中压蒸汽发生器 Ⅰ，三组管束均可整体从合成气冷却器的 壳体内拆装。
2.6压力容器
气化炉、输气管、反向室和合成气冷却 器等压力容器壳体，采用低合金钢 SA387Gr.11CL.2制造，可能会因为低于露点 温度而引起的低温腐蚀的地方，如所有人孔、 接管和其它非受热联接处，均应有金属堆焊 层。可以大大地降低露点腐蚀的金属堆焊层 也用于受渣池影响的气化炉压力容器温度较 低的区域。
系统初步设定有15个人孔，266个管口。 约85％的管口需要堆焊高镍合金，以避免高 温对铁素体的腐蚀。
压力容器外壳内壁还有一层耐火衬里， 主要是用以保护容器在出现不可预见的热对 流时，免受局部温度提高的影响。厚度为 40mm，是用六角形格栅结构，也就是俗称的 龟甲网将其固定，其组成为：Al2O3，39%,SiO2 49%,Fe2O3 2%，最大使用温度1300℃，导热系 数0.56W/m*K(600℃)。这层耐火衬里的主要 作用是隔热。这一层耐火衬里在内件安装前 由外壳制造厂完成安装。
2.1气化炉本体
气化炉反应器膜壁为翅片管构造的冷 却圆筒式结构。翅片管材质为13CrMo44,外 径38mm,标准壁厚7.1mm，腐蚀裕度5.0mm, 该圆筒形结构的上部有一个锥体通往激冷 区，其下部也连着一个锥体作为燃烧室的 底部。锥体内有中心开孔，供熔渣下落时 通过。筒体下半部均匀分布着4个烧嘴口， 各烧嘴口设有带冷却的保护器。
反向室主管
反向室支管
2.4合成气冷却ຫໍສະໝຸດ Baidu（废热锅炉）
合成气冷却器所有的受热面基本上为同一结 构。 受热面管束为翅片列管结构，并把它们挨个 焊在一起形成膜壁，膜壁内的水管为盘管式，形 成不同直径的园柱体，并嵌套在一起，由支撑结 构固定，允许每个圆柱体向下的自由膨胀。
受热面管束由外部圆柱体所环绕，即所谓的 水冷壁受热面，这个圆筒体的直径与反向室主管 的相同，水冷壁受热面一直延伸到合成气冷却器 的整个长度，与反向室以搭接接头进行连接。
输气管低部也有用耐热衬钉固定的陶 瓷耐火衬里。 激冷管、输气管都是独立的部件，有 不同的进气和排气管道，作为中压水/蒸汽 系统气体两个部分之间的连接，一方面要 求对流不能进入壳体内，另一方面，又要 求保证热膨胀，它们之间的连接由带膨胀 节密封的连接装置来完成。
2.3反向室
反向室由作为输气管道延伸部分的入 口支管和反向室主管组成，进来的合成气 在此被转向到合成气冷却器的受热面上。 反向室顶罩被设计成带冷却的蛇形管结构， 该冷却系统由循环系统的进料管和出料管 分别供给，这个顶罩在进行必要的检修时 可以拿开。 入口支管、反向室主管和顶罩由铁素 体钢管水冷壁制成，结构为翅片列管式， 组成中压水/蒸汽回路的部分 。
带密封装置的连接
从顶部往下看，受热面管束包括如下部
分： ——中压过热器； ——中压蒸发器Ⅱ； ——中压蒸发器Ⅰ，并分为两件管束。 中压过热管束为整体翅片管式，由高合金 钢制成，两台中压蒸发器管束和环绕壁受热面 由铁素体钢制成，为翅片管式结构。
所有的管束有各自的水/蒸汽回路及各自 的连接管线。
合成气冷却器内件
气体反向室组件
合成气冷却器
15.0
136.5
245.0
540. 0
由上表可以看出，该四段组件均为超宽 （高）超重的大件，在运输和吊装上有很大的 难度。经现阶段的初步调查，尽管存在的运输 难度，但通过尽量减少陆路运输，凭借水路运 输可运输至现场。 由于气化炉本体、输气管、气体反向室及 合成气冷却器在操作时是连通的整体，因此必 须在现场进行组焊及安装，现场组焊设置有3 条环焊缝（黄金焊缝）。岳阳洞氮合资公司的 气化炉起吊方案已由兰州院制定，准备租用国 外1250吨可拆式吊车进行吊装。
激冷器结构示意图
激冷区采用高合金奥氏体钢，而激冷 管则采用铁素体钢。激冷管设计成膜壁式 冷却系统组成的循环管，激冷管与中压水 /蒸汽的系统都采用翅片列管式结构。 激冷管下游的延伸部分即输气管，是 由一段冷却弯管和一段冷却直管组成。输 气管水冷壁为MP蒸汽系统的一部分，并用 铁素体材料的超“Ω ”管制成。
气化炉按流态排渣炉的原理进行操作。 为了确保流态排渣，气化炉内腔有一层用高 耐热钢衬钉衬起的导热陶瓷耐火衬里。衬钉 材质为25Cr20Ni。衬钉密度较大，达到2500 柱/m2。 陶瓷耐火衬里，厚度为14mm，；其 组成为：Al2O3 18%、SiO2 3%、Fe2O3 0.2%、 SiC 74%，导热系数3.85W/m*K(500℃)。最 大使用温度1400℃ 。这层衬里的主要成份 是SiC，碳化硅的特点是：硬度大（HV 2.5MPa），导热系数大（导热性能好）和线 膨胀系数小（不易开裂）。
气化炉的所有冷却结构与中压水蒸汽回路 构成一个整体，这是有必要的，因为高温流会 引起大的温度梯度，因此所引起的次应力只能 由铁素体钢管解决。为了能够严格控制较为敏 感的铁素体钢材料（13CrMo44即1.25Cr0.5Mo） 的高温腐蚀的影响，需选用温度足够低的一套 冷却系统。
气化炉底部示意图
2.2冷激区、冷激管和输气管
入蒸汽，并可副产5.5MPa中压蒸汽，同时 也增强了工艺操作强度（因为设计膜式水 冷壁时，考虑了超过设计条件的情况和操 作干扰）。另外，膜式水冷壁内衬有一层 耐火衬里，用“以渣抗渣”方式保护膜式 水冷壁不受侵蚀。与其它结构型式气化炉 相比，由于不需要耐火绝热层，使Shell粉 煤气化炉运转周期长，粉煤烧嘴操作寿命 长，可单炉运行，不需要备用炉，可靠性 高。
向室组件及合成气冷却器组件。在制造厂进 行组装完成后，四段的最大主要尺寸及组装 重量如下表：
组件名称 气化炉本体组件 输气管本体组件 最大主体尺寸 m Ф 4.82×31/5.8 内件重量 （吨） 88.0 17.5 组装后重 （吨） 510.0 95.0
Ф 3.3×16/5.0
Ф 3.82×12/7.5 Ф 3.54×40/Ф 5.0
2.7压力容器壁温监测系统
在压力容器外壳的有些位置上安装表面 温度监测系统，在如下位置如渣池，气化炉 下段封口处，输气管，合成气上段封口处。
冷激区分为两个功能区。 在第一区，经冷却的干净气体以约200℃ 的温度进行循环，并加入到气化炉出来的热 气流中。这股气叫循环气。 第二区即所谓的“高速冷却区”，是用 加压的合成气吹除积累在循环气出口附近的 煤渣。 由于存在湍流，两股气流在经过很长的激 冷管时得到了最充分地混合，混合后的温度 低于900℃。