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      轉(zhuǎn)化爐爐底襯里及煙道墻優(yōu)化改造

      2020-07-25 15:02:34許俊中海油惠州石化有限公司廣東惠州516086
      化工管理 2020年20期
      關(guān)鍵詞:重質(zhì)塞拉襯里

      許俊(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

      1 概述

      轉(zhuǎn)化爐是石油化工裝置的核心組成部分,其消耗著大量的能量,支配著整個裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、收率、能耗和操作周期等,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都十分顯著,運(yùn)行的好壞越來越受到廣泛關(guān)注。其特點(diǎn)是高溫、高壓、直接見火,管內(nèi)介質(zhì)易燃、易爆、易裂解、易結(jié)焦,管內(nèi)介質(zhì)和管外煙氣均有腐蝕性,原料氣入口溫度450~550℃,轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度750~900℃,煙氣溫度850~1100℃。合理的襯里結(jié)構(gòu),對保證爐管溫度均勻分布,促進(jìn)轉(zhuǎn)化反應(yīng),提高爐管的利用率具有重要的意義。某廠的蒸汽轉(zhuǎn)化爐為頂燒式方箱爐,七組對流段模塊為一字形布置,內(nèi)部是豎向排列的轉(zhuǎn)化管,天然氣作為原料氣和燃料氣,頂部分布多個低NOX 燒嘴,火焰與爐管平行,垂直向下燃燒,其火焰中心溫度達(dá)1600℃,煙氣流動方向與轉(zhuǎn)化管內(nèi)介質(zhì)流動方向相同,并流傳熱。原料氣在催化劑作用下與蒸汽反應(yīng)形成一氧化碳、氫氣和CO2,還有殘余甲烷和水蒸汽所組成的轉(zhuǎn)化氣。本文對某廠頂燒式蒸汽轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行中所出現(xiàn)的爐底超溫問題進(jìn)行解析,并提出解決方案。

      2 轉(zhuǎn)化爐襯里結(jié)構(gòu)簡介

      2.1 輻射段耐火襯里材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

      在無風(fēng)、環(huán)境溫度為27℃條件下,爐內(nèi)煙氣溫度設(shè)定在輻射段為1100℃,過渡段為1000℃,各溫度點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)滿足以下要求:輻射段爐頂外壁溫度不高于90℃,輻射段爐墻外壁溫度不高于80℃,對流段和熱煙風(fēng)管道的外壁溫度應(yīng)不超過80℃,輻射段底部外表面溫度應(yīng)不超過90℃[1]。

      2.2 輻射段耐火材料選用情況

      2.2.1 爐頂

      爐頂背襯平鋪兩層25mm 厚的高維S 耐火纖維毯,里層安裝225mm 厚的塞拉含鋯纖維模塊,每個模塊之間留有18mm 縫隙,用兩層13mm 的塞拉含鋯纖維毯填塞壓縮至18mm,計(jì)算好模塊安裝尺寸,安裝時(shí)使模塊與燒嘴緊密貼合,不能存在縫隙,若存在縫隙用塞拉含鋯纖維毯包裹填塞,轉(zhuǎn)化管部位用兩塊塞拉含鋯切片模塊擠壓安裝。

      2.2.2 爐墻

      四面爐墻背襯一層25mm 厚的高維S 耐火纖維毯,里層安裝225mm 厚的塞拉含鋯模塊,每個模塊之間留有35mm 縫隙,用兩層25mm 的塞拉含鋯纖維毯填塞壓縮至35mm。四面爐墻上各分布有22、18、8 和8 個看火孔,而其中兩面墻上分布有5個進(jìn)料門,以方便現(xiàn)場施工。看火孔使用的是真空成型的含鋯纖維預(yù)制組件,看火孔后蓋采用輕質(zhì)隔熱澆注料,防止此處超溫及造成人員燙傷,減少熱損失。

      2.2.3 爐底

      爐底的煙道與爐管束交錯布置,共有9 個通道與過渡段連接,保證煙氣通過煙道流動到對流段和過渡段。爐底背襯一層13mm 厚的高維S 耐火纖維毯壓縮至11mm,再背襯鋪兩層60mm 和50mm 厚的高維耐火纖維板,里層干砌114mm 厚的輕質(zhì)隔熱磚TJM23,再干砌一層65mm 厚的重質(zhì)高鋁磚LZ65,重質(zhì)高鋁磚層沿著煙道墻面方向每隔1495mm 留有10mm 的膨脹縫,并用20mm 的含鋯纖維毯填塞,轉(zhuǎn)化管部位用兩塊塞拉含鋯切片模塊擠壓安裝,煙道墻底部與轉(zhuǎn)化管部位用塞拉含鋯切片之間用4 層25mm 厚的塞拉含鋯纖維毯壓縮至87mm,其他部位的縫隙用一層13mm 的塞拉含鋯纖維毯填塞壓縮至10mm,爐底耐火襯里結(jié)構(gòu)如圖1 所示。煙道墻底部鋪設(shè)了四層75mm厚的重質(zhì)高鋁磚LZ65 作為基礎(chǔ),這種重質(zhì)高鋁磚LZ65 比輕質(zhì)隔熱磚TJM23 抗壓強(qiáng)度強(qiáng),但同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)較高。

