專利名稱：：一種分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)及其氣化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于碳?xì)浠衔餁饣癄t的耐火襯里領(lǐng)域，具體涉及一種耐火襯里的固定和布置方式。
背景技術(shù)：
：碳?xì)浠衔餁饣?尤其是煤氣化)的氣化爐可分為固定床型、流化床型和氣流床型。其中，氣流床型氣化反應(yīng)器以其處理能力大、轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)，成為主流技術(shù)。對氣流床型氣化反應(yīng)器，其襯里結(jié)構(gòu)可分為冷壁型和熱壁型，冷壁型襯里通過流動(dòng)的冷介質(zhì)冷卻反應(yīng)器外殼，保持外殼溫度在材料可承受的溫度范圍內(nèi)，這種形式的氣化爐以殼牌煤氣化技術(shù)、西門子煤氣化技術(shù)為代表；熱壁型襯里是通過耐火材料的隔熱保溫，一方面降低爐膛內(nèi)熱量的散失，另一方面也保持反應(yīng)器外殼壁溫在材料可承受的溫度范圍內(nèi)，這種形式的氣化爐以GE水煤漿氣化技術(shù)和華東理工大學(xué)開發(fā)的多噴嘴煤氣化技術(shù)(中國專利，專利號分別為ZL98110616.1、ZL200510111484.8和ZL01210097.8)為代表。傳統(tǒng)的熱壁型氣流床氣化爐，其耐火襯里主要是采用耐火磚，耐火磚在直筒段按照徑向方向一般分為三層，從金屬殼往爐膛方向分別為隔熱磚、背襯磚和向火面磚，另外，在氣化爐穹頂部分，主要分為兩層，分別為隔熱襯里和拱頂向火面磚(參見德士古煤氣化爐耐火磚的使用與問題探討，化肥工業(yè)，1998年第3期，P35-38)。隔熱磚、背襯磚和向火面磚的材質(zhì)主要分別為氧化鋁磚、鉻鋁磚、鉻鋁鋯磚，這三種磚的導(dǎo)熱系數(shù)分別約為0.8W/(m*K)、4.0W/(m*K)和4.2W/(m*K)。其中隔熱磚的主要功能為隔絕爐膛內(nèi)1300°C以上的高溫，將金屬外殼的溫度控制在200300°C左右；向火面磚的主要功能是耐受爐內(nèi)高溫氣體和熔融煤渣的沖刷、侵蝕等；至于背襯磚，其主要的功能是支撐穹頂?shù)南蚧鹈婺突鸫u。直筒段的三層耐火襯里在受熱情況下，各自膨脹，在上部空間必須預(yù)留膨脹縫。傳統(tǒng)的耐火磚襯里布置方式存在一些不足。主要是1、背襯磚的作用單一，主要是為了支撐穹頂耐火磚，其本身對隔熱和耐沖刷作用貢獻(xiàn)不大；為了有效支撐拱頂耐火磚，背襯磚必須保證足夠的厚度和強(qiáng)度，一般厚度在200mm左右，這一方面占據(jù)了寶貴的爐內(nèi)空間，另一方面也增加了投資；2、由于三層耐火襯里在整個(gè)直筒段內(nèi)各自獨(dú)立受熱膨脹，需要在上部空間預(yù)留足夠的膨脹空間，以防止耐火襯里膨脹擠壓，對于體積較大的氣化爐而言，由于整個(gè)氣化爐上下溫差較大，耐火襯里的熱膨脹量在設(shè)計(jì)階段較難預(yù)測，因此，預(yù)留的膨脹空間其尺寸較難把握，若膨脹空間預(yù)留尺寸偏小，則會發(fā)生耐火襯里與氣化爐金屬外殼之間的擠壓，影響耐火襯里的使用壽命，若膨脹空間預(yù)留尺寸偏大，則容易發(fā)生高溫氣體串入耐火襯里之間的縫隙，導(dǎo)致氣化爐金屬外殼局部超溫。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)及其氣化爐，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。本發(fā)明的主要內(nèi)容如下一種分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，包括向火面耐火襯里、隔熱層耐火襯里，以及用于吸收膨脹量的收縮層，所述向火面耐火襯里和所述隔熱層耐火襯里分段地由固定在反應(yīng)器金屬外殼壁面上的支撐架所支撐。所述向火面耐火襯里主要由氧化鉻含量在85%以上的耐火磚組成，這種耐火襯里能夠承受在高溫下熔渣的沖刷。所述隔熱層耐火襯里主要由氧化鋁含量在95%以上的耐火磚組成，這種耐火磚導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效隔熱，防止?fàn)t膛熱量過多損失，并防止反應(yīng)器金屬外殼溫度過高。