高温高压裂解炉炉顶设计

高温高压裂解炉炉顶设计

大庆石化公司化工车间的七台东部撕裂炉（s-111）a-g，是由美国斯通-韦伯斯特公司开发的高温、短效和选择性裂解炉。自1986年投料运行至今已超过10年,后在1989年、1995年又先后增加了两台国产化的8号和9号裂解炉,其设计原理与指导思想基本上是按照原进口炉的构思进行的。最近几年,在停炉和开炉的状态下,炉顶衬里耐火材料经常出现脱落现象,使炉膛内的火焰直接烧向外壁碳钢板,其后果:一是超温严重;二是热态变形,使大量的热量散失,影响了炉子的正常运行。虽经过修补,但效果并不理想。1复合材料的制作EF-111A/G裂解炉炉顶原设计为上下层铺式耐火纤维毡结构。炉顶衬里由5层耐火纤维制品组成:直接接触火焰的一层选用25mm厚的T/5120-P(130)陶质纤维毡;中间由内向外,依次选用了25mm厚的T/5120-P(120)陶质纤维毡、25mm厚的T/5090高铝纤维针刺毡、50mm厚的T/5120高铝纤维针刺毡,最外保温层采用50mm厚的MG80普通纤维针刺毡。耐火材料之间用挂钉联接,其材质为25Cr-20Ni。并且自动夹全部用高铝毡密封。2路桥坍塌原因分析2.1保温钉和垫片材质乙烯裂解炉正常运行时炉膛温度高达1050℃左右。由于一部分手工安装的紧固件虽用耐火纤维毡盖住,但其密封性、紧固性不能达到很高的标准,在停炉抢修等状态下,炉内温差可高达1000℃,急冷急热则会导致保温钉上的纤维脱落。使保温钉完全被火焰包围,其材质为SUS304,垫片及压紧螺母选用了25Cr-20Ni,这两种材质不能长期承受1050℃的高温,时间一长会碳化变脆。保温钉紧固螺母脱落后,被其压住的耐火纤维毡因重力的作用及烟道气的冲击会向下脱落,导致炉膛内火焰向炉外渗透,烧坏炉顶碳钢板。2.2炉顶断裂现象EF-111A/G炉自1986年投产至今已10多年,由于COT温度较高导致炉管渗碳严重,变脆的炉管在投料及烧焦时经常发生断裂现象,断裂的炉管内部有烧焦用的0.7MPa～0.8MPa稀释蒸汽及工业风的混合气,该汽流冲击力较强,在较短的时间内则会使炉顶耐火纤维毡被吹落,由此使炉顶钢板变成了见火面,被烧坏。2.3炉顶衬里损伤裂解炉在停炉检修过程中,由于检修工人在搭架子时的不小心碰撞有时会使局部炉顶衬里损伤,损伤后的耐火纤维毡在烟道气的连续冲击下,会逐渐剥离,直至露出碳钢板。另外,自动夹紧固帽上的耐火纤维毡若被碰掉,紧固件将燃烧碳化变脆以致断裂,从而引起耐火纤维毡下沉并脱落,使火焰燃至碳钢板。2.4体积收缩,收缩率过大。造成纤维断裂,缺乏整见火后的纤维经过一定时间的使用后,出现析晶及晶粒长大的现象。在高温蠕变及晶粒长大的情况下纤维出现体积收缩。图1表示了几种纤维的温度与收缩率的关系。不均匀的体积收缩导致内应力,它在宏观上造成纤维表面错位,出现缩径、变形和晶界开裂。这种现象最终会导致紧固件断裂,纤维整体性受到破坏,使纤维失去整体的强度和弹性。失去强度的下部纤维在上部纤维的重力及炉膛烟道气流速的作用下,将从锚固件周围脱落。于是,脱落一层后上面的一层又变成了见火面,最终因恶性循环导致衬里失效。为此,SW公司对耐火纤维的线收缩率有明确的规定,详如表1所示。3改进设备顶部结构3.1锚固件的安装不当美国SW公司设计的原炉顶衬里结构采用了传统的层铺式结构,即从见火层开始至炉顶碳钢板依次选用了化学成分和性能不同的各个等级的耐火纤维。但是,由于层铺式是上下结构,使得整个保温层的重心向下,直接作用在锚固件上。而一旦锚固件受到损坏或是由于安装的精度不高,则不可避免地会造成陶质纤维一层一层地脱落,直至火焰直接烧向炉顶碳钢板。另外,由于重心向下,在安装时难度也较大,同时表面平整度不易控制,这些因素都会导致炉顶的损坏,图2所示为炉顶衬里受力分析。3.2模块式结构的优点本次改造主要是在考虑了原层铺式结构设计的不合理因素后,提出了以下两种改造方法:a)改造为模块结构。紧固件采用预埋式,并且为水平方向,整个结构在施工前预制成形。具体结构见图3。图中高铝纤维模块是将一定宽度的20mm厚的高铝纤维针刺毡折叠成8层(可以根据实际需要选择相应的层数),并轻微的压缩达到一定厚度,用紧固件把其预制成一组合件。轻微压缩是为了使每层之间产生一定的静态比压,使其密封性更好,模块安装如图4所示。模块结构优点表现在:1)施工速度快,但是必须是先预制好,质量容易保证;2)纤维方向对着炉内表面呈直角状态,再结晶的现象仅发生在最下面一层,纤维损失少,同时它叠层压缩,密度也较大,因此对同一等级的耐火纤维采用模块式比层铺式在使用温度上可提高50℃～100℃左右;3)紧固件采用了预埋式,不外露于烟道气中,防止了高温氧化的可能性;4)纤维旋置的方向是层铺式,其与重力的方向成90℃,所以难于剥离,另外也防止了烟道气的冲刷。b)仍采用层铺式,但为上下层铺式与左右层铺式的组合。在施工时把易剥离的上下层铺置于上部,而下部为稳定性较好的左右层铺,此方案如图5、图6所示。左右与上下层铺式相组合优点较多:1)在下部安装左右层铺式,使得纤维重力方向与紧固件垂直,因此耐火纤维不易剥落;2)即使部分火焰从下面进入,由于上部是上下层铺,因此可以阻止火焰的进一步侵入;3)左右层铺安装容易,工作量较小,质量易保证。因此这种结构完全可以满足生产的要求。在选择了以上两种方案后,还对耐火材料本身的质量及适用的工况范围做了选择。根据所用部位温度的不同选用了不同等级的玻璃态耐火纤维,而玻璃态耐火纤维根据三氧化二铝的含量和所添加的用于抑制高温下结晶的化学药剂的不同又可分为:STD级普通纤维;HP级高纯纤维;HA型高铝纤维;ST型微晶纤维;ZA型含锆纤维;MCA-95型纤维。耐火材料的各种技术参数见表2。左右层铺式及模块式炉顶衬里结构适合用于高温的容器,特别是经常出现冷热应力交变比较频繁的裂解炉。乙烯裂解新区的裂解炉炉顶已使用了模块结构,效果较好,达到了预期的效果。4炉秆热量的减少a)层铺式及模块式耐火纤维结构用在裂解炉炉顶,完全可以满足工艺要求,并可减少日常维护量,减轻炉膛热量的