轉(zhuǎn)化爐集氣管保溫堵頭的改造設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉功志

(揚(yáng)子江乙?；び邢薰荆貞c 401254)

轉(zhuǎn)化爐是制備合成氣體的設(shè)備，它包括蒸汽轉(zhuǎn)化爐、甲醇裝置轉(zhuǎn)化爐、制氫轉(zhuǎn)化爐、一氧化碳轉(zhuǎn)化爐等多種類型[1]。集氣管是轉(zhuǎn)化爐的重要組成部分，它通常設(shè)置在轉(zhuǎn)化爐的底部，其作用是匯集和輸送轉(zhuǎn)化爐內(nèi)制備的合成氣體(轉(zhuǎn)化氣)。轉(zhuǎn)化氣是一種高溫(通常不低于900℃)、中壓氣體，因此，集氣管已經(jīng)不是一個(gè)單純的管路，而是一個(gè)需要特殊考慮的高溫中壓臥式圓筒形承壓設(shè)備[2]。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化氣的單向輸送和方便日常檢修，集氣管的封閉端設(shè)有平蓋封頭以保證密封，封頭內(nèi)部設(shè)有保溫堵頭以實(shí)現(xiàn)保溫隔熱。由于集氣管內(nèi)部長(zhǎng)期處于高溫中壓的惡劣工況環(huán)境，其運(yùn)行狀況的好壞，直接關(guān)系到轉(zhuǎn)化爐及整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行。因此，為確保安全生產(chǎn)，集氣管的使用情況一直是日常檢查和大修工作的重點(diǎn)之一[3]。

現(xiàn)有技術(shù)中，集氣管封閉端保溫堵頭通常是用耐火磚或耐火膠泥等隔熱材料砌筑而成，以滿足密封和保溫隔熱的要求。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)需要對(duì)集氣管內(nèi)部進(jìn)行檢查、清理或維修時(shí)，需要破壞原有的耐火磚或耐火膠泥堵頭；而當(dāng)作業(yè)完成后，又需要重新砌筑堵頭來(lái)完成密封。這不僅使得維護(hù)人員在作業(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)條件差、作業(yè)效率低，而且增加了維護(hù)成本。同時(shí)，因該堵頭要求具備良好的密封和保溫隔熱性能，這使得堵頭的砌筑工作技術(shù)要求較高，操作難度較大，進(jìn)一步造成了集氣管的維護(hù)作業(yè)極為不便。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，我公司委托某環(huán)保公司開(kāi)發(fā)了一種用于轉(zhuǎn)化爐集氣管封閉端的新型保溫堵頭裝置，并將其用于對(duì)原有封閉堵頭進(jìn)行改造，以期使得轉(zhuǎn)化爐集氣管的維護(hù)作業(yè)更為方便，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高作業(yè)效率，增強(qiáng)保溫效果，降低維護(hù)成本。

1 集氣管封閉端堵頭的改造設(shè)計(jì)

1.1 堵頭裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，新型保溫堵頭裝置由真空成型隔熱堵頭和隔熱毯組成，隔熱堵頭又由若干真空成型隔熱塊(見(jiàn)圖2)組成。隔熱堵頭的直徑略小于集氣管的內(nèi)徑，而隔熱毯的直徑大于集氣管的內(nèi)徑。在實(shí)際使用中，隔熱堵頭呈圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，各隔熱塊依次緊密接觸，隔熱堵頭的大直徑端與隔熱毯緊密接觸(見(jiàn)圖3)。隔熱塊靠近隔熱毯的一端設(shè)有盲孔，盲孔內(nèi)設(shè)有拉手，拉手用耐蝕性較強(qiáng)且成本較低的304或316不銹鋼制成。

1-真空成型隔熱塊，2-隔熱毯

11-隔熱塊，12-盲孔，13-拉手

1-隔熱堵頭，2-隔熱毯，3-集氣管，4-法蘭盤，5-法蘭盲板

1.2 隔熱材料的選擇

傳統(tǒng)的耐火磚或耐火膠泥隔熱材料已不適應(yīng)現(xiàn)代保溫設(shè)備的需求，它們存在著體積密度大、導(dǎo)熱系數(shù)大等缺點(diǎn)，這不僅使設(shè)備的維護(hù)不方便，而且還增加了運(yùn)行成本[4]。耐火陶瓷纖維是一種新型環(huán)保隔熱材料，其主要成分是SiO2和Al2O3，具有優(yōu)良的隔熱性能，已在石化、冶金、建材、電力、航空航天等行業(yè)的隔熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果；與一般隔熱材料相比，耐火陶瓷纖維具有重量輕(陶瓷纖維折疊模塊爐襯比輕質(zhì)隔熱磚襯輕75%以上，比輕質(zhì)澆注料襯輕90%)、耐火度高(最高可以超過(guò)1580℃)、熱容量低(僅為耐火磚的1/72)、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，可帶來(lái)良好的保溫隔熱效果，尤其對(duì)于高溫工業(yè)爐，其優(yōu)點(diǎn)更為突出[5-6]。陶瓷纖維種類較多，選擇時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素。