所述收縮層的主要材質(zhì)為耐火纖維，或者是以耐火纖維為主要成分的耐火水泥，具有耐高溫和收縮性能。所述支撐架為金屬材質(zhì)，通過焊接或者螺栓連接的方式，固定在反應(yīng)器金屬內(nèi)壁上；所述支撐架在反應(yīng)器內(nèi)水平地設(shè)置2層以上，優(yōu)選地，設(shè)置為24層。相鄰層的所述支撐架的間隔在1.53米之間。所述支撐架不直接暴露于爐膛，而是內(nèi)縮在向火面襯里之后。所述支撐架在其相應(yīng)部位的反應(yīng)器外壁，可設(shè)置用于散熱的翅片結(jié)構(gòu)。所述向火面耐火襯里分段地由所述支撐架支撐，具體的支撐方式為通過向火面襯里的逐層過渡，襯里呈臺階狀逐漸向爐膛內(nèi)延伸，過渡段通過η層磚過渡，根據(jù)向火面耐火襯里的具體厚度，為滿足耐火磚的制造尺寸要求，η在1，2，3，4，5之間選擇，最終向火面耐火襯里在爐膛一側(cè)在豎直方向上形成平滑的內(nèi)筒式形狀。所述隔熱層耐火襯里分段地由所述支撐架支撐。本發(fā)明的技術(shù)思想主要來源于1、從耐火磚分段獨(dú)立支撐角度耐火襯里新形式的氣流床煤氣化爐，在高溫高壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)時(shí)，耐火襯里在高溫下發(fā)生熱膨脹。對于處理規(guī)模較大的煤氣化爐，采用傳統(tǒng)的耐火襯里形式，其耐火磚的預(yù)留膨脹空間不易控制，給生產(chǎn)和設(shè)備安全帶來一定隱患。如果預(yù)留尺寸過大，則容易導(dǎo)致高溫氣體串入耐火襯里之間的縫隙，導(dǎo)致氣化爐金屬外殼局部超溫，如果預(yù)留膨脹尺寸偏小，則容易導(dǎo)致耐火襯里與氣化爐金屬外殼之間，或者耐火襯里之間發(fā)生擠壓，產(chǎn)生局部應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致局部耐火磚脫落。采用分段支撐的方式，則可以在合理的空間范圍內(nèi)，將耐火磚進(jìn)行分割，每間隔1.5m到3m范圍內(nèi)，將耐火襯里分段，各段內(nèi)的耐火襯里獨(dú)立自由膨脹。由于總尺寸范圍固定，因此，易于估計(jì)耐火磚的總膨脹量，從而合理地預(yù)留膨脹空間。另外，由于高溫氣流及熔渣的影響，向火面耐火磚不可避免地要受到侵蝕、沖刷，需要定期進(jìn)行更換。而不同部位的向火面耐火磚，其侵蝕沖刷程度不盡相同。采用分段支撐，則有可能對向火面襯里進(jìn)行分段更換，從而降低耐火磚的消耗。通過這種特殊的支撐方式，取消了傳統(tǒng)的采用中間層耐火襯里支撐頂部耐火襯里的方式，節(jié)約了耐火襯里的用量，并且增大了有效的爐膛空間或者減小了氣化爐金屬外殼直徑。2、從氣化爐內(nèi)空間利用角度氣流床氣化爐是在高溫高壓下進(jìn)行操作，氣化壓力2.88.IMPa，氣化爐金屬外殼以SA387型鉻鉬鋼為主，耐火襯里布置在金屬外殼內(nèi)，氣化反應(yīng)在耐火襯里之內(nèi)的空間進(jìn)行，爐膛內(nèi)空間的代價(jià)是高昂的。對于金屬外殼內(nèi)徑為3.4m的氣化爐而言，采用傳統(tǒng)形式的耐火磚結(jié)構(gòu)和布置形式，爐膛內(nèi)空間直徑只有約2.2m，爐膛內(nèi)空間占金屬殼內(nèi)部空間的40%，耐火磚占據(jù)金屬殼內(nèi)部空間的60%，其中，背襯磚占據(jù)了爐膛內(nèi)空間的20%。因此，優(yōu)化耐火磚結(jié)構(gòu)形式，對于提高氣化爐的有效空間潛力巨大。3、從隔熱保溫的角度根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，對于采用多層隔熱材料進(jìn)行隔熱保溫的過程，是熱阻最大處起主要的隔熱作用。傳統(tǒng)的熱壁型氣流床氣化爐，采用三層耐火磚型式，隔熱磚、背襯磚和向火面磚的導(dǎo)熱系數(shù)分別約為0.8ff/(m*K)、4.Off/(m*K)和4.2ff/(m*K)，背襯磚和向火面磚的導(dǎo)熱系數(shù)相差無幾，而隔熱磚的導(dǎo)熱系數(shù)只有背襯磚和向火面磚的1/5左右，因此，對氣化爐隔熱起主要作用的是隔熱磚。以爐膛內(nèi)壁溫度1350°C的氣流床氣化爐為例，采用傳統(tǒng)形式的耐火磚方式，隔熱磚、背襯磚和向火面磚的厚度分別為110mm，200mm,228mm,其耐火磚及金屬外壁溫度分布如圖3所示。