關(guān)于VCM裝置裂解爐耐火材料澆筑的研究

武春雷

（天津大沽化工股份有限公司，天津 304500）

在平衡氧氯化法制氯乙烯的生產(chǎn)工藝中，氯乙烯裂解爐是最重要的設(shè)備之一，來(lái)自EDC精制單元的精EDC（純度99.53%以上），在經(jīng)過二次預(yù)熱并氣化后進(jìn)入裂解爐盤管中進(jìn)行裂解，產(chǎn)生煙道氣用來(lái)預(yù)熱進(jìn)料EDC并產(chǎn)生1.05 MPa的低壓蒸汽。

裂解爐盤管溫度最高工作溫度可以達(dá)到500℃，輻射段爐內(nèi)壁的溫度可達(dá)1 000℃，而燒嘴周圍的溫度可以達(dá)到1 500℃以上，但是對(duì)于裂解爐外壁平均溫度要求在60℃以下，以保證熱損失在設(shè)計(jì)的合理的范圍之內(nèi)。這就對(duì)裂解爐耐火水泥的耐火性能、保溫性能提出了很高的要求。由于箱式裂解爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于水泥的強(qiáng)度也提出了很高的要求。因此，能否將耐火水泥精確而堅(jiān)固的澆筑在爐體鋼板上，將直接影響到裂解爐的使用壽命和大修周期，對(duì)于今后的生產(chǎn)成本也有很大的影響。

天津大沽化新建裂解爐是意大TECHINP KTI公司專利，年生產(chǎn)能力為20萬(wàn)t VCM。全爐分為3大模塊即輻射段、對(duì)流段和煙道段。考慮到中方施工的實(shí)際困難，對(duì)流段以及煙道段已經(jīng)在生產(chǎn)廠家澆筑完畢，中方施工的部分為輻射段，包括箱底、主墻、側(cè)墻和穹頂，共有墻板33塊，面積合計(jì)708.61m2。輻射段所有墻板均在現(xiàn)場(chǎng)澆筑并養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行吊裝，總工程量178.18 m3。

1 耐火材料技術(shù)信息及澆注信息

（1）耐火水泥又分為 3 種：Green light1.0.6、Green light K-LWL和CAST C1400L1。因功能不同，前兩種稱為絕熱材料，保溫性能好，澆筑在靠近爐墻板的內(nèi)側(cè)。后一種稱為耐火材料，耐火性能好，澆筑在爐墻板外側(cè)，直接面對(duì)高溫輻射。這3種水泥的技術(shù)信息見表1。

（2）裂解爐各部位澆注信息見表2。

表1 耐火水泥信息表

表2 耐火水泥澆注信息表

2 施工程序以及主要施工方法

2.1 施工準(zhǔn)備

（1）施工前的測(cè)試程序

a.安裝耐火材料前，施工隊(duì)的測(cè)試須在現(xiàn)場(chǎng)完成。

b.用耐火材料在一塊1 000×1 000 mm的白板上進(jìn)行澆筑。

c.在完全干燥后，檢察員應(yīng)檢查表面，并用500 gr的錘子輕輕敲擊耐火材料塊。在錘擊實(shí)驗(yàn)后，檢查者應(yīng)對(duì)錘擊聲音有滿意的結(jié)果，然后才能授權(quán)耐火材料的安裝。

（2）檢查錨釘

a.耐火材料最多處有3層，因此錨釘也有3種類型，第一、二層材料所用錨釘為雞爪型，在正中間有螺紋，第二、三層底部均帶有螺母以便連接在第一層上。錨釘結(jié)構(gòu)見圖1。

b.檢查錨釘?shù)暮附游恢檬欠衽c廠商提供的圖紙一致。

c.隨機(jī)抽取焊點(diǎn)進(jìn)行彎曲以及超聲波檢驗(yàn)確保錨釘焊接質(zhì)量良好。

（3）墻板處理

a.將預(yù)制好的墻板按照吊裝順序擺放在水平地面上，下面以枕木墊好，進(jìn)行拼裝后用水平儀找平。

b.檢查所有的錨釘尖梢在同一高度上，且鋼板表面平整無(wú)大的缺陷及向內(nèi)或向外彎曲。在澆筑第一層水泥時(shí)，鋼表面不平整可能會(huì)使錨釘被埋在耐火材料里，難以連接第二層錨釘。還可以免在澆注后安裝時(shí)發(fā)生尺寸錯(cuò)誤。

圖1 錨釘結(jié)構(gòu)

c.進(jìn)行澆注前應(yīng)當(dāng)除去表面的灰塵以及銹皮，但不要用電動(dòng)鋼絲刷將所有的銹跡除去，此行為將導(dǎo)致耐火材料的附著力下降。

