具有可變壁厚度的重整器管裝置和相關製造方法
2023-06-20 23:56:46 1
專利名稱：具有可變壁厚度的重整器管裝置和相關製造方法
技術領域：
本發明一般地涉及例如在直接還原(DR)工藝中用於重整氣體的重整器。更具體地，本發明涉及具有可變壁厚度的重整器管裝置。任選地，重整器管裝置由新冶金學合金製造。
背景技術：
用於製備多種類型的重整氣的工藝遍及全世界廣泛地使用，並且具有與直接還原鐵(DRI)廠相關的特殊應用。在DR工藝中，使用重整器將天然氣(CH4)用例如由還原爐，也稱為豎爐獲得的來自再循環的工藝氣的氧化劑CO2和H2O重整。在重整反應中形成還原劑CO和H2，之後將其在高溫使用以將氧化鐵(Fe2O3)，即鐵礦石在還原爐中還原為金屬鐵(Fe)。金屬鐵隨後被加工為不同的鋼等級用於製造最終產品。該DR工藝在
圖1中一般地示例，並且包括三個主要步驟:還原、重整和熱回收。在還原步驟中，將粒料或塊形式的氧化鐵在還原爐10的頂部通過配比進料鬥12引入。當氧化鐵由於重力流動穿過還 原爐10落下時，它被加熱並且氧通過具有高含量的還原劑CO和H2的對流氣體被從鐵移除，即氧化鐵被還原。這些氣體與鐵礦石中的Fe2O3反應，並且將其轉化為金屬鐵，留下氧化劑0)2和!120。因此，其中進行DR工藝的還原爐10具有三個不同的區域:還原區、轉化區和冷卻區。用於冷DRI的生產，將金屬鐵冷卻並且在還原爐10的下部中通過對流冷卻氣體滲碳。DRI也可以熱卸料，並且進料至壓塊機用於熱壓鐵(HBI)的生產，或作為熱直接還原鐵(HDRI)直接地熱進料至電弧爐(EAF)等。在重整步驟中，為了最大化重整效率，將來自還原爐10的再循環的工藝氣與新天然氣混合併進料至重整器14，即包括一個或多個填充有催化劑，如鎳或鎳氧化鋁的冶金學合金重整器管裝置16的難熔襯裡爐。氣體當通過重整器管裝置16時被加熱並重整。之後將含有90-92% CO和H2的新的重整氣作為還原氣直接地熱進料至還原爐10。在熱回收步驟中，將重整器14的熱效率最大化。將熱由重整器燃料氣回收並且用於預熱重整器進料氣混合物、燃燒器助燃空氣以及天然氣進料。任選地，將重整器燃料氣也預熱。因為重整氣中氧化劑的存在將阻礙還原反應，重整器進料氣混合物必須含有足夠的氧化劑以與天然氣反應，外加足夠過量的氧化劑以保護催化劑。這被稱為化學計量比重整。重整氣中還原劑與氧化劑比例典型地為約11比I。重整反應是吸熱的。因此，對於該反應需要熱的輸入。重整反應在催化劑的存在下發生以加快反應速率。因為氧化劑之一為CO2，重整器14必須在比傳統的蒸汽重整器更高的溫度下運行。傳統的重整器管裝置16由多種冶金學合金製造，以設計在受控的運行溫度得到7-10年的壽命的工藝規格。一組替換管16可能例如花費超過$10，000，000.00，佔據DRI工廠運營者顯著的成本。因此，將有益的是如果管16能夠在目前的溫度水平運行更長的時間期間。類似地，將有益的是如果管16能夠在升高的溫度水平運行相同的時間期間。這兩種情況都將提供重整器14的產出上的增加，從而提供DRI工廠的產出上的增加，並且，最終，提供利潤上的增加。
大部分傳統的管16最終在它們的頂段接近重整器頂部處損壞。該局部段在直徑上逐漸地變化並增大，形成「凸出部分」。這是不希望的變形和壁減薄的區域。解決該問題的傳統方式包括增加整個管16的壁厚度，從而導致總重量增加、較低效率的熱傳遞、支撐問題以及增加的附管伸長，全部導致顯著增加的成本。需要解決該問題的方法，但是該方法仍未由本領域技術人員開發出來。發明簡述在多個示例實施方案中，本發明提供一種具有可變壁厚度並且由新冶金學合金製造的重整器管裝置。該設計和材料組合結果在目前的溫度需求下運行更久，或者在增加的溫度需求下同樣地運行。壁厚度僅在其中需要耐變形性的重整器管裝置的局部段增加。設置至傳統厚度的過渡，並且所述過渡是漸進的，以使得與焊接點相比將應力最小化。預期的是可以增加4-6年的管壽命，或者管溫和整體DR工藝生產可以因此增加。在一個示例實施方案中，本發明提供一種重整器管裝置，所述重整器管裝置包括:軸向排列的管結構體；其中所述軸向排列的管結構體包括具有第一壁厚度的第一部分；其中所述軸向排列的管結構體包括具有第二壁厚度的第二部分；並且其中所述軸向排列的管結構體包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。該軸向排列的管結構體還包括凸緣段，其中所述凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。該軸向排列的管結構體還包括頂段，其中軸向排列的管結構體的所述第一部分和所述第二部分是所述頂段的一部分。該軸向排列的管結構體還包括中段。該軸向排列的管結構體還包括底段。該管結構體的所述底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。該管結構體的所述底段還包括設置在其外部周圍的凹進部。該軸向排列的管結構體還包括第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。任選地，重整器管裝置設置在直接還原工藝中使用的重整器內。