60ka苯乙烯裝置蒸汽熱風(fēng)爐耐火纖維噴涂結(jié)構(gòu)的研究

60ka苯乙烯裝置蒸汽熱風(fēng)爐耐火纖維噴涂結(jié)構(gòu)的研究

該裝置采用陸姆生產(chǎn)工藝，采用烷基化反應(yīng)生成乙苯，乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯，1989年10月投入運(yùn)營(yíng)。蒸汽過(guò)熱爐是為乙苯脫氫單元脫氫反應(yīng)器提供反應(yīng)所需能量的關(guān)鍵設(shè)備之一。蒸汽過(guò)熱爐為箱式管式加熱爐,熱負(fù)荷為22.5MJ/h,爐膛設(shè)計(jì)溫度1260℃。輻射室分為A、B兩室,底部分別安裝有6臺(tái)和4臺(tái)燒嘴,兩室之間以擋火墻隔開,共用一個(gè)對(duì)流段和煙道,蒸汽過(guò)熱爐襯里結(jié)構(gòu)見圖1。4m以上及爐頂均為總厚度300mm的硅酸鋁纖維噴涂復(fù)合襯里,結(jié)構(gòu)見圖2。4m以下為3層總厚度130mm的硅酸鋁纖維背襯和厚度172mm的26級(jí)輕質(zhì)耐火磚結(jié)構(gòu),耐火磚支承在托磚板上,通過(guò)錨固件與爐壁板連接。中間隔墻為耐火磚砌筑,爐底為325mm厚耐火澆注料。1重新噴涂工藝在試驗(yàn)爐上的運(yùn)行故障改造前,爐外壁溫度遠(yuǎn)超過(guò)加熱爐設(shè)計(jì)壁溫77℃,其中爐頂外壁溫度超過(guò)100℃,A室看火孔、托磚板處的溫度高達(dá)150℃。排煙溫度約190℃,遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度163℃。過(guò)熱爐熱效率在86%～87%,未能達(dá)到設(shè)計(jì)值90.5%。耐火襯里結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,存在多處薄弱部位。自運(yùn)行以來(lái),該爐的耐火襯里多次發(fā)生故障,成為影響裝置正常運(yùn)行的瓶頸。特別是1998年8月采用耐火纖維噴涂的方法對(duì)加熱爐內(nèi)襯進(jìn)行全面更換后,該爐運(yùn)行效果一直不佳。2001年2月,A室爐頂耐火纖維噴涂料發(fā)生部分脫落,對(duì)損壞部分重新噴涂修補(bǔ)。2001年7月,A室爐頂耐火纖維噴涂襯里發(fā)生大面積脫落,導(dǎo)致對(duì)流段翅片管堵塞,不得不對(duì)整個(gè)A室爐頂襯里采用層鋪法修復(fù)。2002年1月,A室端墻耐火澆注料看火孔燒損,托磚板變形,導(dǎo)致局部耐火磚傾斜、倒塌,嚴(yán)重影響了裝置的正常生產(chǎn)。2錯(cuò)誤分析2.1網(wǎng)絡(luò)狀退火結(jié)構(gòu)目前,硅酸鋁耐火襯里結(jié)構(gòu)主要有纖維噴涂結(jié)構(gòu)和模塊疊砌結(jié)構(gòu)等。模塊疊砌是目前耐火纖維襯里應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu),根據(jù)爐膛溫度采用相應(yīng)的耐火纖維針刺毯,按一定的結(jié)構(gòu)、尺寸在專用機(jī)械上壓縮40%～50%加工成耐火纖維模塊,安裝過(guò)程中模塊通過(guò)錨固件固定,按一定的方式在爐壁上依次砌筑而成整體耐火襯里結(jié)構(gòu)。砌筑完成后,模塊的壓縮量予以釋放,使各模塊擠成一個(gè)無(wú)縫隙的整體。耐火纖維噴涂結(jié)構(gòu)是指通過(guò)專用噴涂設(shè)備將高溫結(jié)合劑均勻地覆蓋于耐火纖維表面,并借助物料的動(dòng)力將噴涂料噴射在爐壁表面,形成三維網(wǎng)絡(luò)狀的耐火結(jié)構(gòu)。噴涂所用結(jié)合劑由有機(jī)結(jié)合劑、無(wú)機(jī)結(jié)合劑和分散劑等材料配制成。其中有機(jī)結(jié)合劑在常溫下起附著、增韌和減少噴涂料反彈等作用。當(dāng)溫度上升到350℃時(shí),有機(jī)結(jié)合劑完全揮發(fā)。爐襯主要依靠無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和錨固件結(jié)合在爐壁上。