由圖3可見，隔熱磚厚度雖然只有背襯磚和向火面磚的一半，但其內(nèi)部溫差約為其余兩層的5倍。4、從抵抗熔渣侵蝕角度對于氣流床煤氣化爐，煤中灰分在氣化爐內(nèi)為熔融狀態(tài)，熔融態(tài)的灰渣對于耐火材料會產(chǎn)生溶解、滲透和沖刷。經(jīng)過長期的研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，氧化鉻對于抵抗熔融灰渣的滲透和侵蝕具有良好的抵抗抑制作用。但是，由于氧化鉻成分不易燒結(jié)致密，氣孔率較高，因此加入氧化鋁成分；為了提高氧化鉻材料的熱穩(wěn)定性，又加入氧化鋯成分。因此，向火面磚的主要成分為氧化鉻、氧化鋁和氧化鉻。傳統(tǒng)的氣流床煤氣化爐的背襯磚采用的材料以剛玉磚為主，這與渣油氣化爐的向火面磚成分類似，其本身抵抗熔融煤渣的侵蝕能力較弱。因此，抵抗熔渣侵蝕完全是依靠向火面磚?；谝陨蠋c(diǎn)理由，本發(fā)明提出分段支撐的雙層耐火磚形式的熱壁型氣流床煤氣化爐。從耐火磚的隔熱保溫角度而言，按照上文所述的氣化工況，氣化爐內(nèi)溫度為1350°C，隔熱磚厚度150mm，向火面磚厚度228mm，無背襯磚。耐火磚溫度分布圖2所示。對比兩種形式耐火磚的溫度分布可見，在取消掉向火面磚后，適當(dāng)增加隔熱層磚厚度(本例中，隔熱磚厚度增加40mm)，即可達(dá)到與三層耐火磚相同的保溫隔熱效果。如前所述，背襯磚的主要功能是支撐穹頂耐火磚。本發(fā)明采用托磚架形式的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對于穹頂耐火磚的支撐。所謂托磚架，是固定在氣化爐金屬內(nèi)壁的環(huán)形金屬托架。在托磚架附近，需要對耐火磚和伸縮料進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，既要保證耐火磚有適當(dāng)?shù)臒崤蛎浛臻g，又保證爐膛內(nèi)高溫氣體和熔渣不會竄入耐火磚，也要避免高溫氣體直接接觸到金屬托架，否則金屬托架將達(dá)到較高的溫度，影響其強(qiáng)度性能。托磚架部分的結(jié)構(gòu)參見附圖2。本發(fā)明的氣化爐的結(jié)構(gòu)參見附圖1、附圖2。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的耐火襯里支撐結(jié)構(gòu)和特殊的耐火襯里支撐方式，通過固定在反應(yīng)器壁面的支撐架2，分段支撐隔熱層耐火襯里3和向火面耐火襯里4，取消傳統(tǒng)爐型的中間層-即背襯磚，這樣既節(jié)省了耐火材料的消耗，又可以減少爐內(nèi)空間的浪費(fèi)。另外，采用分段支撐后，有利于耐火襯里的分段替換，為氣化爐的生產(chǎn)管理帶來便利并節(jié)約耐火材料的消耗。分段的隔熱襯里直接架設(shè)在支撐架上。支撐架以下部分，與下部的隔熱襯里之間填充伸縮性耐火纖維，纖維層厚度350mm(含預(yù)留的膨脹空間115mm)，防止下部隔熱襯里在受熱膨脹后擠壓支撐架。在超出支撐架邊緣部分，下部的向火面襯里與上部的向火面襯里之間采用階梯狀配合，在豎直方向的階梯配合之間，設(shè)置伸縮性耐火纖維(9)，纖維層厚度350mm(含預(yù)留的膨脹空間115mm)，以避免下部的向火面襯里在受熱膨脹后擠壓上部的向火面襯里，并且防止高溫熔渣和氣體侵入。為了最大程度保證金屬支撐架不致超溫，并且防止支撐架周圍的金屬外殼超溫，在固定支撐架的相應(yīng)位置，在氣化爐金屬外殼外壁設(shè)置翅片型散熱片，翅片沿金屬外殼外緣在同一水平面上均勻布置。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是托磚架部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是傳統(tǒng)形式耐火磚及金屬外壁溫度分布圖；圖4是本發(fā)明的耐火磚外壁溫度分布圖。符號說明1氣化爐金屬外殼；2支撐架；3隔熱磚(隔熱層耐火襯里)；4向火面磚(向火面耐火襯里)；5工藝燒嘴口；6預(yù)熱燒嘴口或工藝燒嘴口；7托磚架上向火面耐火磚；8托磚架下向火面耐火磚；9、10、12收縮層(耐火纖維)；11散熱翅片。