（4）混凝土木模板的支設(shè)

a.板混凝土澆注以前，要進(jìn)行木模板的支設(shè)，木模板要按照?qǐng)D紙的澆注料詳細(xì)尺寸及厚度進(jìn)行，輻射段的側(cè)墻板為3層混凝土，故木模板應(yīng)支設(shè)3次，端墻板為2層混凝土，木模板應(yīng)支設(shè)2次，模板的支設(shè)應(yīng)當(dāng)牢固，使混凝土澆注以后不產(chǎn)生變形，為防止漏漿，木板之間的縫隙應(yīng)封堵嚴(yán)密，

b.木模板支設(shè)完畢后應(yīng)再次檢查木模板支設(shè)的幾何尺寸是否與圖紙的尺寸相吻合，以做到準(zhǔn)確無(wú)誤，在模板支設(shè)過程中如果遇到錨釘阻礙，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)割掉該錨釘，并將其另外焊接在該板的另一地方以確保強(qiáng)度。

（5）混凝土的攪拌

澆注料的攪拌應(yīng)采用機(jī)械攪拌，并選用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，容量為250～350 L，澆注料的干料到入攪拌機(jī)內(nèi)先攪拌1 min，然后開始加水，加水量為總需要量的3/4，再攪拌2 min，將剩余的1/4的水倒入攪拌機(jī)內(nèi)，繼續(xù)攪拌2 min，使?jié)沧⒘铣浞謹(jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹?。各層耐火材料用水量見?。

表3 耐火材料用水量

2.2 混凝土的澆注

在混凝土澆注前應(yīng)先對(duì)鋼筋的焊接，木模板的支設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查鋼筋焊接的質(zhì)量，檢查木模板支設(shè)的幾何尺寸是否與圖紙的尺寸相吻合，模板的支設(shè)應(yīng)當(dāng)牢固，使混凝土澆注以后不產(chǎn)生變形。

澆注時(shí)，須分層澆注，采用棋盤式澆注方法，爐墻板的棋盤格的尺寸應(yīng)在1 500 m×1 500 m的方格，層與層之間的方格應(yīng)錯(cuò)縫澆注，不能通縫。每一塊爐墻板的每一層要分2次澆注，每次澆注面積為1/2，每一次澆注完24 h以后拆木模板，再進(jìn)行第2次澆注，澆注的方法是將攪拌好的澆注料用桶倒入木模的方格內(nèi)，保溫澆注料（牌號(hào) 1.0.6LHS 和 K－LWL）只用木棍人工搗固，耐火澆注料（牌號(hào)C 1400LI）用機(jī)械插入式震動(dòng)器搗固。澆注料搗固完以后，用木抹子進(jìn)行找平，切勿使用鏟刀將耐火水泥鏟平，這會(huì)導(dǎo)致精密部件露出表面，進(jìn)而導(dǎo)致耐火材料密封而延長(zhǎng)干燥時(shí)間，最終會(huì)形成大量細(xì)微碰撞。粗糙且有滲透性的表面不僅用于加熱爐內(nèi)部澆筑耐火材料，而且有利于自然風(fēng)干和吹干時(shí)混合水的消除。

2.3 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土澆注施工以后應(yīng)采取養(yǎng)護(hù)措施，該工程按照意大利關(guān)于裂解爐澆注料的施工說(shuō)明和要求進(jìn)行，在15～25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，該工程的施工季節(jié)正進(jìn)入冬季施工，具體的冬季施工措施請(qǐng)?jiān)斠姸臼┕ご胧┑膬?nèi)容。

2.4 混凝土缺陷的修補(bǔ)

在施工和干燥后裂紋可能會(huì)出現(xiàn)，木模板的拆除不小心會(huì)碰掉混凝土的棱角，大于150mm×150mm孔隙，裂紋大于 2 mm，1.0～1.5 mm 寬，300 mm 長(zhǎng)，需要修補(bǔ)，對(duì)于單層襯里有缺陷應(yīng)鑿掉重新施工，多層襯里有缺陷，應(yīng)去除直到露出保溫層重新澆注。

2.5 爐墻板的吊裝應(yīng)具備的條件

爐墻板的吊裝前應(yīng)首先檢查爐墻板的養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，按照國(guó)內(nèi)規(guī)范的要求是必須到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%～70%可以吊裝，否則不允許吊裝。

吊裝前應(yīng)檢查爐墻板混凝土表面的幾何尺寸、厚度、板與板之間留設(shè)的膨脹縫的尺寸是否正確，混凝土表面裂紋等現(xiàn)象，如有問題需要處理后才能進(jìn)行吊裝。

3 施工技術(shù)措施及質(zhì)量要求

3.1 材料準(zhǔn)備

（1）該工程所用筑爐的耐火材料均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，材料的供方應(yīng)提供材料的合格證及材質(zhì)證明。

（2）耐火澆注材料必須存放于防雨防潮倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，如果露天堆放應(yīng)采取防雨措施，防止材料雨淋受潮影響質(zhì)量。國(guó)外到貨的耐火材料都在大型的集裝箱內(nèi)儲(chǔ)存，在施工的過程中，用多少就取多少，不用的材料不要放在露天。

3.2 質(zhì)量保證措施

（1）鋼筋鉤釘焊接，焊縫表面不得有飛濺物，外觀檢查不得有焊瘤、弧坑、氣孔等缺陷。

（2）澆注料的攪拌應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)械攪拌，達(dá)到拌和均勻。

（3）不應(yīng)在攪拌好的耐火混凝土內(nèi)任意加水或膠結(jié)料。

（4）已初凝的混凝土不得澆注。

（5）混凝土在施工前及施工過程中要用試模做試塊，試模的尺寸為 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的鋼模，每種澆注料做1組試塊，檢驗(yàn)合格后出檢驗(yàn)報(bào)告單方可施工，檢驗(yàn)的項(xiàng)目為常溫耐壓強(qiáng)度，試塊的強(qiáng)度應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

保溫澆注料牌號(hào) 1.0.6 L HS,常溫耐壓強(qiáng)度1.0～1.5 MPa；

保溫澆注料牌號(hào)K－LWL，常溫耐壓強(qiáng)度4.1MPa；

耐火澆注料牌號(hào)C 1400 LI，常溫耐壓強(qiáng)度25～30 MPa。

（6）澆注耐火混凝土用的模板應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，支模尺寸應(yīng)準(zhǔn)確，并防止在施工過程中變形，模板接縫處應(yīng)嚴(yán)密，防止漏漿。

（7）吊裝爐墻板時(shí)混凝土的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)對(duì)吊裝所要求的強(qiáng)度。

（8）耐熱混凝土的施工環(huán)境溫度應(yīng)在5～25℃，養(yǎng)護(hù)溫度在15～25℃，低于以上溫度施工，應(yīng)采取冬季施工措施。

3.3 爐墻混凝土施工質(zhì)量要求及允許偏差

（1）隔熱、耐火澆注料爐墻施工完經(jīng)檢查，表面無(wú)剝落、裂縫、孔洞等缺陷，有輕微的網(wǎng)狀裂紋；膨脹縫留設(shè)均勻、平直，位置正確，縫內(nèi)清潔，并按規(guī)定填充材料，隔熱層施工符合設(shè)計(jì)要求。

（2）隔熱、耐火澆注料爐墻垂直度全高允許偏差15 mm；

隔熱、耐火澆注料爐墻表面平整度允許偏差10 mm；

隔熱、耐火澆注料爐墻厚度≤150 mm，允許偏差±5 mm；

隔熱、耐火澆注料爐墻厚度≥150 mm，允許偏差±10 mm。

4 冬季施工措施

（1）該裂解爐施工正處在2018年的11月，已進(jìn)入冬季施工階段，天津塘沽地區(qū)11月的溫度應(yīng)在0～10℃之間，按照意大利專家的要求，筑爐工程的施工環(huán)境溫度應(yīng)在10℃以上，混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度應(yīng)為15～25℃，耐火澆注料的澆注和養(yǎng)護(hù)均要保證此溫度，因此，在此期間應(yīng)采取冬季施工措施。

（2）首先在混凝土攪拌站要搭設(shè)保溫棚，棚子用鋼腳手管、石棉瓦搭設(shè)6m×10m約60m2的攪拌站。

（3）攪拌站用的水要確保在10℃以上，因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)從生產(chǎn)區(qū)域接蒸汽管道，再用膠皮管將蒸汽送入水罐內(nèi)，使水的溫度加溫至10℃以上，作為混凝土攪拌用水。

（4）現(xiàn)場(chǎng)的爐墻板的耐火澆注料的施工主要是隨若干塊護(hù)墻板在地面進(jìn)行，在澆注完每一塊板后應(yīng)立即采取保溫措施，具體做法是：在護(hù)墻板的下面鋪墊道木使護(hù)墻板處于水平狀態(tài)，當(dāng)澆注料施工完以后用木條橫在上面，再用大型的防水帆布蓋在澆注完的墻板上的木條上面，四周帆布搭在地面上，四周用紅磚將帆布?jí)涸诘孛嫔希嫉纳厦嬖儆靡粚硬萆徸由w好，將爐墻板的混凝土處于封閉狀態(tài)，然后再用膠皮管將蒸汽送到爐墻板的下面，蒸汽就通過爐墻板的若干個(gè)孔（燒咀和窺視孔）進(jìn)入混凝土的表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)溫度控制在15～25℃，既保證養(yǎng)護(hù)的溫度，又有一定的濕度。