兩種襯里結(jié)構(gòu)是同一種物質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)形式,二者最根本的區(qū)別在于模塊襯里無(wú)結(jié)合劑,高溫下依靠錨固件固定,錨固件長(zhǎng)度140mm,距離熱面160mm,而噴涂襯里高溫下依靠錨固件固定和結(jié)合劑粘結(jié)的共同作用。影響噴涂襯里最主要的因素是高溫下無(wú)機(jī)結(jié)合劑的粘結(jié)性和耐煙氣侵蝕性能,實(shí)踐證明,結(jié)合劑在溫度過(guò)高時(shí)(超過(guò)1000℃以上)會(huì)出現(xiàn)燒失和炭化,造成襯里損壞。噴涂結(jié)構(gòu)采用較多的錨固件固定,熱短路多,能量損耗大。錨固件距離熱面僅30～50mm,對(duì)錨固件材質(zhì)要求高。過(guò)熱爐噴涂襯里中使用的錨固件材質(zhì)為2Cr25Ni20,按照爐膛設(shè)計(jì)溫度1260℃計(jì)算,錨固件的熱面溫度為1052℃,遠(yuǎn)高于API560FiredHeatersforGeneralRefineryService推薦的2Cr25Ni20錨固件的最高使用溫度,見表1。在長(zhǎng)期高溫氧化作用下,錨固件氧化且體積膨脹,使襯里層產(chǎn)生裂紋,而裂紋將導(dǎo)致更多的煙氣竄入,使錨固件受損,造成襯里的下垂、脫落?；谏鲜龇治?對(duì)爐膛溫度大于1000℃的加熱爐耐火纖維襯里,應(yīng)用噴涂結(jié)構(gòu)不能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。2.2高溫作用下的耐火磚襯里蒸汽過(guò)熱爐爐膛設(shè)計(jì)溫度1260℃,但火焰溫度可達(dá)1350～1650℃,根據(jù)文獻(xiàn)推薦,在爐膛溫度1260℃環(huán)境下,可能受到火焰灼燒沖刷部位的耐火磚長(zhǎng)期使用溫度不應(yīng)低于1538℃。而該爐使用的26級(jí)耐火磚最高使用溫度為1430℃,在高溫作用下,耐火磚受荷軟化,產(chǎn)生裂紋甚至損壞。耐火磚襯里所使用的錨固件材質(zhì)為2Cr25Ni20,在火焰灼燒沖刷的部位,按熱面溫度1350℃,錨固件距離熱面80mm計(jì)算,錨固件熱面溫度為960℃,高于API560推薦的使用溫度。在長(zhǎng)期高溫作用下,錨固件發(fā)生氧化、變形及燒損,強(qiáng)度降低而不能承受耐火磚質(zhì)量,導(dǎo)致耐火磚襯里傾斜、倒塌。在耐火磚襯里中,看火孔和托磚板是薄弱部位,在生產(chǎn)操作中曾多次發(fā)生故障。3改革措施3.1硅酸鋁纖維清潔3.1.1纖維模塊安裝通過(guò)不同襯里結(jié)構(gòu)的對(duì)比,對(duì)過(guò)熱爐4m以上硅酸鋁纖維襯里采用模塊疊砌結(jié)構(gòu)。總保溫厚度300mm,熱面保溫層厚度250mm,采用含鋯型纖維模塊,背襯層厚度50mm,采用2層30mm高純型纖維毯壓縮至50mm。模塊結(jié)構(gòu)采用單孔吊掛式,見圖3。在爐壁板上焊接2Cr25Ni20螺栓,纖維模塊中心留孔,將螺栓插入模塊后旋入螺母,將模塊固定在螺栓上。錨固支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,固定結(jié)構(gòu)牢固,長(zhǎng)期使用安全可靠,最大程度實(shí)現(xiàn)了錨固件冷面固定,減少了錨固件的散熱損失,同時(shí)有效保證了錨固件和纖維模塊的使用壽命。纖維模塊采用兵列式排列。將模塊按照壓縮方向依次安裝在焊接的錨固件上,在纖維模塊非壓縮方向,采用一層含鋯纖維毯對(duì)折后保持30%以上的壓縮比強(qiáng)行塞入,并且采用2Cr25Ni20材質(zhì)的U形釘將其穿插到模塊上固定。兵列式排列纖維模塊的膨脹集中在一個(gè)方向,模塊的不膨脹面采用整條纖維毯進(jìn)行集中處理,消除了模塊襯里上可能由于局部膨脹縫處理不當(dāng)而存在的死角,有效地防止了襯里局部過(guò)熱、竄火漏氣等現(xiàn)象的發(fā)生,保證了模塊的整體完整。3.1.2雙錨固件固定的拐角式模塊內(nèi)由于引風(fēng)機(jī)的抽力作用造成了高溫?zé)煔庀蛏狭鲃?dòng),在爐頂部受到阻礙,形成遄動(dòng)、渦流后沖刷到襯里表面。