60ka苯乙烯裝置蒸汽熱風爐耐火纖維噴涂結構的研究

該裝置采用陸姆生產工藝，采用烷基化反應生成乙苯，乙苯脫氫生產苯乙烯，1989年10月投入運營。蒸汽過熱爐是為乙苯脫氫單元脫氫反應器提供反應所需能量的關鍵設備之一。蒸汽過熱爐為箱式管式加熱爐,熱負荷為22.5MJ/h,爐膛設計溫度1260℃。輻射室分為A、B兩室,底部分別安裝有6臺和4臺燒嘴,兩室之間以擋火墻隔開,共用一個對流段和煙道,蒸汽過熱爐襯里結構見圖1。4m以上及爐頂均為總厚度300mm的硅酸鋁纖維噴涂復合襯里,結構見圖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級輕質耐火磚結構,耐火磚支承在托磚板上,通過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爐上的運行故障改造前,爐外壁溫度遠超過加熱爐設計壁溫77℃,其中爐頂外壁溫度超過100℃,A室看火孔、托磚板處的溫度高達150℃。排煙溫度約190℃,遠超過設計溫度163℃。過熱爐熱效率在86%～87%,未能達到設計值90.5%。耐火襯里結構穩定性差,存在多處薄弱部位。自運行以來,該爐的耐火襯里多次發生故障,成為影響裝置正常運行的瓶頸。特別是1998年8月采用耐火纖維噴涂的方法對加熱爐內襯進行全面更換后,該爐運行效果一直不佳。2001年2月,A室爐頂耐火纖維噴涂料發生部分脫落,對損壞部分重新噴涂修補。2001年7月,A室爐頂耐火纖維噴涂襯里發生大面積脫落,導致對流段翅片管堵塞,不得不對整個A室爐頂襯里采用層鋪法修復。2002年1月,A室端墻耐火澆注料看火孔燒損,托磚板變形,導致局部耐火磚傾斜、倒塌,嚴重影響了裝置的正常生產。2錯誤分析2.1網絡狀退火結構目前,硅酸鋁耐火襯里結構主要有纖維噴涂結構和模塊疊砌結構等。模塊疊砌是目前耐火纖維襯里應用最廣泛的結構,根據爐膛溫度采用相應的耐火纖維針刺毯,按一定的結構、尺寸在專用機械上壓縮40%～50%加工成耐火纖維模塊,安裝過程中模塊通過錨固件固定,按一定的方式在爐壁上依次砌筑而成整體耐火襯里結構。砌筑完成后,模塊的壓縮量予以釋放,使各模塊擠成一個無縫隙的整體。耐火纖維噴涂結構是指通過專用噴涂設備將高溫結合劑均勻地覆蓋于耐火纖維表面,并借助物料的動力將噴涂料噴射在爐壁表面,形成三維網絡狀的耐火結構。噴涂所用結合劑由有機結合劑、無機結合劑和分散劑等材料配制成。其中有機結合劑在常溫下起附著、增韌和減少噴涂料反彈等作用。當溫度上升到350℃時,有機結合劑完全揮發。爐襯主要依靠無機粘結劑和錨固件結合在爐壁上。兩種襯里結構是同一種物質的不同結構形式,二者最根本的區別在于模塊襯里無結合劑,高溫下依靠錨固件固定,錨固件長度140mm,距離熱面160mm,而噴涂襯里高溫下依靠錨固件固定和結合劑粘結的共同作用。影響噴涂襯里最主要的因素是高溫下無機結合劑的粘結性和耐煙氣侵蝕性能,實踐證明,結合劑在溫度過高時(超過1000℃以上)會出現燒失和炭化,造成襯里損壞。噴涂結構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,對錨固件材質要求高。過熱爐噴涂襯里中使用的錨固件材質為2Cr25Ni20,按照爐膛設計溫度1260℃計算,錨固件的熱面溫度為1052℃,遠高于API560FiredHeatersforGeneralRefineryService推薦的2Cr25Ni20錨固件的最高使用溫度,見表1。在長期高溫氧化作用下,錨固件氧化且體積膨脹,使襯里層產生裂紋,而裂紋將導致更多的煙氣竄入,使錨固件受損,造成襯里的下垂、脫落。基于上述分析,對爐膛溫度大于1000℃的加熱爐耐火纖維襯里,應用噴涂結構不能滿足長期穩定生產的要求。2.2高溫作用下的耐火磚襯里蒸汽過熱爐爐膛設計溫度1260℃,但火焰溫度可達1350～1650℃,根據文獻推薦,在爐膛溫度1260℃環境下,可能受到火焰灼燒沖刷部位的耐火磚長期使用溫度不應低于1538℃。而該爐使用的26級耐火磚最高使用溫度為1430℃,在高溫作用下,耐火磚受荷軟化,產生裂紋甚至損壞。耐火磚襯里所使用的錨固件材質為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計算,錨固件熱面溫度為960℃,高于API560推薦的使用溫度。在長期高溫作用下,錨固件發生氧化、變形及燒損,強度降低而不能承受耐火磚質量,導致耐火磚襯里傾斜、倒塌。