      圖1 轉(zhuǎn)化爐爐底耐火襯里結(jié)構(gòu)

      每個煙道有兩道支撐墻,均用厚65mm 重質(zhì)高鋁磚LZ65砌成共40 層,磚面涂抹耐火膠泥,墻面高度2800mm。墻面每隔2700mm 左右留有10mm 膨脹縫,每層磚交錯分布,其上用材質(zhì)為輕質(zhì)莫來石的蓋板磚封口,形成長方形的煙氣通道。每道墻面上有漸變棱形煙道孔,靠近爐墻的煙道墻上分布156 個煙道孔,其他每道煙道墻上分布106 個煙道孔,使煙氣能垂直向下并有煙道孔進(jìn)入,向?qū)α鞫魏瓦^渡段流動。煙道墻頂部為搭接的拱頂結(jié)構(gòu),采用這種結(jié)構(gòu)煙道蓋板的整體穩(wěn)定性和剛性較好,長期使用不容易坍塌。

      3 轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及影響

      2010 年9 月份完成轉(zhuǎn)化爐的襯里施工及烘爐工作,同年10 月份裝置開車,轉(zhuǎn)化爐整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好,但當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)煙道墻底鋼板外壁溫度稍高于爐底其他部位,輻射段爐頂和爐墻的外壁溫度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)化爐運(yùn)轉(zhuǎn)一年后,發(fā)現(xiàn)爐底鋼板表面溫度嚴(yán)重超溫,爐底轉(zhuǎn)化管支撐板焊縫出現(xiàn)脫焊開裂,爐底工字鋼兩側(cè)的耐高溫防腐油漆被烤至變成白色甚至有部分脫落情況出現(xiàn),經(jīng)測試爐底鋼板表面溫度達(dá)200℃,局部的溫度甚至達(dá)到350℃,局部區(qū)域爐底鋼板嚴(yán)重變形(爐底鋼梁一般不能超過200℃運(yùn)行),同時(shí)主風(fēng)機(jī)效率低,轉(zhuǎn)化爐燃料氣用量和過渡段煙氣溫度均高于設(shè)計(jì)值,產(chǎn)量低于設(shè)計(jì)量,爐底超溫導(dǎo)致熱損失偏高,使得對流段各組盤管吸熱也不足,嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化爐的效率和裝置安全運(yùn)行。因此公司決定對輻射段爐底襯里和煙道墻從設(shè)計(jì)、材料和施工上進(jìn)行全面優(yōu)化改造。

      4 爐底超溫原因分析

      (1)在爐膛負(fù)壓的作用下,煙道墻底部和爐底耐火材料連接部位(如圖1 所示),豎直的陶瓷纖維被抽走,造成竄氣,導(dǎo)致爐底超溫。

      (2)煙道墻底部采用導(dǎo)熱系數(shù)高的重質(zhì)高鋁磚[2]。LZ65為耐熱高鋁磚,具有高溫蠕變小,熱侵蝕性強(qiáng),熱震穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但其導(dǎo)熱系數(shù)較大,隔熱效果不明顯。

      (3)轉(zhuǎn)化爐管與爐底支撐板之間為金屬接觸傳熱(如圖1 所示),會造成爐底支撐板溫度偏高。

      (4)豬尾管箱和爐體裙梁結(jié)構(gòu)不利于通風(fēng)散熱。

      5 轉(zhuǎn)化爐爐底襯里及煙道墻優(yōu)化改造方案

      5.1 設(shè)計(jì)方案

      爐底背襯一層13mm 厚的高維S 耐火纖維毯壓縮至10mm,再背襯鋪一層60mm 和二層50mm 厚的高維耐火纖維板,里層干砌65mm 厚的輕質(zhì)隔熱磚TJM23,再干砌一層65mm 厚的輕質(zhì)隔熱磚TJM26,轉(zhuǎn)化管部位用塞拉含鋯切片模塊擠壓安裝,形成的縫隙用一層13mm 的塞拉含鋯纖維毯填塞壓縮至10mm。煙道墻底部采用導(dǎo)熱系數(shù)小的輕質(zhì)隔熱澆注料,錨固件采用V 型結(jié)構(gòu),材質(zhì)采用AISI310,310 不銹鋼具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性、蠕變強(qiáng)度和耐高溫性。煙道墻輕質(zhì)隔熱澆注料基礎(chǔ)兩側(cè)采用錯縫設(shè)計(jì),與爐底耐火材料錯縫安裝,可以避免竄氣的產(chǎn)生。煙道墻結(jié)構(gòu)保持不變,將原設(shè)計(jì)的重質(zhì)高鋁LZ-65 磚改為輕質(zhì)隔熱磚TJM26,這種輕質(zhì)隔熱磚TJM26比重質(zhì)高鋁磚LZ65 導(dǎo)熱系數(shù)低,熱震穩(wěn)定性相對較好,隔熱效果明顯。