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(中國專利ZL98110616.1)，燃燒室金屬外殼內(nèi)徑3.4m，氣化操作壓力6.5MPa，對比傳統(tǒng)耐火襯里結(jié)構(gòu)與采用本發(fā)明耐火襯里結(jié)構(gòu)，區(qū)別如下所述。若采用傳統(tǒng)耐火襯里結(jié)構(gòu)，直筒段耐火襯里主要分為三層，分別為隔熱磚、背襯磚和向火面磚。三層磚的厚度、材質(zhì)及導(dǎo)熱系數(shù)見表1表1傳統(tǒng)耐火襯里結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)(Φ3400)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>采用表1所示的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的耐火襯里，氣化爐爐膛內(nèi)徑為2282mm，爐膛內(nèi)空間占金屬外殼內(nèi)空間的45%，采用以神府煤為原料，以水煤漿形式進(jìn)料，則該氣化爐的處理能力大約為1600噸煤/天。如圖1和圖2所示，采用本發(fā)明技術(shù)，直筒段耐火襯里主要設(shè)置兩層，分別為隔熱磚3和向火面磚4。兩層磚的厚度、材質(zhì)及導(dǎo)熱系數(shù)見表2表2采用本發(fā)明設(shè)計(jì)襯里結(jié)構(gòu)形式的主要參數(shù)(Φ3400)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在氣化爐金屬外殼1的內(nèi)部，設(shè)置三層托磚架，其中最上層托磚架位于工藝燒嘴管口5的中心線以上1.52米處，中間層托磚架位于工藝燒嘴管口5的中心線以下11.5米處，最下層托磚架位于中間層托磚架以下23米處。每層托磚架下方設(shè)置的收縮層10的厚度為2050mm，向火面襯里臺階連接處的收縮層9的厚度為1030mm，縱向收縮層12的厚度為1030mm。每層向火面磚4由托磚架上向火面耐火磚7和托磚架下向火面耐火磚8組成，形成階梯狀配合。在氣化爐金屬外殼1的側(cè)面設(shè)置有工藝燒嘴口5，在氣化爐金屬外殼1的頂部設(shè)置有預(yù)熱燒嘴口或工藝燒嘴口6。采用表2所示結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的耐火襯里，在同樣的金屬外殼內(nèi)徑下，氣化爐爐膛內(nèi)徑達(dá)到2632mm，爐膛內(nèi)空間占金屬外殼內(nèi)空間62%，采用以神府煤為原料，以水煤漿形式進(jìn)料，則該氣化爐的處理能力達(dá)到2000噸煤/天。實(shí)施例2多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(中國專利ZL98110616.1)，燃燒室金屬外殼內(nèi)徑3.8m，氣化操作壓力4.OMPa，對比傳統(tǒng)耐火襯里結(jié)構(gòu)與采用本發(fā)明耐火襯里結(jié)構(gòu)，區(qū)別如下所述。若采用傳統(tǒng)耐火襯里結(jié)構(gòu)，直筒段耐火襯里主要分為三層，分別為隔熱磚、背襯磚和向火面磚。三層磚的厚度、材質(zhì)及導(dǎo)熱系數(shù)見表3:表3采用傳統(tǒng)襯里結(jié)構(gòu)形式的主要參數(shù)(Φ3800)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>采用表3結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的耐火襯里，氣化爐爐膛內(nèi)徑為2.8m，爐膛內(nèi)空間占金屬外殼內(nèi)空間54%，采用以神府煤為原料，以水煤漿形式進(jìn)料，則該氣化爐的處理能力大約為2000噸煤/天。采用本發(fā)明技術(shù)，直筒段耐火襯里主要設(shè)置兩層，分別為隔熱磚和向火面磚。兩層磚的厚度、材質(zhì)及導(dǎo)熱系數(shù)見表4:表4采用本發(fā)明設(shè)計(jì)襯里結(jié)構(gòu)形式的主要參數(shù)(Φ3800)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在氣化爐金屬外殼1的內(nèi)部設(shè)置三層托磚架，其中最上層托磚架位于工藝燒嘴管口5的中心線以上1.72.5米處，中間層托磚架位于工藝燒嘴管口5的中心線以下1.21.7米處，最下層托磚架位于中間層托磚架以下23米處。