耐火纤维复合层衬里结构及其喷涂技术

耐火纤维复合层衬里结构及其喷涂技术

耐火纤维填充技术是近20年来开发的一种新技术，用于构建工业炉的节能减排。该技术采用专用设备,将经过预处理的耐火纤维和结合剂喷涂到炉体表面,以形成耐火保温层。这种先进的施工技术与其它筑炉方法相比,方法简便、省时高效,尤其适于构筑复杂异形炉衬;炉衬无接缝,严密性和整体性好,表面平整光洁;可形成多层复合炉衬,以获得高性能与低成本的最佳结合。采用耐火纤维喷涂技术不仅能大大缩短施工周期,而且提高了加热炉的热效率,节能效果和综合经济效益十分显著,使得这一新技术在工业炉的新建、改造和检修工程中能够得到成功的应用和迅速的推广。目前,已见报道的耐火纤维喷涂技术,存在着两个主要问题:其一,常见的结合剂多由溶胶、硅酸盐、磷酸盐、金属氯化物、高岭土或膨润土、有机物(含或不含)以及少量其它添加剂和水组成。结合剂的常温粘结强度低,使得在喷涂施工过程中,纤维层间及纤维层与炉体钢板间因粘结不牢而大面积脱落;其二,未能提供耐火纤维喷涂炉衬的结构及其成功实施的技术细节。这些问题在用该方法构筑炉顶衬里时尤其严重,使其成功率较低。本文报道一种耐火纤维复合层衬里结构及其喷涂技术,实践表明,该技术能有效地克服上述缺陷,成功率近100%。1材料的选择和准备1.1温度、化学和物理性能要求耐火纤维喷涂炉衬用纤维棉宜采用喷吹法生产的纤维棉,不宜采用甩丝法生产的纤维棉,主要根据使用温度选用。耐火纤维棉的种类及使用温度、化学成份和物理性能要求,见表1。纤维棉中不应混入高钙、高铁等外来夹杂物;同一种纤维棉中混入其它棉种的量不应超过10%。喷涂前,耐火纤维棉需经预处理,纤维长度不宜大于20mm。1.2结合剂为复合剂的棉结合剂应与被粘结的耐火纤维棉具有相同或相近的物理化学性能和使用温度,应同时具有常温和高温粘结强度,使纤维间具有强的机械结合和物理化学结合;并应具有良好的流动性、浸润性、扩散性和渗透性,但不应有腐蚀性。结合剂根据使用温度和耐火纤维棉的要求分别采用水玻璃、硅溶胶、磷酸铝、铝胶或锆胶中至少一种与一定比例的有机粘结剂混合,加水配制而成。有时还可以加入少量促凝剂和/或防腐剂,但不应加入含有钠、钾和铁的物质。结合剂的用量折合成SiO2应限制在干燥后总质量的2%～4%。结合剂中所含的有机粘结剂为纤维素、工业淀粉或聚乙烯醇水溶液,其质量浓度为5～60g/L,配制好的结合剂的pH值为6.2～7.0,相对密度为1.2,其常温粘结强度不低于0.05MPa。在应用于与奥氏体不锈钢表面接触的场合,应限制氯离子的含量在规定的范围内。2热桥压桥加固采用多层复合炉衬结构,其各层的材质与厚度根据炉子的工艺要求和使用温度以及热效率等技术经济分析,按经济厚度或最大允许热损失量下的厚度设计。在施工中通过对纤维棉与结合剂的用量、风压与液压以及喷射距离与角度的调节与控制,以使各层的密度逐层减少和增加三维网络结构。图1是复合层衬里结构的局部纵向剖面图。在炉体钢板上焊接上L型或V型金属锚固件,间距为200mm×200mm,长度比耐火纤维喷涂炉衬总厚度小约20mm,以保证其端点埋入衬里中,避免形成热桥。在炉体钢板和金属锚固件上涂刷或喷涂一薄层未经稀释的结合剂,作为预涂层,其常温粘结强度不低于0.05MPa。接着喷涂第一层较薄(20～30mm)的耐火纤维层,紧接着喷涂第二层较厚(30～70mm)的耐火纤维层,这样至多可达6层(图1中只示意出两层)。衬里总厚度可达360mm。各层所使用的耐火纤维棉根据使用温度的要求可逐层分别采用普铝纤维棉、高铝纤维棉、含锆纤维棉和晶体纤维棉中至少一种。各层中结合剂的粘度逐层降低,可用加水稀释的方法调节,水与结合剂的体积比由0.5增至4。结合剂的用量逐层减少,结合剂与纤维棉用量的质量比由1.2逐层降至0.9。根据衬里总厚度的不同在层与层之间加挂1～3层金属丝网,网嵌入纤维层内5～10mm,以进一步加固。喷涂施工采用纤维喷涂专用设备进行,喷涂用风机压力为0.1～0.2MPa,风量不得小于4m3/min。液压泵压力为0.2～0.6MPa。