      考慮煙道墻孔處高溫沖刷大,此部位選用耐壓強(qiáng)度和分類溫度較高的TJM28 輕質(zhì)隔熱磚。拱頂部位考慮支撐蓋板磚,此部位選用耐壓強(qiáng)度較高的TJM28 輕質(zhì)隔熱磚。

      5.2 材料參數(shù)

      轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度1100℃,據(jù)此選用某耐火材料公司生產(chǎn)的輕質(zhì)隔熱澆注料和輕質(zhì)隔熱磚。其主要技術(shù)性能參數(shù)分別見表1 和表2。

      5.3 熱工計(jì)算

      熱工計(jì)算采用軟件HeatFlow5(英國摩根公司傳熱計(jì)算軟件),輸入相應(yīng)的爐膛煙氣溫度、耐火材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)等相關(guān)參數(shù),計(jì)算出爐底鋼板表面三個點(diǎn)的溫度,如圖2 所示的測點(diǎn)1、2、3。由于轉(zhuǎn)化爐豬尾管箱和爐體裙梁結(jié)構(gòu)不利于通風(fēng)散熱,所以環(huán)境溫度取40℃,計(jì)算出點(diǎn)1 的溫度為106℃,點(diǎn)2 的溫度位81℃,點(diǎn)3 的溫度為84℃,除點(diǎn)1 的計(jì)算溫度稍微超出設(shè)計(jì)溫度外,其他兩點(diǎn)的計(jì)算溫度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

      表1 輕質(zhì)隔熱磚TJM系列性能指標(biāo)

      表2 輕質(zhì)隔熱澆注料性能指標(biāo)

      圖2 優(yōu)化改造后轉(zhuǎn)化爐爐底熱工計(jì)算

      6 優(yōu)化改造效果

      2011 年12 月6 日爐底襯里及煙道墻優(yōu)化改造開始實(shí)施,2012 年1 月10 日完成施工,歷時(shí)35 天。裝置開車后,優(yōu)化改造后的轉(zhuǎn)化爐整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好,為了更好地了解改造后的效果,經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行,利用VArioCAM 紅外熱像儀對優(yōu)化改造后爐底鋼板表面進(jìn)行紅外熱成像測試,然后通過其附帶的紅外分析軟件進(jìn)行熱圖分析。

      檢測時(shí)將整個輻射段爐底按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分為20 段進(jìn)行測試,共拍攝熱圖20 張。根據(jù)紅外熱成像監(jiān)測數(shù)據(jù),優(yōu)化改造后的爐底鋼板表面溫度在100~120℃之間,相比改造前的爐底鋼板表面的平均溫度260℃,有了極大的改善。優(yōu)化改造后爐底襯里及煙道墻已經(jīng)正常運(yùn)行了三年,爐底鋼板表面溫度一直維持在100~120℃之間,至今沒有任何異?,F(xiàn)象。

      7 結(jié)語

      通過對頂燒式蒸汽轉(zhuǎn)化爐爐底超溫原因的分析,找到了優(yōu)化改造爐底襯里及煙道墻的方法,即煙道墻采用“輕質(zhì)隔熱澆注料+輕質(zhì)隔熱磚(TJM26)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。煙道墻采用輕質(zhì)隔熱磚可以減少煙道墻低部輕質(zhì)隔熱澆注料承受載荷,便于選用耐壓強(qiáng)度稍低、導(dǎo)熱系數(shù)更小的耐火輕質(zhì)隔熱澆注料,更有利于降低爐底壁溫。雖造價(jià)高一些,但散熱損失小,并且輕質(zhì)隔熱磚比重質(zhì)高鋁重量輕,便于施工,可以大大縮短工期。以往轉(zhuǎn)化爐煙道墻采用“輕質(zhì)隔熱澆注料+輕質(zhì)隔熱磚(TJM26)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用只出現(xiàn)在國外類似項(xiàng)目建設(shè)中,某廠優(yōu)化改造的成功,實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)轉(zhuǎn)化爐煙道墻采用“輕質(zhì)隔熱澆注料+輕質(zhì)隔熱磚(TJM26)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用零的突破,并為其他石油化工裝置提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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