每層托磚架下方設(shè)置的收縮層10的厚度為2050mm，向火面襯里臺階連接處的收縮層9的厚度為1030mm，縱向收縮層12的厚度為1535mm。其他部分同實(shí)施例1。采用表5中結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的耐火襯里，在同樣的金屬外殼內(nèi)徑下，氣化爐爐膛內(nèi)徑達(dá)到3m，爐膛內(nèi)空間占金屬外殼內(nèi)空間62%，采用以神府煤為原料，以水煤漿形式進(jìn)料，則該氣化爐的處理能力達(dá)到2300噸煤/天。由此可見，采用本發(fā)明的耐火襯里結(jié)構(gòu)形式，可大大提高氣化爐處理負(fù)荷，減少耐火襯里的用量，經(jīng)濟(jì)效益可觀。與所述支撐架相對應(yīng)部位的反應(yīng)器外壁，還可以設(shè)置用于散熱的翅片結(jié)構(gòu)11。權(quán)利要求一種分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括向火面耐火襯里、隔熱層耐火襯里，以及用于吸收膨脹量的收縮層，所述向火面耐火襯里和所述隔熱層耐火襯里分段地由固定在反應(yīng)器金屬外殼壁面上的支撐架所支撐。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述向火面耐火襯里由氧化鉻含量在85%以上的耐火磚組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔熱層耐火襯里由氧化鋁含量在95%以上的耐火磚組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述收縮層的材質(zhì)為耐火纖維，或者是以耐火纖維為主要成分的耐火水泥；所述收縮層的厚度為350mm，包括預(yù)留的膨脹空間115mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐架為金屬材質(zhì)，通過焊接或者螺栓連接的方式，固定在反應(yīng)器金屬內(nèi)壁上。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐架在反應(yīng)器內(nèi)水平地設(shè)置2層以上，相鄰層的所述支撐架的間隔在1.53米之間。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐架在反應(yīng)器內(nèi)水平地設(shè)置設(shè)置24層。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐架不直接暴露于爐膛，而是內(nèi)縮在向火面襯里之后。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述氣化爐襯里結(jié)構(gòu)，其特征在于，與所述支撐架相對應(yīng)部位的反應(yīng)器外壁，設(shè)置有用于散熱的翅片結(jié)構(gòu)。10.一種氣化爐，其特征在于，具有權(quán)利要求19任一所述的分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)。全文摘要本發(fā)明涉及一種分段固定支撐的氣化爐襯里結(jié)構(gòu)及其氣化爐。襯里主要包含向火面耐火襯里(4)、隔熱層耐火襯里(3)和用于吸收縱向膨脹量的收縮層(9，10)以及用于吸收徑向膨脹量的收縮層(12)。并且，設(shè)計(jì)了特殊的固定支撐架(2)，將氣化爐耐火襯里分段支撐，通過這種特殊的支撐方式，取消了傳統(tǒng)的采用中間層耐火襯里支撐頂部耐火襯里的方式，節(jié)約了耐火襯里的用量，并且增大了有效的爐膛空間或者減小了氣化爐金屬外殼直徑。在固定支撐架(2)相應(yīng)位置，在氣化爐金屬殼設(shè)置一圈散熱翅片(11)。文檔編號C10J3/56GK101805639SQ20091019590公開日2010年8月18日申請日期2009年9月18日優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日發(fā)明者于廣鎖,代正華,劉海峰,周志杰,李偉鋒,梁欽鋒,王亦飛,王興軍,王輔臣,許建良,郭慶華,陳雪莉,龔欣申請人:華東理工大學(xué)