E-gas 氣化反應器襯里結構的有限元分析和優化

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.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，河南 洛陽 471039)

0 引言

E-gas 煤氣化技術采用兩段水煤漿進料設計，在氣化反應器內進行部分氧化反應的工藝過程，操作溫度在1300～1450℃，內襯有高溫耐火磚[1-2]。中海油惠州煉化二期煤氣化制氫聯合裝置采用了E-gas 氣化專利技術[3]。E-gas 屬于國內首套引進，反應器內襯結構的設計及其在運行工況條件下的效果對其實現長效運行起到了關鍵性作用，因此采用有限元分析軟件對氣化反應器內襯溫度分布場進行建模分析，為煤制氫裝置氣化反應器的襯里結構優化設計提供了參考和依據。

1 氣化反應器的結構

E-GAS 氣化反應器剖面類似一個十字結構，外部為鋼制殼體，內襯耐火材料。氣化反應器下部是一段氣化反應器，水平方向，兩側各有一個進料燒嘴。反應器上部是二段，是一個垂直的，內襯耐火磚的殼體。耐火襯里結構同常規水煤漿氣化爐，分為可壓縮，隔熱、支撐和向火面構成的多層結構。豎直方向上，考慮殼體高度較大，設置兩處托磚板，對襯里結構進行分割。根據反應器內的運行工況和不同區域耐火材料承擔的功用，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，采用高溫化學溫度性、高抗蠕變強度和抗熱震的高鉻材料；背襯磚作為支撐內襯結構，大多采用鉻鋼玉磚；隔熱層主要起隔熱保溫效果，選擇輕質保溫磚材料，同時纖維材料有一定的可壓縮性，能減少熱應力對殼體的沖擊。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

圖1 爐殼A點到B點的外壁溫度

對E-gas 氣化反應器的溫度分布進行研究，建立氣化反應器的溫度分布場模型。按照金屬殼體、支撐板及各層材料的結構選擇對應的單元模塊，根據不同材料的特性，賦予各自的性能屬性。

2.2 材料的性能數據

表1 分別列出了反應器涉及各種耐火材料的導熱系數。

表1 耐火材料的導熱系數

3 模擬結果與優化

3.1 溫度場模擬結果

利用軟件計算出來的氣化反應器溫度場分布，反應器內不同區域溫度不同，對應的溫度場顏色也不同。整個氣化反應器爐殼分為三個區域，封頭、水平部分、豎直部分。通過軟件將三個部分的爐壁溫度進行逐點采集，封頭部分(A →B)，水平部分(B →C)，豎直部分(C →D)。爐殼A 點到B 點的外壁溫度如圖1 所示，各處的溫度都小于200℃，其中燒嘴位置A 點溫度接近200℃，靠近B 點處，溫度略微降低；爐殼B 點到C 點的外壁溫度如圖2 所示，各處的溫度都小于200℃，其中靠近B 點的位置，絕大部分的溫度為160℃左右，靠近C 點時，溫度接近200℃；爐殼D 點到C 點的外壁溫度如圖3 所示，絕大部分的溫度小于200℃，自D 點向下，耐火材料的厚度逐漸加厚，爐壁溫度由200℃逐漸向160℃平穩過渡。在D 點和C 點的中部和靠近C 點有兩個部位出現溫度凸點，溫度達到290℃左右，其中DC 點中部為單點溫度偏高，靠近C 點處溫度偏高區域較大。

圖2 爐殼B點到C點的外壁溫度

圖3 爐殼D點到C點的外壁溫度

3.2 溫度異常處結構分析

對氣化反應器豎直部分出現溫度異常的兩處托磚板處的結構進行分析，圖4 為原始托磚板的結構。S1 托磚板圖中，結構設計存在的問題如下：托磚板的尺寸過長，已經接近耐火襯里厚度的1/2；該位置屬于高溫區，熱面磚的尺寸過于薄，不利于隔熱和抗沖刷侵蝕；托磚板上方設置熱面磚和背襯磚，可能考慮承壓穩定性而沒有設置輕質保溫磚；耐火磚的斜式結構和豎直筒體相交界，結構中出現了兩處小三角區，兩處三角區的體積較小，不易容易進行施工切割，影響施工質量。S2 托磚板圖中，托磚板上方設置重質背襯磚，背襯磚熱端直接抵住熱面磚，相對于其他帶有輕質保溫磚的部位，屬于薄弱環節。

圖4 原始托磚板結構

3.3 結構的優化改進

圖5 改版后S1托磚板結構和模擬結果

圖5 為改后的S1 托磚板結構和模擬結果。S1 托磚板處有了較大幅度的結構調整：消減了托磚板的長度，同時又增加了一層熱面磚，使得托磚板的長度與襯里材料的比例降低為1/3，熱面磚的增加同時理論上也會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；加厚了兩個三角區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爐體進行隔熱保溫；將原來需要切磚的兩個三角區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，有利于結構的保溫性和穩定性。對該區域進行有限元建模分析，結果顯示：托磚板外壁的溫度降低至202℃，托磚板上方兩個三角區中間外壁的溫度由290℃左右降低至228℃。

圖6 為改后的S2 托磚板結構和模擬結果。S2 托磚板處進行了材質和結構的調整：將重質背襯材料改為有一定強度的輕質保溫材料；該輕質保溫材料的熱端、冷端和上部進行纖維材料的包裹；增加了托磚板處纖維材料的包裹。對該區域進行有限元建模分析，結果顯示：由于大尺寸的材質更換，該處調整后的溫度變化相對較大，托磚板外壁的溫度由原來的270℃降低至192℃。

圖6 改版后的S2托磚板結構和模擬結果

4 結語

(1)通過有限元分析軟件對E-gas 氣化反應器各區的溫度分布進行建模分析，大部分殼體表面溫度在200℃以下，是一個合適的溫度區間，但是仍有兩處變徑導致的三角區域溫度偏高，約300℃。

(2)通過對設計圖紙中的襯里結構進行分析，托磚板的尺寸大小，托磚板處纖維材料的設置，耐火磚的結構設置進行分析，提出優化建議。

(3)對專利商優化后的襯里結構再次進行溫度模擬，結果顯示兩處托磚板的溫度得到有效地改善。