在另一個示例實施方案中，本發明提供一種重整器管裝置，所述重整器管裝置包括:包括凸緣段、頂段、中段和底段的軸向排列的管結構體；其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第一壁厚度的第一部分；其中軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第二壁厚度的第二部分；並 且其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。所述凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。任選地，第一壁厚度大於第二壁厚度。所述管結構體的所述底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。所述管結構體的所述底段還包括設置在其外部周圍的凹進部。該軸向排列的管結構體還包括連接至所述凸緣段的第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。任選地，重整器管裝置設置在直接還原工藝中使用的重整器內。在進一步的示例實施方案中，本發明提供一種用於提供重整器管裝置的方法，所述方法包括:提供包括凸緣段、頂段、中段和底段的軸向排列的管結構體；其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第一壁厚度的第一部分；其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第二壁厚度的第二部分；並且其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。該凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。任選地，第一壁厚度大於第二壁厚度。管結構體的底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。管結構體的底段還包括設置在其外部周圍的凹進部。軸向排列的管結構體還包括連接至所述凸緣段的第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。附圖簡述本文參考多個附圖示例並描述本發明，其中使用相同的附圖標記適當地表示相同的裝置部件/方法步驟，並且其中:圖1是示例本發明的重整器管裝置可以採用的DR工藝的一個示例性實施方案的示意圖；圖2是示例本發明的重整器管裝置可以採用的重整器的一個示例性實施方案的示意圖；並且圖3是示例本發明的重整器管裝置的一個示例性實施方案的截面側視圖。發明詳述參考圖2，在重整器14中，為了最大化重整效率，將來自還原爐10(圖1)的再循環的工藝氣與新天然氣混合併進料至重整器14作為重整器進料氣18。重整器14包括難熔襯裡爐20，所述難熔襯裡爐20包括一個或多個填充有催化劑22的冶金學合金重整器管裝置
16。難熔材料24包括例如陶瓷纖維覆蓋物。在所示例的實施方案中，示例了兩個重整器管裝置16，然而，本領域技術人員容易明白的是，可以採用任意數目的重整器管裝置16。在重整器14中，重整器進料氣18當通過重整器管裝置16時被加熱並重整。之後將含有90-92 %CO和H2的新的重整氣直接地熱進料至還原爐10作為還原氣26。再一次，在還原步驟中，將粒料或塊形式的氧化鐵在還原爐10的頂部通過配比進料鬥12引入(圖1)。當氧化鐵由於重力流動穿過還原爐10落下時，它被加熱並且氧通過具有高含量的還原劑CO和H2的對流氣體被從鐵移除，即氧化鐵被還原。這些氣體與鐵礦石中的Fe2O3反應，並且將其轉化為金屬鐵，留下氧化劑CO2和H2O。因此，其中進行DR工藝的還原爐10具有三個不同的區域:還原區、轉化區和冷卻區。用於冷DRI的生產，將金屬鐵冷卻並且在還原爐10的下部中通過對流冷卻氣體滲碳。DRI也可以熱卸料，並且進料至壓塊機用於HBI的生產，或作為熱HDRI直接地熱進料至EAF等。具體地參考圖3，在本發明的一個示例性實施方案中，每個重整器管裝置16通常包括軸向排列的管結構體28，所述軸向排列的管結構體28包括多個部件。這些部件包括凸緣段30、頂段32、中段34和底段36。連接至凸緣段30的是第二凸緣段38。本文在下面更詳細地描述每個部件。如本文所使用的，「管」通常是指圓形截面形狀，雖然也預期到其他的截面形狀。凸緣段30包括具有約260-300mm的內徑，約290_330mm的外徑，具有約12_15mm的壁厚度，以及約90mm的總長度的管結構體40，雖然可以採用其他合適的尺寸。凸緣段30可以由HP-MA合金製造，該耐熱合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素，特徵在於屬於高溫合金家族，或者另一種新材料，並且優選將其表面噴砂清理等以移除雜質。在凸緣段30的頂部周圍設置向外突出的同心凸緣42，並且其具有約432mm的外徑和約16mm的厚度。頂段32包括具有約260-300mm的內徑，可變的外徑，以及約3500mm的總長度的管結構體44，雖然也可以採用其他合適的尺寸。詳細地，頂段32的管結構體44包括具有約290-330mm的外徑，具有約12_15mm的壁厚度，以及約2000mm的總長度的連續厚度部分46，雖然也可以採用其他合適的尺寸。