Трубчатая установка риформинга с переменной толщиной стенок и соответствующий способ получения - RU2542959C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится в целом к реактору риформинга, который применяется для риформинга газа, например, в процессе прямого восстановления (DR). Более конкретно, настоящее изобретение относится к трубчатой установке риформинга с переменной толщиной стены. Факультативно, трубчатая установка риформинга изготовлена из нового металлургического сплава.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способы получения конвертированных газов разного типа широко используются во всем мире и имеют особое применение в связи с установками для получения железа прямого восстановления (DRI). В DR-процессе риформер применяется для конверсии природного газа (CH₄) окислителями CO₂ и H₂O из рециркулирующего технологического газа, получаемого в восстановительной печи, называемой также, например, шахтной печью. Восстановители CO и H₂ образуются в реакции риформинга и используются затем при повышенной температуре для восстановления оксида железа (Fe₂O₃), т.е. железной руды в металлическое железо (Fe) в восстановительной печи. Затем металлическое железо обрабатывают с получением различных сортов стали для получения конечных продуктов.

Этот DR-способ проиллюстрирован в общих чертах на фиг.1 и включает три основных этапа: восстановление, риформинг и рекуперацию тепла. На стадии восстановления оксид железа, в форме гранул или кусковой формы, вводят сверху восстановительной печи 10 через дозирующий бункер 12. По мере опускания оксида железа в восстановительной печи 10 под действием силы тяжести он нагревается, и из железа удаляется кислород, т.е. оксид железа восстанавливается противоточным потоком газов, которые имеют высокое содержание восстановителей CO и H₂. Эти газы реагируют с Fe₂O₃ в железной руде и превращают ее в металлическое железо, оставляя окислители CO₂ и H₂O. Соответственно, восстановительная печь 10 имеет три разных зоны, в которых протекает процесс DR: зону восстановления, переходную зону и зону охлаждения. Для получения холодного DRI металлическое железо охлаждают и науглероживают посредством противоточно текущих охлаждающих газов в нижней части восстановительной печи 10. DRI можно также выгружать горячим и подавать на брикетировочную машину для получения горячебрикетированного железа (HBI) или подавать горячим как горячее железо прямого восстановления (HDRI) сразу в электродуговую печь (EAF), и т.д.

На этапе риформинга, чтобы максимально повысить эффективность риформинга, рециркулирующий технологический газ из восстановительной печи 10 смешивают со свежим природным газом и подают в риформер 14, причем печь с огнеупорной футеровкой включает одну или более трубчатых установок риформинга 16 из металлургического сплава, наполненных катализатором, например никелевым или алюмоникелевым. Газ нагревается и конвертируется при прохождении через трубчатые установки риформинга 16. Новый конвертированный газ, содержащий 90-92% CO и H₂, подают затем горячим прямо в восстановительную печь 10 как восстановительный газ.

На этапе рекуперации тепла тепловой кпд риформера 14 максимальный. Тепло отбирается из дымовых газов риформера и используется для предварительного нагрева подаваемой в риформер газовой смеси, воздуха для горения в горелках и подачи природного газа. Факультативно, подогреваются также дымовые газы риформера.

Так как присутствие окислителей в конвертированном газе затрудняло бы реакцию восстановления, подаваемая в риформер газовая смесь должна содержать достаточно окислителей, чтобы реагировать с природным газом, плюс достаточный избыток окислителей, чтобы защитить катализатор. Это называется стехиометрическим риформингом. Отношение восстановителя к окислителю в газе риформинга типично составляет примерно 11 к 1. Реакция риформинга является эндотермической. Таким образом, для реакции необходим подвод тепла. Реакция риформинга имеет место в присутствии катализатора, чтобы повысить скорость реакции. Так как одним из окислителей является CO₂, риформер 14 должен работать при более высоких температурах, чем обычные реакторы парового риформинга.