1.2.1 環(huán)境的氧化還原性與化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)系

在集氣管內(nèi)，還原性氣體CO、H2的含量分別為22%～23%、66%～67%，陶瓷纖維中的SiO2在高溫還原性氣氛中會(huì)發(fā)生“硅遷移”，其反應(yīng)如下[2]：

SiO2+CO → SiO↑+CO2

SiO2+H2→ SiO↑+H2O

為確保耐火材料的正常使用，防止產(chǎn)生“硅遷移”現(xiàn)象，陶瓷纖維材料選擇高鋁型纖維，其Al2O3含量為55%～60%，最高連續(xù)使用溫度為1050℃。

1.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)與密度等的關(guān)系

不同應(yīng)用形態(tài)的陶瓷纖維，其氣孔率和密度不同。陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)隨體積密度增大而減小，但減小的幅度逐漸降低；當(dāng)體積密度超過(guò)一定范圍后，導(dǎo)熱系數(shù)反而有增大的趨勢(shì)。這種變化規(guī)律受到制品的氣孔率、氣孔大小及氣孔性質(zhì)的影響。陶瓷纖維剛性制品的最佳體積密度范圍為0.3～0.4 g/cm3。

1.2.3 分類溫度與使用溫度的關(guān)系

分類溫度即最高使用溫度，具體定義為耐火纖維制品在非荷載條件下加熱保持24 h，高溫線收縮率為4%時(shí)的測(cè)試溫度。長(zhǎng)期安全使用溫度是指耐火纖維在一定溫度下保持24 h，高溫線收縮率≤2.5%時(shí)的測(cè)試溫度。為保證使用效果及使用壽命，陶瓷纖維不宜在最高使用溫度下長(zhǎng)期使用，應(yīng)在長(zhǎng)期安全使用溫度下使用。在不受外力的情況下，陶瓷纖維在低于長(zhǎng)期安全使用溫度下服役，其使用壽命可以達(dá)5～10年。

綜上，新型保溫堵頭的隔熱塊由耐火高鋁陶瓷纖維真空成型板制成，具體制作過(guò)程是將分散均勻的料漿(包括陶瓷纖維、分散劑、有機(jī)和無(wú)機(jī)結(jié)合劑、添加劑)注入模具，采用濕法真空成型工藝加工而成。它具有低熱容量、低熱導(dǎo)率、吸音降噪性能好、尺寸精準(zhǔn)、耐壓強(qiáng)度高、良好的熱穩(wěn)定性和抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該材料具有良好的韌性，且平整度好、易切割安裝、施工方便，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。在具體使用時(shí)，隔熱塊可根據(jù)需要選用分類溫度為1260℃或1400℃的耐火高鋁陶瓷纖維真空成型板制成。

新型保溫堵頭的隔熱毯由高鋁陶瓷纖維毯剪制而成，其內(nèi)不含任何有機(jī)結(jié)合劑，可確保其在高溫及低溫工況下均具有良好的穩(wěn)定性和可造性，并具有低導(dǎo)熱率、低熱容量、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。同時(shí)，陶瓷纖維毯為軟性材質(zhì)，其形狀上具有可塑性和回彈性[6-7]。

1.3 隔熱堵頭厚度的確定

隔熱堵頭的厚度可以根據(jù)傳熱計(jì)算來(lái)確定。根據(jù)多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型[8](見(jiàn)圖4)，忽略固體在接觸界面上的接觸熱阻，不考慮集氣管內(nèi)轉(zhuǎn)化氣流動(dòng)的影響，周圍環(huán)境按無(wú)風(fēng)情況考慮。對(duì)于三層熱阻的串聯(lián)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，通過(guò)各層的熱通量相等，有

1-隔熱堵頭，2-隔熱毯，3-法蘭盲板

上式中：q—熱通量，W/m2；b—壁厚，m；k—平壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T —壁面溫度，K。

