周杰士 王晗 鄭明光 肖東平(.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 56086；

2.中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

0 引言

E-gas 煤氣化技術(shù)采用兩段水煤漿進(jìn)料設(shè)計(jì)，在氣化反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行部分氧化反應(yīng)的工藝過(guò)程，操作溫度在1300～1450℃，內(nèi)襯有高溫耐火磚[1-2]。中海油惠州煉化二期煤氣化制氫聯(lián)合裝置采用了E-gas 氣化專利技術(shù)[3]。E-gas 屬于國(guó)內(nèi)首套引進(jìn)，反應(yīng)器內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其在運(yùn)行工況條件下的效果對(duì)其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效運(yùn)行起到了關(guān)鍵性作用，因此采用有限元分析軟件對(duì)氣化反應(yīng)器內(nèi)襯溫度分布場(chǎng)進(jìn)行建模分析，為煤制氫裝置氣化反應(yīng)器的襯里結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

1 氣化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

E-GAS 氣化反應(yīng)器剖面類似一個(gè)十字結(jié)構(gòu)，外部為鋼制殼體，內(nèi)襯耐火材料。氣化反應(yīng)器下部是一段氣化反應(yīng)器，水平方向，兩側(cè)各有一個(gè)進(jìn)料燒嘴。反應(yīng)器上部是二段，是一個(gè)垂直的，內(nèi)襯耐火磚的殼體。耐火襯里結(jié)構(gòu)同常規(guī)水煤漿氣化爐，分為可壓縮，隔熱、支撐和向火面構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。豎直方向上，考慮殼體高度較大，設(shè)置兩處托磚板，對(duì)襯里結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)行工況和不同區(qū)域耐火材料承擔(dān)的功用，選擇合適的材料。向火面耐火層主要是耐高溫耐侵蝕的消耗，采用高溫化學(xué)溫度性、高抗蠕變強(qiáng)度和抗熱震的高鉻材料；背襯磚作為支撐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，大多采用鉻鋼玉磚；隔熱層主要起隔熱保溫效果，選擇輕質(zhì)保溫磚材料，同時(shí)纖維材料有一定的可壓縮性，能減少熱應(yīng)力對(duì)殼體的沖擊。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

圖1 爐殼A點(diǎn)到B點(diǎn)的外壁溫度

對(duì)E-gas 氣化反應(yīng)器的溫度分布進(jìn)行研究，建立氣化反應(yīng)器的溫度分布場(chǎng)模型。按照金屬殼體、支撐板及各層材料的結(jié)構(gòu)選擇對(duì)應(yīng)的單元模塊，根據(jù)不同材料的特性，賦予各自的性能屬性。

2.2 材料的性能數(shù)據(jù)

表1 分別列出了反應(yīng)器涉及各種耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)

3 模擬結(jié)果與優(yōu)化

3.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

利用軟件計(jì)算出來(lái)的氣化反應(yīng)器溫度場(chǎng)分布，反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域溫度不同，對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)顏色也不同。整個(gè)氣化反應(yīng)器爐殼分為三個(gè)區(qū)域，封頭、水平部分、豎直部分。通過(guò)軟件將三個(gè)部分的爐壁溫度進(jìn)行逐點(diǎn)采集，封頭部分(A →B)，水平部分(B →C)，豎直部分(C →D)。爐殼A 點(diǎn)到B 點(diǎn)的外壁溫度如圖1 所示，各處的溫度都小于200℃，其中燒嘴位置A 點(diǎn)溫度接近200℃，靠近B 點(diǎn)處，溫度略微降低；爐殼B 點(diǎn)到C 點(diǎn)的外壁溫度如圖2 所示，各處的溫度都小于200℃，其中靠近B 點(diǎn)的位置，絕大部分的溫度為160℃左右，靠近C 點(diǎn)時(shí)，溫度接近200℃；爐殼D 點(diǎn)到C 點(diǎn)的外壁溫度如圖3 所示，絕大部分的溫度小于200℃，自D 點(diǎn)向下，耐火材料的厚度逐漸加厚，爐壁溫度由200℃逐漸向160℃平穩(wěn)過(guò)渡。在D 點(diǎn)和C 點(diǎn)的中部和靠近C 點(diǎn)有兩個(gè)部位出現(xiàn)溫度凸點(diǎn)，溫度達(dá)到290℃左右，其中DC 點(diǎn)中部為單點(diǎn)溫度偏高，靠近C 點(diǎn)處溫度偏高區(qū)域較大。