Обычные трубчатые установки риформинга 16 делают из различных металлургических сплавов, чтобы отвечать техническим нормам на проектирование, что дает срок службы 7-10 лет при контролируемых рабочих температурах. Например, комплект сменных труб 16 может стоить свыше 10 млн долларов, что означает значительные расходы для владельцев установки DRI. Таким образом, было бы выгодно, если трубы 16 могли работать при применяемых уровнях температуры в течение более длительного времени. Аналогично, было бы выгодным, если трубы 16 могли работать при повышенных уровнях температуры в течение того же периода времени. Оба случая привели бы к повышению производительности риформера 14, тем самым обеспечивая повышение производительности установки DRI и, в конечном счете, прибыли.

Большинство традиционных труб 16 со временем разрушаются в их верхней секции, около крыши риформера. Эта локализованная секция постепенно оползает и увеличивается в диаметре, образуя выпучивание. Это зона нежелательной деформации и утончения стенок. Обычные подходы к решению этой проблемы включают увеличение толщины стены всей трубы 16, что приводит к повышению полного веса, менее эффективному теплопереносу, проблемам с опорами и повышенное побочное растягивание труб, а это в совокупности дает значительные дополнительные расходы. Решение этой проблемы необходимо, но не было найдено специалистами среднего уровня.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В различных иллюстративных вариантах осуществления настоящее изобретение обеспечивает трубчатую установку риформинга, имеющую переменную толщину стены и сделанную из нового металлургического сплава. Эта комбинация конструкции и материала приводит в результате к более продолжительной работе при текущих требованиях к температуре или к равной продолжительности работы в условиях повышенных температур. Толщина стены увеличена только в локальных секциях трубчатой установки риформинга, где требуется сопротивление деформации. Обеспечиваются переходы к обычным толщинам, являющиеся постепенными, так что напряжения минимизированы по сравнению со сварными соединениями. Ожидается, что срок службы труб будет увеличен на 4-6 лет или что можно будет соответственно повысить температуры труб и суммарную производительность процесса DR.

В одном иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение дает трубчатую установку риформинга, содержащую: аксиально выровненную трубчатую конструкцию; причем аксиально выровненная трубчатая конструкция включает первый участок, имеющий первую толщину стены; причем аксиально выровненная трубчатая конструкция включает второй участок, имеющий вторую толщину стены; и причем аксиально выровненная трубчатая конструкция включает третий участок, имеющий переходную толщину стены, который соединяет первый участок со вторым участком. Кроме того, аксиально выровненная трубчатая конструкция содержит фланцевую секцию, причем фланцевая секция включает концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части. Аксиально выровненная трубчатая конструкция включает, кроме того, верхнюю секцию, причем первый участок и второй участок аксиально выровненной трубчатой конструкции являются частями верхней секции. Кроме того, аксиально выровненная трубчатая конструкция включает среднюю секцию. Аксиально выровненная трубчатая конструкция включает, кроме того, нижнюю секцию. Нижняя секция трубчатой конструкции содержит множество концентрических клиновидных структур, расположенных по ее внутренней части. Нижняя секция трубчатой конструкции имеет также углубление, идущее вдоль ее наружной части. Аксиально выровненная трубчатая конструкция содержит, кроме того, вспомогательную фланцевую секцию, причем вспомогательная фланцевая секция включает концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части. Факультативно трубчатая установка риформинга размещена в риформере, применяемом в процессе прямого восстановления.

В другом иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение дает трубчатую установку риформинга, содержащую: аксиально выровненную трубчатую конструкцию, включающую фланцевую секцию, верхнюю секцию, среднюю секцию и нижнюю секцию; причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции включает первый участок, имеющий первую толщину стены; причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции включает второй участок, имеющий вторую толщину стены; и причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции включает третий участок, имеющий переходную толщину стены, который соединяет первый участок со вторым участком. Фланцевая секция включает концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части. Факультативно первая толщина стены больше, чем вторая толщина стены. Нижняя секция трубчатой конструкции включает множество концентрических клиновидных структур, расположенных по ее внутренней части. Нижняя секция трубчатой конструкции также имеет углубление, идущее вдоль ее наружной части. Аксиально выровненная трубчатая конструкция включает, кроме того, вспомогательную фланцевую секцию, соединенную с фланцевой секцией, причем вспомогательная фланцевая секция содержит концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части. Факультативно трубчатая установка риформинга размещена в риформере, применяющемся в процессе прямого восстановления.