已知隔熱堵頭的導(dǎo)熱系數(shù)為k1=0.15 W/(m·K)；隔熱毯的導(dǎo)熱系數(shù)k2=0.15 W/(m·K)，安裝壓縮后的厚度b2=15 mm；法蘭盲板(Q235A材質(zhì))的導(dǎo)熱系數(shù)k3=48.85 W/(m·K)，厚度b3=40 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，集氣管內(nèi)正常工作溫度在900℃左右，隔熱堵頭外側(cè)的壁面溫度不超過(guò)160℃，法蘭盲板的外表面溫度不超過(guò)80℃，據(jù)此取隔熱堵頭內(nèi)側(cè)的壁面溫度T1=900℃，隔熱堵頭外側(cè)的壁面溫度T2=160℃，法蘭盲板外表面壁溫T4=80℃。由式(1)計(jì)算可得：隔熱堵頭厚度b1=140 mm，綜合考慮，隔熱堵頭厚度采用b1=150 mm。

1.4 新型保溫堵頭裝置的特點(diǎn)

(1)隔熱堵頭由若干隔熱塊組成，每個(gè)隔熱塊均為完全相同的扇形結(jié)構(gòu)，其加工和制造方便。同時(shí)，隔熱堵頭的整體圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)向作用，這使得隔熱堵頭在集氣管內(nèi)的裝拆更為方便。

(2)每個(gè)隔熱塊均設(shè)置有盲孔和拉手，操作人員可借助拉手抓取隔熱塊，使隔熱塊的裝拆更為方便。同時(shí)，在裝拆該堵頭裝置時(shí)，可分次裝拆隔熱塊，一方面避免了因隔熱堵頭整體尺寸較大而造成重量較重，一次性拆裝不方便。另一方面，當(dāng)需要對(duì)集氣管進(jìn)行檢查、維修作業(yè)時(shí)，只需取出一塊隔熱塊，無(wú)需取出整個(gè)隔熱堵頭。這使得集氣管的檢查、維修更為簡(jiǎn)單方便，同時(shí)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

(3)設(shè)置具有良好柔軟性及回彈性的隔熱毯覆蓋在隔熱堵頭的大端面上，可以有效封堵隔熱堵頭周邊與集氣管內(nèi)壁的縫隙以及各隔熱塊之間的縫隙，確保了堵頭裝置的結(jié)構(gòu)完整性，避免了熱量從縫隙處逸出。該堵頭裝置安裝完成后，將法蘭盤與法蘭盲板通過(guò)螺栓連接，可實(shí)現(xiàn)堵頭、隔熱毯及法蘭盲板三者間的緊密結(jié)合，確保了整個(gè)裝置的密封及保溫隔熱效果。

(4)新型堵頭由耐高溫且強(qiáng)度較高的陶瓷纖維制成，其重量輕、性能穩(wěn)定、使用壽命較長(zhǎng)，并可重復(fù)使用，很大程度上降低了使用成本。

2 改造后使用效果

根據(jù)設(shè)計(jì)，本公司CO1#、CO2#轉(zhuǎn)化爐集氣管保溫堵頭均采用全新的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，用新型保溫堵頭裝置取代了原來(lái)的砌筑耐火磚的隔熱形式，使得堵頭的裝拆更為方便，在轉(zhuǎn)化爐集氣管的檢查、維修作業(yè)中，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，作業(yè)效率明顯提高。

為了評(píng)估改造后的使用效果，采用紅外熱像儀對(duì)改造后的集氣管封閉端堵頭進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)紅外熱成像圖(圖5)。紅外熱成像圖采用不同的顏色表示不同的溫度，可以直觀地反映被測(cè)物體表面的溫度分布狀況[9]。使用全新結(jié)構(gòu)的保溫堵頭后，法蘭盲板外表面溫度分布比較均勻，最高溫度為76℃，平均溫度約為70℃，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且遠(yuǎn)低于原保溫方式的外壁溫度，說(shuō)明開(kāi)發(fā)的新型保溫堵頭裝置具有良好的密封及保溫隔熱能力。

圖5 改造后集氣管保溫堵頭的熱成像圖

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的新型保溫堵頭裝置極大地方便了轉(zhuǎn)化爐集氣管的日常檢查與維護(hù)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，降低了維護(hù)成本。改造后，從半年多的使用情況來(lái)看，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，密封及保溫隔熱效果良好，未出現(xiàn)超溫情況，法蘭盲板外表面溫度一直低于規(guī)定值80℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明本次改造取得了成功，同時(shí)也為轉(zhuǎn)化爐集氣管封閉端保溫隔熱結(jié)構(gòu)的改造積累了經(jīng)驗(yàn)。