頂段32的管結構體44還包括具有從頂部至底部從約290-330mm逐漸減小至約280_320mm的外徑,具有從頂部至底部從約15mm逐漸減小至約IOmm的壁厚度，以及約1500mm的總長度的可變厚度部分48，雖然也可以採用其他合適的尺寸。頂段32可以由HV合金製造，該耐熱合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素，特徵在於落入高溫合金家族的範圍內，或者是另一種新材料，並且優選將其表面噴砂清理等以移除雜質。應當注意的是可以將任意合適的漸變段(以及其任何合適的數目)結合至頂段32中，或者重整器管裝置16的任意其他段中，雖然光滑的直徑變化(外側和/或內側)是優選的，以便最小化材料中的應力。將頂段32經由焊縫50或其他合適的連接機構連接至凸緣段30。中段34包括具有約260-300mm的內徑，約280_320mm的外徑，具有約8_10mm的壁厚度，和約4900mm的總長度的管結構體52，雖然也可以採用其他合適的尺寸。中段34可以由HP-MA合金製造，該耐熱合金包括Cr、Ni和Fe外加其他元素，特徵在於在高溫合金家族的範圍內，或是另一種新材料，並且優選對其表面進行噴砂清理等以移除雜質。中段34經由焊縫50連接至頂段32，這樣的焊縫50設計有合適的「J」焊縫斜角設計並且使用相容合金的焊縫填充材料進行，或者使用其他合適的連接機構進行。底段36包括具有約260-300mm的內徑，約280_320mm的外徑(其可以是可變的/逐細的)，具有約8-lOmm的壁厚度(其可以是可變的/逐細的)，以及約1060mm的總長度的管結構體54，雖然也可以採用其他合適的尺寸。底段36可以由HK-MA合金製造，該耐熱合金包含Cr、Ni和Fe外加其他元素·，特徵在於落入高溫合金家族的範圍內，或者是另一種新材料，並且優選將其表面噴砂清理等以移除雜質。底段36經由焊縫50連接至中段34，這種焊縫50設計為具有合適的「J」·焊縫斜角設計或直「V」焊縫斜角設計並且使用相容合金的焊縫填充材料進行，或使用其他合適的連接機構進行。此外，將多個鎳合金楔形結構體56等同心地設置在底段36的管結構體54周圍並且焊接至底段36的管結構體54的內側，用於支撐內部催化劑支撐板(未示出)。同樣地，將槽道58等同心地設置在底段36的管結構體54周圍並且製造至底段36的管結構體54的外側中用於安裝底部氣密凸緣(未示出)。最終，第二凸緣段38包括具有約394mm的內徑，約406mm的外徑，具有約6mm的壁厚度，以及約的總長度的管結構體60，雖然也可以採用其他合適的尺寸。第二凸緣段38可以由碳鋼或其他合適的合金或另一種新材料製造，並且優選將其表面噴砂清理等以移除雜質。將向外突出的同心的第二凸緣62設置在第二凸緣段38的頂部周圍，並且其具有約485mm的外徑和約6mm的厚度。第二凸緣段38經由焊縫50連接至凸緣段30，這樣的焊縫50設計為具有合適的「J」焊縫斜角設計或直「V」焊縫斜角設計並且使用相容合金的焊縫填充材料進行，或者使用其他合適的連接機構進行。採用第二凸緣段38通過例如焊接的方式將重整器管組連接至重整氣頭(未示出)。當然，重整器管組16的所有部件也可以整體地形成。管部件和耐熱合金凸緣優選使用離心澆鑄工藝製造。再一次，在多種示例實施方案中，本發明提供具有可變壁厚度並且由新冶金學合金製造的重整器管裝置16。該設計和材料組合導致在目前的溫度需要的更長操作或者在增加的溫度需要的相同運行。壁厚度僅在重整器管裝置16其中需要耐變形性的局部段增加。設置至傳統厚度的過渡，並且所述過渡是漸進的，以使得與焊接點相比將應力最小化。預期的是可以增加4-6年的管壽命，或者管溫和整體DR工藝生產可以因此增加。雖然本文已經參考其優選的實施方案和具體實例示例並描述了本發明，本領域技術人員將容易明白的是其他實施方案和實施例可以實現類似功能和/或獲得類似結果。所有這種等價實施方案和實施例在本發明的精神和範圍之內，從而被預期，並且意圖由以下權利要求覆蓋。 在這方面，該說明書應被認為是非限制性的並且全面包含的。
權利要求
1.一種重整器管裝置，所述重整器管裝置包括: 軸向排列的管結構體； 其中所述軸向排列的管結構體包括具有第一壁厚度的第一部分； 其中所述軸向排列的管結構體包括具有第二壁厚度的第二部分；並且 其中所述軸向排列的管結構體包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。
2.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述重整器管裝置由其特徵在於在高溫合金的家族之內的包含Cr、Ni和Fe外加其他元素的耐熱合金製造。
3.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括凸緣段，其中所述凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
4.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括頂段，其中所述軸向排列的管結構體的所述第一部分和所述第二部分是所述頂段的一部分。
