蒸汽热风锅炉耐火衬里的改造

蒸汽热风锅炉耐火衬里的改造

采用鲁姆生产工艺，烷基化反应生成乙苯，乙苯脱氢生产苯乙烯。1989年10月，采用了该工艺。蒸汽过热炉是为乙苯脱氢单元脱氢反应器提供反应需要能量的关键设备。蒸汽过热炉的热效率低下,造成装置的能源浪费;而过热炉一旦发生故障,轻则影响脱氢反应的转化率和选择性,重则造成整套装置停车,导致重大的经济损失。1在蒸汽加热炉中，朱德辞职及原因分析1.1炉顶复合衬里蒸汽过热炉为箱式管形加热炉,热负荷为22.40MJ/h,炉膛设计温度1260℃.辐射室分为A、B两室,底部分别安装6台和4台烧嘴,两室之间以挡火墙隔开,共用一个对流段和烟道,蒸汽过热炉衬里结构见图1。4m以上及炉顶均为总厚度300mm的硅酸铝纤维喷涂复合衬里,结构见图2;4m以下为3层厚度总计130mm硅酸铝纤维背衬和172mm26级轻质耐火砖结构,耐火砖支承在托砖板上,通过锚固件与炉壁板连接;中间隔墙为耐火砖砌筑,炉底为325mm耐火浇注料。1.2热设计温度和炉热效率改造前,炉外壁温度大大超过加热炉设计壁温77℃,其中,炉顶外壁温度超过100℃,A室看火孔、托砖板处的温度高达150℃;排烟温度在190℃左右,远超过设计温度163℃。过热炉热效率一直徘徊在86%～87%之间,远未达到设计值90.5%。耐火衬里结构稳定性差,存在多处薄弱部位。自开车以来,该炉的耐火衬里多次发生故障,严重影响了装置的正常生产。1.3在炎热的烤箱中分析读取能力的原因1.3.1高温下炉身浸压对衬里的影响目前,硅酸铝耐火衬里结构主要有:纤维喷涂结构和模块叠砌结构等。耐火纤维喷涂法是指通过专用喷涂设备将高温结合剂均匀地覆盖于耐火纤维表面,并借助物料的动力,将喷涂料喷射在炉壁表面,形成三维网络状的耐火结构。喷涂所用结合剂由有机结合剂、无机结合剂、分散剂等材料配制成。其中有机结合剂在常温下起附着、增韧、减少喷涂料反弹等作用。当温度上升到350℃,有机结合剂完全挥发。炉衬主要依靠无机粘结剂和锚固件结合在炉壁上。影响喷涂衬里最主要的因素是:高温下无机结合剂的粘结性和耐烟气侵蚀性能,实践证明结合剂在温度过高时(超过1000℃以上)会出现烧失和炭化,造成衬里的损坏。喷涂结构采用较多的锚固件固定,造成热短路多,能量损耗大;锚固件距离热面仅30～50mm,对锚固件材质要求高。在过热炉喷涂衬里中,使用的锚固件材质为2Cr25Ni20,按照炉膛设计温度1260℃计算,锚固件的热面温度为1052℃,远高于API560推荐的2Cr25Ni20锚固件的最高使用温度,见表1。在长期高温氧化气氛作用下,锚固件氧化,体积膨胀,使衬里层产生裂纹,而裂纹将导致更多的烟气窜入,使锚固件受损,造成衬里的下垂、脱落。基于上述分析,炉膛温度大于1000℃的加热炉耐火纤维衬里,应用喷涂结构不能满足长期稳定生产的要求。1.3.2长期使用温度蒸汽过热炉炉膛设计温度1260℃,但火焰温度可达1350～1650℃,根据API560推荐,在炉膛温度1260℃环境下,可能受到火焰灼烧冲刷的部位,耐火砖长期使用温度不应低于1538℃。而该炉使用的26级耐火砖最高使用温度为1430℃,在高温作用下,耐火砖荷重软化,产生裂纹甚至损坏。耐火砖衬里所使用的锚固件材质为2Cr25Ni20,在火焰灼烧冲刷的部位,按热面温度1350℃,锚固件距离热面80mm计算,锚固件热面温度为960℃,高于API560推荐使用温度。在长期高温作用下,锚固件会发生氧化、变形、烧损,强度降低,不能承受耐火砖重量,导致耐火砖衬里倾斜、倒塌。在耐火砖衬里中,看火孔和托砖板结构是薄弱部位,在生产操作中曾多次发生故障。2加热炉的冷却性能2.1硅酸铝纤维胶带的改进2.1.1含锆型纤维模块通过不同衬里结构的对比,过热炉4m以上硅酸铝纤维衬里采用模块叠砌结构。总保温厚度300mm,热面保温层厚度250mm,采用含锆型纤维模块,背衬层厚度50mm,采用2层30mm高纯型纤维毯压缩至50mm。模块结构方式采用单孔吊挂式,见图3。该结构由焊接在炉壁板上的2Cr25Ni20螺栓,纤维模块中心留孔,旋入螺母,单块固定。锚固支架结构强度高,固定结构牢固,长期使用安全可靠,而且锚固件最大程度实现了冷面固定,减少了锚固件的散热损失,同时有效地保证了锚固件和纤维模块的使用寿命。2.1.2双锚固件固定的拐角式模块内由于引风机的抽力作用,高温烟气向上流动,在炉顶受到阻碍,形成湍动、涡流,对衬里表面造成冲刷。蒸汽过热炉的高低炉顶由于结构不连续,是冲刷作用最严重的位置,是纤维衬里的薄弱部位,处理难度大。为增强炉衬的整体性,在该处采用了双锚固件固定的拐角式模块,使此薄弱部位的保温结构成为一个整体,提高了抗冲刷能力,保证了保温效果。耐火砖炉衬与纤维炉衬连结处,由于不同材料间存在膨胀差异,易形成缝隙,造成高温烟气的窜入,损坏衬里。该处采用砖墙背衬与模块背衬连接方式,热面连结处采用补偿条处理。2.2防水砖装饰2.2.1高温下屈服强度在过热炉衬里改造施工中,采用28级高铝轻质耐火砖代替原用的26级耐火砖;锚固件材质由2Cr25Ni20升级为Inconel601。材料技术特征对比见表2、表3。通过对比,28级耐火砖比26级耐火砖最高使用温度、耐压强度提高。特别是重烧线变化率指标的提高,使耐火砖的高温体积稳定性提高,保证砌体的稳定性,减少砌体的缝隙,提高其密封性和耐侵蚀性,避免砌体整体结构的破坏。合金601高温下屈服强度保留比远高于2Cr25Ni20,特别在1093℃以上时,2Cr25Ni20基本上失去了任何有效的强度,而601对中等受力部件仍然具有有效强度。因此,601锚固件在长期高温工作环境下,抗氧化和高温力学性能优于2Cr25Ni20,有效地保证了砌体的稳定性。2.2.2火孔改造与增加过热炉看火孔原采用耐火浇注料材质,由于浇注料含有水分,在干燥过程中随水分蒸发,表面产生细小裂纹,在加热过程中,裂纹不断扩展,高温烟气沿缝隙内窜,背衬材料烧损粉化,引起背衬失效和炉壁板过热。改造后看火孔结构见图4,材料为28级异型高铝耐火砖。看火孔分为4块,现场胶泥砌筑,背衬采用高铝纤维板。为提高隔热性能,在看火孔与炉壁之间增加一层10mm厚含锆耐火纤维毯。该结构看火孔与耐火砖热膨胀性相同,砌筑后与耐火砖墙成为整体,产生裂纹较少,稳定性和隔热性能优于浇注料看火孔。2.2.3托砖板与炉壁板的连接托砖板是影响衬里稳定性的关键因素。过热炉托砖板原采用直接与炉壁板焊接的刚性结构。由于生产过程中炉壁的膨胀变形,导致托砖板随之移动变形,使耐火砖衬里产生裂纹,影响衬里的整体稳定性,甚至导致托砖板上部耐火砖倾斜倒塌。同时由于托砖板形成的热桥效应,导致该处炉壁超温。改造后,托砖板材质仍采用2Cr25Ni20,托砖板与炉壁板采用弹性连接结构,见图5。该结构采用1Cr18Ni9Ti角钢与炉壁焊接,托砖板通过1Cr18Ni9Ti螺栓与角钢相连。为增加弹性和隔热性能,托砖板与角钢间增加一层2mm厚耐火纤维纸。托砖板下部耐火砖厚度加大到142mm,膨胀缝采用含锆纤维毯塞实,减少高温烟气窜入,增强对托砖板的保护作用。3加热设备的性能3.1t-ta、tu1、tn3.5、t-tn3.5.21.3.5.25.25.25.25.25.25.25.25.25.2a5.25.25.25.25.25.25.25.25.25.15.25.25.25.25.25.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.25.5.25.55.55.55.55.55.55.55.55.55.25.25.55.5.4.5.25.5.3.3.3.3.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.5.5.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5.25.5炉壁散热损失与炉壁外表面温度、表面积、外部环境温度、风速等因素有关,而后几个因素是不可控制的。因此降低炉壁散热损失,主要是靠炉壁的保温来实现的。改造前后炉外壁温度对比见表4。炉壁散热损失通过以下公式计算:Q1=A·F(t-ta)(1)A=A1(t−ta)1/4+A2[(T100)4−(Ta100)4]t−tuT=t+273.15‚Ta=ta+273.15q1=Q1Qr×100％(2)A=A1(t-ta)1/4+A2[(Τ100)4-(Τa100)4]t-tuΤ=t+273.15‚Τa=ta+273.15q1=Q1Qr×100％(2)式中:Q1—炉壁散热损失热量,kJ/hQr—燃料发热量,kJ/kgA1—与炉墙表面形式有关的系数,一般取A1=2.2～2.6A2—炉墙表面的辐射系数,一般取A2=3.92～4.25t—炉子外壁温度,℃ta—大气温度,℃F—炉子外壁表面积,m2q1—炉