圖2 爐殼B點(diǎn)到C點(diǎn)的外壁溫度

圖3 爐殼D點(diǎn)到C點(diǎn)的外壁溫度

3.2 溫度異常處結(jié)構(gòu)分析

對(duì)氣化反應(yīng)器豎直部分出現(xiàn)溫度異常的兩處托磚板處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，圖4 為原始托磚板的結(jié)構(gòu)。S1 托磚板圖中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題如下：托磚板的尺寸過(guò)長(zhǎng)，已經(jīng)接近耐火襯里厚度的1/2；該位置屬于高溫區(qū)，熱面磚的尺寸過(guò)于薄，不利于隔熱和抗沖刷侵蝕；托磚板上方設(shè)置熱面磚和背襯磚，可能考慮承壓穩(wěn)定性而沒(méi)有設(shè)置輕質(zhì)保溫磚；耐火磚的斜式結(jié)構(gòu)和豎直筒體相交界，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了兩處小三角區(qū)，兩處三角區(qū)的體積較小，不易容易進(jìn)行施工切割，影響施工質(zhì)量。S2 托磚板圖中，托磚板上方設(shè)置重質(zhì)背襯磚，背襯磚熱端直接抵住熱面磚，相對(duì)于其他帶有輕質(zhì)保溫磚的部位，屬于薄弱環(huán)節(jié)。

圖4 原始托磚板結(jié)構(gòu)

3.3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

圖5 改版后S1托磚板結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果

圖5 為改后的S1 托磚板結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果。S1 托磚板處有了較大幅度的結(jié)構(gòu)調(diào)整：消減了托磚板的長(zhǎng)度，同時(shí)又增加了一層熱面磚，使得托磚板的長(zhǎng)度與襯里材料的比例降低為1/3，熱面磚的增加同時(shí)理論上也會(huì)增加工作面的抗侵蝕和抗沖刷能力；加厚了托磚板四周纖維材料的包裹厚度；加厚了兩個(gè)三角區(qū)域后方的纖維材料的厚度，纖維材料的適量增加能夠較好地對(duì)爐體進(jìn)行隔熱保溫；將原來(lái)需要切磚的兩個(gè)三角區(qū)改為使用澆注料填充，澆注料的引入可以避免施工缺陷的形成，有利于結(jié)構(gòu)的保溫性和穩(wěn)定性。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行有限元建模分析，結(jié)果顯示：托磚板外壁的溫度降低至202℃，托磚板上方兩個(gè)三角區(qū)中間外壁的溫度由290℃左右降低至228℃。

圖6 為改后的S2 托磚板結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果。S2 托磚板處進(jìn)行了材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的調(diào)整：將重質(zhì)背襯材料改為有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)保溫材料；該輕質(zhì)保溫材料的熱端、冷端和上部進(jìn)行纖維材料的包裹；增加了托磚板處纖維材料的包裹。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行有限元建模分析，結(jié)果顯示：由于大尺寸的材質(zhì)更換，該處調(diào)整后的溫度變化相對(duì)較大，托磚板外壁的溫度由原來(lái)的270℃降低至192℃。

圖6 改版后的S2托磚板結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)有限元分析軟件對(duì)E-gas 氣化反應(yīng)器各區(qū)的溫度分布進(jìn)行建模分析，大部分殼體表面溫度在200℃以下，是一個(gè)合適的溫度區(qū)間，但是仍有兩處變徑導(dǎo)致的三角區(qū)域溫度偏高，約300℃。

(2)通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中的襯里結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，托磚板的尺寸大小，托磚板處纖維材料的設(shè)置，耐火磚的結(jié)構(gòu)設(shè)置進(jìn)行分析，提出優(yōu)化建議。

(3)對(duì)專利商優(yōu)化后的襯里結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行溫度模擬，結(jié)果顯示兩處托磚板的溫度得到有效地改善。