5.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括中段。
6.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括底段。
7.權利要求6所述的重整器管裝置，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。
8.權利要求6所述的重整器管裝置，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其外部周圍的凹進部。
9.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
10.權利要求1所述的重整器管裝置，其中所述重整器管裝置設置在直接還原工藝中使用的重整器內。
11.一種重整器管裝置，所述重整器管裝置包括: 軸向排列的管結構體，所述軸向排列的管結構體包括凸緣段、頂段、中段和底段； 其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第一壁厚度的第一部分； 其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第二壁厚度的第二部分；並且 其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。
12.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述重整器管裝置由其特徵在於在高溫合金的家族之內的包含Cr、Ni和Fe外加其他元素的耐熱合金製造。
13.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
14.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述第一壁厚度大於所述第二壁厚度。
15.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。
16.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其外部周圍的凹進部。
17.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述軸向排列的管結構體還包括連接至所述凸緣段的第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
18.權利要求11所述的重整器管裝置，其中所述重整器管裝置設置在直接還原工藝中使用的重整器內。
19.一種用於提供重整器管裝置的方法，所述方法包括: 提供軸向排列的管結構體，所述軸向排列的管結構體包括凸緣段、頂段、中段和底段； 其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第一壁厚度的第一部分； 其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第二壁厚度的第二部分；並且其中所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。
20.權利要求19所述的方法，其中所述凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
21.權利要求19所述的方法，其中所述第一壁厚度大於所述第二壁厚度。
22.權利要求19所述的方法，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。
23.權利要求19所述的方法，其中所述管結構體的所述底段包括設置在其外部周圍的凹進部。
24.權利要求19所述的方法，其中所述軸向排列的管結構體還包括連接至所述凸緣段的第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
全文摘要
本發明提供一種重整器管裝置，所述重整器管裝置包括包括凸緣段、頂段、中段和底段的軸向排列的管結構體。所述軸向排列的管結構體的所述頂段包括具有第一壁厚度的第一部分、具有第二壁厚度的第二部分和將所述第一部分與所述第二部分接合的具有過渡變化的壁厚度的第三部分。所述的凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。所述管結構體的底段包括設置在其內部周圍的多個同心楔形結構體。所述管結構體的底段還包括設置在其外部周圍的凹進部。所述軸向排列的管結構體還包括連接至所述凸緣段的第二凸緣段，其中所述第二凸緣段包括設置在其頂部周圍的同心凸緣。
文檔編號C21B11/00GK103180465SQ201080069731
公開日2013年6月26日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者菲利普·克勞奇, 傑拉爾德·加潘斯基, 羅伯特·斯米奇裡, 布裡安·W·弗爾克, 吉爾伯特·Y·惠滕 申請人:米德雷克斯技術公司, 麥託泰克國際公司