В следующем иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение дает способ получения трубчатой установки риформинга, включающий в себя: получение аксиально выровненной трубчатой конструкции, содержащей фланцевую секцию, верхнюю секцию, среднюю секцию и нижнюю секцию; причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции содержит первый участок, имеющий первую толщину стены; причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции содержит второй участок, имеющий вторую толщину стены; и причем верхняя секция аксиально выровненной трубчатой конструкции содержит третий участок, имеющий переходную толщину стены, который соединяет первый участок со вторым участком. Фланцевая секция включает концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части. Факультативно, первая толщина стены больше, чем вторая толщина стены. Нижняя секция трубчатой конструкции имеет множество концентрических клиновидных структур, расположенных по ее внутренней части. Нижняя секция трубчатой конструкции также имеет углубление, идущее вдоль ее наружной части. Аксиально выровненная трубчатая конструкция включает, кроме того, вспомогательную фланцевую секцию, соединенную с фланцевой секцией, причем вспомогательная фланцевая секция включает концентрический фланец, расположенный вокруг ее верхней части.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение проиллюстрировано и описано здесь с обращением к различным чертежам, на которых одинаковые позиции используются для обозначения соответствующих сходных деталей устройства/технологических этапов и на которых:

фиг.1 является схематическим представлением, показывающим один иллюстративный вариант осуществления процесса DR, в котором может применяться трубчатая установка риформинга по настоящему изобретению;

фиг.2 является схематическим представлением, показывающим один иллюстративный вариант осуществления риформера, в котором может использоваться трубчатая установка риформинга по настоящему изобретению, и

фиг.3 является видом сбоку в разрезе, показывающим один иллюстративный вариант осуществления трубчатой установки риформинга по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно фиг.2 в риформере 14, чтобы максимально повысить эффективность риформинга, рециркулирующий технологический газ из восстановительной печи 10 (фиг.1) смешивается со свежим природным газом и подается в риформер 14 как конвертированный сырьевой газ 18. Риформер 14 включает футерованную огнеупорами печь 20, содержащую одну или несколько трубчатых установок 16 риформинга из металлургического сплава, наполненных катализатором 22. Огнеупорный материал 24 содержит, например, защитное покрытие из керамического волокна. В проиллюстрированном варианте осуществления показаны две трубчатые установки 16 риформинга, однако, специалистам среднего уровня в данной области должно быть очевидным, что может использоваться любое число трубчатых установок 16 риформинга. В риформере 14 сырьевой газ 18 риформинга нагревается и конвертируется по мере прохождения через трубчатую установку 16 риформинга. Затем новый конвертированный газ, содержащий 90-92% CO и H₂, вводится горячим напрямую в восстановительную печь 10 как восстановительный газ 26.

Далее, на стадии восстановления сверху восстановительной печи 10 через дозирующий бункер 12 (фиг.1) вводится оксид железа в форме гранул или кусковой форме. По мере опускания оксида железа по восстановительной печи 10 под действием силы тяжести он нагревается, и из железа удаляется кислород, т.е. оксид железа восстанавливается текущими в противотоке газами, которые имеют высокие содержания восстановителей CO и H₂. Эти газы реагируют с Fe₂O₃ в железной руде и превращают его в металлическое железо, оставляя окислители CO₂ и H₂O. Соответственно, восстановительная печь 10 имеет три разных зоны, в которых протекает процесс DR: зону восстановления, переходную зону и зону охлаждения. Для получения холодного DRI металлическое железо охлаждают и науглероживают с помощью текущих в противотоке охлаждающих газов в нижней части восстановительной печи 10. DRI можно также выгружать горячим и подавать на брикетировочную машину для получения HBI или подавать горячим как HDRI сразу в электродуговую печь, и т.д.

В частности, согласно фиг.3 в одном иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения каждая трубчатая установка 16 риформинга включает обычно аксиально выровненную трубчатую конструкцию 28, содержащую множество компонентов. Эти компоненты включают фланцевую секцию 30, верхнюю секцию 32, среднюю секцию 34 и нижнюю секцию 36. С фланцевой секцией 30 соединяется вспомогательная фланцевая секция 38. Ниже каждый из компонентов описан подробнее. Как используется здесь, термин "трубчатый" относится обычно к поперечному сечению в целом круглой формы, хотя допустимы также другие формы сечения.