喷枪与施工面的距离应保持0.3～1.5m,与施工面法线间的夹角为5～30°。耐火纤维棉由喷枪中心喷嘴喷出,其质量流量为3～14kg/min;结合剂由喷枪外环的多个喷嘴喷出,其体积流量为3～20L/min。接缝应选在平面处,各层的接缝应相互错开,避免形成贯通缝。最后,在耐火纤维层的外表面喷涂一层由未经稀释的结合剂和最外层纤维棉渣球按体积比1∶1组成的连续性保护层,以成功地获得坚固而又整体性好的衬里,其密度为200～300kg/m3。3提高炉壁外表面温度的方法耐火纤维喷涂炉衬材料由于其密度小、孔隙度大以及三维网状结构,其导热系数比其它定形或不定形的耐火材料低,在相同厚度下热阻大,因此能显著地降低炉壁外表面温度,减少热损失,提高炉子的热效率,达到节能的目的。以下结合几个实例加以讨论。3.1复合层衬里结构及炉墙加热效果芳烃联合装置热油加热炉为一辐射-对流型立式圆筒加热炉,油气混合燃料底烧型,炉膛温度为900℃,原炉衬为耐火浇注料,炉壁外表面严重过热,炉子热效率较低。经技术改造,炉顶部分采用由180mm厚普铝纤维和70mm厚高铝纤维组成的复合层衬里结构;炉墙部分采用在原衬里之上喷涂80mm厚高铝纤维表衬。改造前后炉子热效率的比较见表2。表2中表面损失热流量按下式计算ϕs=Ah(ts-tr)式中,A为炉体总表面积,m2;h为表面散热系数,h=1.163×(10+6W−−√)h=1.163×(10+6W)其中W为该地区的年平均风速,取W=3m/s;tr为该地区的年平均气温,取tr=12℃;ts为炉体外表面温度,℃。比较表明,采用耐火纤维喷涂炉衬,有效地降低了表面散热损失,提高了炉子热效率。在本例中,按年运行8000h计算,每年可节省能量75TJ,按燃料油低位发热量为41GJ/t计算,相当于约1.83kt燃料油。3.2改造前后的热阻加氢裂化装置中的辐射-对流型循环氢加热炉,为底烧、方箱型炉。炉内温度小于900℃,炉衬面积约162m2。原衬里为轻质耐火浇注料与纤维毡粘接复合结构。炉子热效率设计值为88%。运行后因衬里严重脱落和产生大量缝隙而使炉外壁温度过高,散热损失过大,炉子热效率实测值仅为80%。改造后,全部采用耐火纤维喷涂复合层衬里。内层为普铝纤维层,分三层喷涂,总厚度为170mm。外层为高铝纤维层,分两层喷涂,总厚度为60mm。复合衬里总厚度为230mm,密度为220kg/m3,导热系数为0.117W/(m·K)。炉外壁平均温度为35℃,节能效果显著。满负荷运行数月后尚未发现衬里脱落现象。改造前后炉子热效率的比较见表3。表3中热阻R对于面积A相等的多层平壁,根据串联热阻的概念R=∑i=1ndiλiAR=∑i=1ndiλiA式中,i=1,2,…,n为复合衬里的层次;di、λi分别为第i层衬里的厚度和导热系数。表面损失热流量计算中取该地区的年平均风速W=3.4m/s;该地区的年平均气温tr=17℃。3.3改造前后表面效率比较炼油厂常压装置加热炉为一辐射-对流型立式底烧型圆筒炉,炉膛温度为900℃。原炉衬为耐火砖砌结构,炉壁外表面严重过热,炉子热效率较低。经技术改造,炉顶和烟囱部分在原衬里之上喷涂30mm厚高铝纤维表衬;辐射室上段炉墙部分在原衬里之上喷涂55mm厚高铝纤维表衬;辐射室下段炉墙部分在原衬里之上喷涂55mm厚普铝纤维表衬。改造前后炉子热效率的比较见表4。表4中表面损失热流量的计算中取该地区的年平均风速W=3.6m/s;该地区的年平均气温tr=3.6℃。比较表明,仅在原炉衬上喷涂一薄层耐火纤维表衬,既能有效地降低炉体的表面散热损失,提高炉子的热效率。在本例中,按年运行时间8000h计算,每年可节省能量23.3TJ,按燃料油低位发热量为41GJ/t计算,相当于约570t燃料油。原油加工量也从加热炉衬里改造前的3.6kt/d,提高到了4.3kt/d。4耐火纤维喷涂技术复合层炉衬结构和先进可行的喷涂施工技术工艺合理。该技术有效地防止了因结合剂的常温粘结强度低、炉衬结构不合理以及施工方法不当而引起的常见的涂层脱落现象,确保用耐火纤维喷涂方法成功地构筑工业