5 裂解爐散熱損失計(jì)算

（1）根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，爐墻散熱損失計(jì)算應(yīng)分為平壁和圓筒壁兩種。當(dāng)圓筒壁內(nèi)徑與外徑之比大于0.5時(shí)，可近似按平壁計(jì)算。因此，石油化工廠管式加熱爐爐墻散熱損失計(jì)算，均可以按平壁方法計(jì)算。

通過平壁爐墻的散熱損失可按公式（1）計(jì)算：

式中：Q—爐墻散熱量，kW；

F—爐墻面積，m2；

q—爐墻散熱強(qiáng)度，kW/m2；

T1—爐墻內(nèi)壁溫度，K；

Ta—爐體附近大氣溫度，K；

Tn—爐墻外壁溫度，K；

δi—多層爐墻各層壁厚，m；

λi—各層爐墻相對(duì)應(yīng)材料導(dǎo)熱系數(shù)，kW/m2·k；

an—爐墻外壁對(duì)空氣了的給熱系數(shù)，kW/m2·k。

顯然從公式（1）可以看到，爐墻散熱量的多少與爐墻面積成正比，并受爐墻厚度和爐墻導(dǎo)熱系數(shù)的影響。爐墻越厚，爐墻對(duì)應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小散熱越少。這也是爐墻采用不同種耐火材料的原因，在不同的爐強(qiáng)溫度區(qū)間選擇最佳的保溫材料，能有效地防止熱量損失。而爐墻的厚度和對(duì)應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)最終影響的爐外壁溫度，在爐墻面積和爐墻外大氣溫度無(wú)法改變的情況下，爐墻散熱量與爐外壁溫度直接相關(guān)，所有的保溫措施都是為了有效降低爐外壁溫度。在筑爐完成后，可以檢查爐外壁溫度，以確認(rèn)筑爐的質(zhì)量。

（2）爐墻外壁對(duì)空氣的給熱系數(shù)的計(jì)算。

A—與爐壁表面散熱有關(guān)的系數(shù)，一般取A=2.2。

4.54 —爐墻外壁黑度一般為0.8，外界空間的黑度可取為1，絕對(duì)黑體表面的輻射系數(shù)為5.67，則5.67×0.8×1=4.54。

最終可以將爐墻的散熱損失公式表示為如下形式：

此次筑爐為輻射段箱體，外形尺寸為：長(zhǎng)24.74m，高 10.19 m，寬 3.22 m，按六面體算得 F=729.2（m2）

Ta=15.4℃，按2006年10月份烘爐時(shí)平均氣溫計(jì)算。

爐膛溫度在正常工作溫度670℃時(shí)，測(cè)得外壁平均溫度Tn=43.1℃。

假設(shè)在無(wú)風(fēng)的條件下，編制了外壁溫度Tn與爐墻熱損失Q之間的關(guān)系表，表中還根據(jù)爐墻熱損失，折算出了消耗的天然氣量以及全年的天然氣消耗費(fèi)用。天然氣熱值按8 000 kCal/m3（33.5kJ）計(jì)算，天然氣單價(jià)按1.6元/m3計(jì)算，全年按8 000 h操作時(shí)間計(jì)算。爐墻散熱損失及天然氣消耗表見表4。

6 結(jié)論

VCM三期裂解爐輻射段爐壁實(shí)際測(cè)量后計(jì)算的單位熱損失為0.14 kW/m2，僅為設(shè)計(jì)熱損失量（0.62～0.73 kW/m2）的 1/4，顯示出極好的澆鑄質(zhì)量。熱損失折算天然氣量為10.9 m3，占到總天然氣用量的10.9/2 000=0.55%，考慮到輻射段占大部分爐體體積，因此估算總熱損失不會(huì)超過總熱量的1%，再加上實(shí)際測(cè)量時(shí)平均氣溫為15.4℃,略高于天津市年平均氣溫12.3℃，仍然可以推算年平均爐壁熱損失小于工業(yè)爐平均熱損失（1.5%～3%），屬于非常好的水平。在測(cè)量爐壁溫度的過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有裂紋的地方，爐外壁溫度會(huì)異常升高，而在VCM二期裂解爐內(nèi)壁裂紋較多，爐外壁溫度明顯高于VCM三期裂解爐。VCM一期裂解爐因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，溫度也較高。從表4中可以看到溫度每升高10℃，每年就要多消耗6萬(wàn)～10萬(wàn)元的天然氣。爐壁損失的熱量不大，但長(zhǎng)久運(yùn)行，仍然不可忽視。

表3 爐墻散熱損失及天然氣消耗表