Фланцевая секция 30 включает трубчатую конструкцию 40, имеющую внутренний диаметр примерно 260-300 мм, наружный диаметр примерно 290-330 мм, толщину стены примерно 12-15 мм и полную длину примерно 90 мм, хотя можно использовать другие подходящие размеры. Фланцевая секция 30 может быть сделана из сплава HP-MA, жаропрочного сплава, включающего Cr, Ni и Fe плюс другие элементы, характерные для семейства суперсплавов, или из другого нового материала, и ее поверхности предпочтительно обработаны дробеструйной очисткой или подобным, чтобы удалить посторонние вещества. Выступающий наружу концентрический фланец 42 расположен вокруг верхней части фланцевой секции 30 и имеет наружный диаметр примерно 432 мм и толщину примерно 16 мм.

Верхняя секция 32 включает трубчатую конструкцию 44, имеющую внутренний диаметр примерно 260-300 мм, переменный наружный диаметр и полную длину примерно 3500 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. В частности, трубчатая конструкция 44 верхней секции 32 включает участок 46 постоянной толщины, имеющий наружный диаметр примерно 290-330 мм, толщину стены примерно 12-15 мм и полную длину примерно 2000 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. Трубчатая конструкция 44 верхней секции 32 включает также участок 48 переменной толщины, наружный диаметр которого постепенно конически сужается с примерно 290-330 мм до примерно 280-320 мм сверху вниз, а толщина стены постепенно уменьшается с примерно 15 мм до примерно 10 мм сверху вниз, и полная длина составляет примерно 1500 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. Верхняя секция 32 может быть сделана из сплава HV, жаропрочного сплава, содержащего Cr, Ni и Fe плюс другие элементы, характерные для семейства суперсплавов, или из другого нового материала, и ее поверхности предпочтительно обработаны дробеструйной очисткой или подобным для удаления посторонних веществ. Следует отметить, что любые подходящие конически сужающиеся сечения (и любое подходящее их число) может быть введено в верхнюю секцию 32 или любую другую секцию трубчатой установки риформинга 16, хотя предпочтителен гладкий переход диаметров (наружного и/или внутреннего), чтобы минимизировать напряжения в материале. Верхняя секция 32 соединена с фланцевой секцией 30 сварным соединением 50 или другим подходящим механизмом крепления.

Средняя секция 34 содержит трубчатую конструкцию 52, имеющую внутренний диаметр примерно 260-300 мм, наружный диаметр примерно 280-320 мм, толщину стены примерно 8-10 мм и полную длину примерно 4900 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. Средняя секция 34 может быть выполнена из сплава HP-MA, жаропрочного сплава, включающего Cr, Ni и Fe плюс другие элементы, характерные для семейства суперсплавов, или из другого нового материала, и ее поверхности предпочтительно обработаны дробеструйной очисткой или подобным, чтобы удалить посторонние вещества. Средняя секция 34 соединяется с верхней секцией 32 сварным соединением 50, причем такое сварное соединение 50 выполнено с надлежащим J-образным скосом сварного шва и произведено с использованием присадочного материала из совместимого сплава, или соединение получено другим подходящим механизмом крепления.

Нижняя секция 36 включает трубчатую конструкцию 54, имеющую внутренний диаметр примерно 260-300 мм, наружный диаметр (который может быть переменным/конически сужающимся) примерно 280-320 мм, толщину стены (которая может быть переменной/конически сужающейся) примерно 8-10 мм и полную длину примерно 1060 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. Нижняя секция 36 может быть сделана из сплава HK-MA, жаропрочного сплава, включающего Cr, Ni и Fe плюс другие элементы, характерные для семейства суперсплавов, или из другого нового материала, и ее поверхности предпочтительно обработаны дробеструйной очисткой или подобным, чтобы удалить посторонние вещества. Нижняя секция 36 соединяется со средней секцией 34 сварным соединением 50, причем такое сварное соединение 50 выполнено с надлежащим J-образным скосом сварного шва или прямым V-образным швом со скосом кромок и произведено с использованием присадочного материала из совместимого сплава, или соединение получено другим подходящим механизмом крепления. Кроме того, множество клиновидных структур 56 из никелевого сплава или подобных структур расположены концентрически кругом и приварены вдоль внутренней части трубчатой конструкции 54 нижней секции 36 для поддержки внутренней опорной пластины катализатора (не показана). Аналогично, канал 58 или подобное проходит концентрически кругом и сделан в наружной части трубчатой конструкции 54 нижней секции 36 для установки нижнего газонепроницаемого фланца (не показан).