又因蒸汽過(guò)熱爐的高低爐頂結(jié)構(gòu)不連續(xù),因此是沖刷作用最嚴(yán)重的位置,也是纖維襯里的薄弱部位,處理難度大。為增強(qiáng)爐襯的整體性,在該處采用了雙錨固件固定的拐角式模塊,使此薄弱部位的保溫結(jié)構(gòu)成為了一個(gè)整體,提高了抗沖刷能力,保證了保溫效果。由于不同材料之間存在受熱膨脹的差異,耐火磚爐襯與纖維爐襯連接處易形成縫隙,高溫?zé)煔鈺?huì)竄入損壞襯里。在該處采用磚墻背襯與模塊背襯連接方式,熱面連接處用補(bǔ)償條處理。3.2防水磚裝飾3.2.1鋁質(zhì)耐火磚抗沖劑的性能在襯里改造中,用28級(jí)高鋁輕質(zhì)耐火磚代替原26級(jí)耐火磚,錨固件材質(zhì)由2Cr25Ni20升級(jí)為Inconel601。材料技術(shù)特征對(duì)比見表2～表3?？梢钥闯?28級(jí)高鋁輕質(zhì)耐火磚最高使用溫度、耐壓強(qiáng)度均高于26級(jí)耐火磚,特別是重?zé)€變化率的提高使耐火磚的高溫體積穩(wěn)定性隨之提高,從而減少了砌體的縫隙,提高其密封性和耐侵蝕性,避免砌體整體結(jié)構(gòu)的破壞。Inconel601高溫下屈服強(qiáng)度保留比遠(yuǎn)高于2Cr25Ni20,特別在1093℃以上時(shí),2Cr25Ni20基本失去了有效強(qiáng)度,而Inconel601對(duì)中等受力部件仍具有有效強(qiáng)度,因此,Inconel601錨固件在長(zhǎng)期高溫工作環(huán)境下的抗氧化和高溫力學(xué)性能優(yōu)于2Cr25Ni20,有效保證了砌體的穩(wěn)定性。3.2.2改變澆注料材質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)需要定期打開看火孔觀察爐內(nèi)情況,因而經(jīng)常受到冷空氣的影響。在開啟過(guò)程中,大量的冷空氣進(jìn)入爐膛內(nèi)部,處于高溫下的看火孔受到急冷急熱沖擊,表面和內(nèi)部的膨脹不同而產(chǎn)生應(yīng)力,造成看火孔表面剝落。過(guò)熱爐看火孔原采用耐火澆注料材質(zhì),澆注料中含有水分,在干燥過(guò)程中,隨水分蒸發(fā),澆注料表面產(chǎn)生細(xì)小裂紋,加熱過(guò)程中裂紋不斷擴(kuò)展,高溫?zé)煔庋乜p隙內(nèi)竄,背襯材料燒損粉化,引起背襯失效和爐壁板過(guò)熱。改造后看火孔結(jié)構(gòu)見圖4,其材料為28級(jí)異型高鋁耐火磚。看火孔分為4塊,現(xiàn)場(chǎng)膠泥砌筑,背襯采用高鋁纖維板。為提高隔熱性能,在看火孔與爐壁之間增加一層10mm厚含鋯耐火纖維毯。該結(jié)構(gòu)看火孔與耐火磚熱膨脹性相同,砌筑后與耐火磚墻成為整體,產(chǎn)生裂紋較少,穩(wěn)定性和隔熱性能優(yōu)于澆注料看火孔。3.2.3托磚板與爐壁焊接托磚板是影響襯里穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。過(guò)熱爐托磚板原采用直接與爐壁板焊接的剛性結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)過(guò)程中,爐壁的膨脹變形導(dǎo)致托磚板隨之移動(dòng)變形,使耐火磚襯里產(chǎn)生裂紋,影響襯里的整體穩(wěn)定性,甚至導(dǎo)致托磚板上部耐火磚傾斜倒塌。同時(shí),托磚板形成的熱橋效應(yīng)也導(dǎo)致該處爐壁超溫。改造后的托磚板材質(zhì)仍采用2Cr25Ni20,但托磚板與爐壁板改用彈性連接結(jié)構(gòu),見圖5。采用1Cr18Ni9Ti角鋼與爐壁焊接,托磚板通過(guò)1Cr18Ni9Ti螺栓與角鋼相連。為增加彈性和隔熱性能,托磚板與角鋼間增加一層2mm厚耐火纖維紙。托磚板下部耐火磚厚度加大到142mm,膨脹縫用含鋯纖維毯塞實(shí),減少高溫?zé)煔飧Z入,增強(qiáng)對(duì)托磚板的保護(hù)作用。4降低爐壁熱風(fēng)損失的措施爐壁散熱損失與爐壁外表面溫度、表面積、外部環(huán)境溫度及風(fēng)速等因素有關(guān),而后幾個(gè)因素是不可控制的,因此降低爐壁散熱損