轉(zhuǎn)化爐爐底襯里及煙道墻優(yōu)化改造

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)。