Наконец, вспомогательная фланцевая секция 38 включает трубчатую конструкцию 60, имеющую внутренний диаметр примерно 394 мм, наружный диаметр примерно 406 мм, толщину стены примерно 6 мм и полную длину примерно 71 мм, хотя могут использоваться и другие подходящие размеры. Вспомогательная фланцевая секция 38 может быть сделана из углеродистой стали или другого подходящего сплава, или из другого нового материала, и ее поверхности предпочтительно обработаны дробеструйной очисткой или подобным, чтобы удалить посторонние вещества. Выступающий наружу концентрический вспомогательный фланец 62 расположен вокруг верхней части вспомогательной фланцевой секции 38 и имеет наружный диаметр примерно 485 мм и толщину примерно 6 мм. Вспомогательная фланцевая секция 38 соединена с фланцевой секцией 30 сварным соединением 50, причем такое сварное соединение 50 выполнено с надлежащим J-образным скосом сварного шва или прямым V-образным швом со скосом кромок и произведено с использованием присадочного материала из совместимого сплава, или соединение получено другим подходящим механизмом крепления. Вспомогательная фланцевая секция 38 используется для соединения системы труб риформера с коллектором конвертированного газа (не показан), например, с помощью сварки. Конечно, все компоненты трубной системы 16 риформера могут быть также сформированы как одно целое. Трубчатые компоненты и фланцы из жаропрочного сплава предпочтительно получают способом центробежного литья.

Таким образом, в различных показанных для примера вариантах осуществления настоящее изобретение дает трубчатую установку риформинга 16, имеющую переменную толщину стены и сделанную из нового металлургического сплава. Эта комбинация конструкции и материала дает в результате более продолжительную работу при текущих требованиях к температуре или равную продолжительность работы в условиях повышенной температуры. Толщина стены увеличена только в локальных секциях трубчатой установки 16 риформинга, где требуется сопротивление деформации. Обеспечиваются переходы к обычным толщинам, и они являются постепенными, так что напряжения уменьшены по сравнению со сварными соединениями. Ожидается, что трубы прослужит на 4-6 лет дольше или что можно будет соответственно повысить температуры труб и суммарную производительность процесса DR.

Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано здесь в отношении предпочтительных вариантов осуществления и их частных примеров, специалистам в данной области должно быть очевидным, что другие варианты осуществления и примеры могут выполнять близкие функции и/или достигать близких результатов. Все такие эквивалентные варианты осуществления и примеры охватываются сущностью и объемом настоящего изобретения и, тем самым, считаются предусмотренными; подразумевается, что все они охватываются следующей формулой изобретения. В этой связи настоящее описание следует рассматривать как неограничивающее и всеобъемлющее.

Реферат

Изобретение относится к трубе риформинга с переменной толщиной стен, предназначенной для риформинга газа в процессе прямого восстановления железа. Труба содержит аксиально выровненную трубчатую конструкцию, выполненную из металлического материала. Аксиально выровненная трубчатая конструкция содержит фланцевую секцию, верхнюю секцию, среднюю секцию и нижнюю секцию. Верхняя секция содержит первый участок, имеющий первую толщину стены, второй участок, имеющий вторую толщину стены и третий участок, имеющий переходную толщину стены, который соединяет первый участок со вторым участком. Причем первый участок, второй участок и третий участок имеют постоянный внутренний диаметр. Изобретение обеспечивает более продолжительную работу при текущих требованиях к температуре или равную продолжительность работы в условиях повышенных температур. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула