60ka苯乙烯装置蒸汽热风炉耐火纤维喷涂结构的研究

60ka苯乙烯装置蒸汽热风炉耐火纤维喷涂结构的研究

该装置采用陆姆生产工艺，采用烷基化反应生成乙苯，乙苯脱氢生产苯乙烯，1989年10月投入运营。蒸汽过热炉是为乙苯脱氢单元脱氢反应器提供反应所需能量的关键设备之一。蒸汽过热炉为箱式管式加热炉,热负荷为22.5MJ/h,炉膛设计温度1260℃。辐射室分为A、B两室,底部分别安装有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层总厚度130mm的硅酸铝纤维背衬和厚度172mm的26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厚耐火浇注料。1重新喷涂工艺在试验炉上的运行故障改造前,炉外壁温度远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℃。排烟温度约190℃,远超过设计温度163℃。过热炉热效率在86%～87%,未能达到设计值90.5%。耐火衬里结构稳定性差,存在多处薄弱部位。自运行以来,该炉的耐火衬里多次发生故障,成为影响装置正常运行的瓶颈。特别是1998年8月采用耐火纤维喷涂的方法对加热炉内衬进行全面更换后,该炉运行效果一直不佳。2001年2月,A室炉顶耐火纤维喷涂料发生部分脱落,对损坏部分重新喷涂修补。2001年7月,A室炉顶耐火纤维喷涂衬里发生大面积脱落,导致对流段翅片管堵塞,不得不对整个A室炉顶衬里采用层铺法修复。2002年1月,A室端墙耐火浇注料看火孔烧损,托砖板变形,导致局部耐火砖倾斜、倒塌,严重影响了装置的正常生产。2错误分析2.1网络状退火结构目前,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。模块叠砌是目前耐火纤维衬里应用最广泛的结构,根据炉膛温度采用相应的耐火纤维针刺毯,按一定的结构、尺寸在专用机械上压缩40%～50%加工成耐火纤维模块,安装过程中模块通过锚固件固定,按一定的方式在炉壁上依次砌筑而成整体耐火衬里结构。砌筑完成后,模块的压缩量予以释放,使各模块挤成一个无缝隙的整体。耐火纤维喷涂结构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、无机结合剂和分散剂等材料配制成。其中有机结合剂在常温下起附着、增韧和减少喷涂料反弹等作用。当温度上升到350℃时,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。两种衬里结构是同一种物质的不同结构形式,二者最根本的区别在于模块衬里无结合剂,高温下依靠锚固件固定,锚固件长度140mm,距离热面160mm,而喷涂衬里高温下依靠锚固件固定和结合剂粘结的共同作用。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,造成衬里损坏。喷涂结构采用较多的锚固件固定,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。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API560FiredHeatersforGeneralRefineryService推荐的2Cr25Ni20锚固件的最高使用温度,见表1。在长期高温氧化作用下,锚固件氧化且体积膨胀,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,对炉膛温度大于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。2.2高温作用下的耐火砖衬里蒸汽过热炉炉膛设计温度1260℃,但火焰温度可达1350～1650℃,根据文献推荐,在炉膛温度1260℃环境下,可能受到火焰灼烧冲刷部位的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,耐火砖受荷软化,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推荐的使用温度。在长期高温作用下,锚固件发生氧化、变形及烧损,强度降低而不能承受耐火砖质量,导致耐火砖衬里倾斜、倒塌。在耐火砖衬里中,看火孔和托砖板是薄弱部位,在生产操作中曾多次发生故障。3改革措施3.1硅酸铝纤维清洁3.1.1纤维模块安装通过不同衬里结构的对比,对过热炉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。模块结构采用单孔吊挂式,见图3。在炉壁板上焊接2Cr25Ni20螺栓,纤维模块中心留孔,将螺栓插入模块后旋入螺母,将模块固定在螺栓上。锚固支架结构强度高,固定结构牢固,长期使用安全可靠,最大程度实现了锚固件冷面固定,减少了锚固件的散热损失,同时有效保证了锚固件和纤维模块的使用寿命。纤维模块采用兵列式排列。将模块按照压缩方向依次安装在焊接的锚固件上,在纤维模块非压缩方向,采用一层含锆纤维毯对折后保持30%以上的压缩比强行塞入,并且采用2Cr25Ni20材质的U形钉将其穿插到模块上固定。兵列式排列纤维模块的膨胀集中在一个方向,模块的不膨胀面采用整条纤维毯进行集中处理,消除了模块衬里上可能由于局部膨胀缝处理不当而存在的死角,有效地防止了衬里局部过热、窜火漏气等现象的发生,保证了模块的整体完整。3.1.2双锚固件固定的拐角式模块内由于引风机的抽力作用造成了高温烟气向上流动,在炉顶部受到阻碍,形成遄动、涡流后冲刷到衬里表面。又因蒸汽过热炉的高低炉顶结构不连续,因此是冲刷作用最严重的位置,也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了一个整体,提高了抗冲刷能力,保证了保温效果。由于不同材料之间存在受热膨胀的差异,耐火砖炉衬与纤维炉衬连接处易形成缝隙,高温烟气会窜入损坏衬里。在该处采用砖墙背衬与模块背衬连接方式,热面连接处用补偿条处理。3.2防水砖装饰3.2.1铝质耐火砖抗冲剂的性能在衬里改造中,用28级高铝轻质耐火砖代替原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。可以看出,28级高铝轻质耐火砖最高使用温度、耐压强度均高于26级耐火砖,特别是重烧线变化率的提高使耐火砖的高温体积稳定性随之提高,从而减少了砌体的缝隙,提高其密封性和耐侵蚀性,避免砌体整体结构的破坏。Inconel601高温下屈服强度保留比远高于2Cr25Ni20,特别在1093℃以上时,2Cr25Ni20基本失去了有效强度,而Inconel601对中等受力部件仍具有有效强度,因此,Inconel601锚固件在长期高温工作环境下的抗氧化和高温力学性能优于2Cr25Ni20,有效保证了砌体的稳定性。3.2.2改变浇注料材质现场操作时需要定期打开看火孔观察炉内情况,因而经常受到冷空气的影响。在开启过程中,大量的冷空气进入炉膛内部,处于高温下的看火孔受到急冷急热冲击,表面和内部的膨胀不同而产生应力,造成看火孔表面剥落。过热炉看火孔原采用耐火浇注料材质,浇注料中含有水分,在干燥过程中,随水分蒸发,浇注料表面产生细小裂纹,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,其材料为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。3.2.3托砖板与炉壁焊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。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,托砖板形成的热桥效应也导致该处炉壁超温。改造后的托砖板材质仍采用2Cr25Ni20,但托砖板与炉壁板改用弹性连接结构,见图5。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。4降低炉壁热风损失的措施炉壁散热损失与炉壁外表面温度、表面积、外部环境温度及风速等因素有关,而后几个因素是不可控制的,因此降低炉壁散热损