在耐火磚襯里中,看火孔和托磚板是薄弱部位,在生產操作中曾多次發生故障。3改革措施3.1硅酸鋁纖維清潔3.1.1纖維模塊安裝通過不同襯里結構的對比,對過熱爐4m以上硅酸鋁纖維襯里采用模塊疊砌結構。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。模塊結構采用單孔吊掛式,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。錨固支架結構強度高,固定結構牢固,長期使用安全可靠,最大程度實現了錨固件冷面固定,減少了錨固件的散熱損失,同時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折后保持30%以上的壓縮比強行塞入,并且采用2Cr25Ni20材質的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方向,模塊的不膨脹面采用整條纖維毯進行集中處理,消除了模塊襯里上可能由于局部膨脹縫處理不當而存在的死角,有效地防止了襯里局部過熱、竄火漏氣等現象的發生,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由于引風機的抽力作用造成了高溫煙氣向上流動,在爐頂部受到阻礙,形成遄動、渦流后沖刷到襯里表面。又因蒸汽過熱爐的高低爐頂結構不連續,因此是沖刷作用最嚴重的位置,也是纖維襯里的薄弱部位,處理難度大。為增強爐襯的整體性,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構成為了一個整體,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,高溫煙氣會竄入損壞襯里。在該處采用磚墻背襯與模塊背襯連接方式,熱面連接處用補償條處理。3.2防水磚裝飾3.2.1鋁質耐火磚抗沖劑的性能在襯里改造中,用28級高鋁輕質耐火磚代替原26級耐火磚,錨固件材質由2Cr25Ni20升級為Inconel601。材料技術特征對比見表2～表3。可以看出,28級高鋁輕質耐火磚最高使用溫度、耐壓強度均高于26級耐火磚,特別是重燒線變化率的提高使耐火磚的高溫體積穩定性隨之提高,從而減少了砌體的縫隙,提高其密封性和耐侵蝕性,避免砌體整體結構的破壞。Inconel601高溫下屈服強度保留比遠高于2Cr25Ni20,特別在1093℃以上時,2Cr25Ni20基本失去了有效強度,而Inconel601對中等受力部件仍具有有效強度,因此,Inconel601錨固件在長期高溫工作環境下的抗氧化和高溫力學性能優于2Cr25Ni20,有效保證了砌體的穩定性。3.2.2改變澆注料材質現場操作時需要定期打開看火孔觀察爐內情況,因而經常受到冷空氣的影響。在開啟過程中,大量的冷空氣進入爐膛內部,處于高溫下的看火孔受到急冷急熱沖擊,表面和內部的膨脹不同而產生應力,造成看火孔表面剝落。過熱爐看火孔原采用耐火澆注料材質,澆注料中含有水分,在干燥過程中,隨水分蒸發,澆注料表面產生細小裂紋,加熱過程中裂紋不斷擴展,高溫煙氣沿縫隙內竄,背襯材料燒損粉化,引起背襯失效和爐壁板過熱。改造后看火孔結構見圖4,其材料為28級異型高鋁耐火磚。看火孔分為4塊,現場膠泥砌筑,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。該結構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,產生裂紋較少,穩定性和隔熱性能優于澆注料看火孔。3.2.3托磚板與爐壁焊接托磚板是影響襯里穩定性的關鍵因素。過熱爐托磚板原采用直接與爐壁板焊接的剛性結構。生產過程中,爐壁的膨脹變形導致托磚板隨之移動變形,使耐火磚襯里產生裂紋,影響襯里的整體穩定性,甚至導致托磚板上部耐火磚傾斜倒塌。同時,托磚板形成的熱橋效應也導致該處爐壁超溫。改造后的托磚板材質仍采用2Cr25Ni20,但托磚板與爐壁板改用彈性連接結構,見圖5。采用1Cr18Ni9Ti角鋼與爐壁焊接,托磚板通過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,減少高溫煙氣竄入,增強對托磚板的保護作用。4降低爐壁熱風損失的措施爐壁散熱損失與爐壁外表面溫度、表面積、外部環境溫度及風速等因素有關,而后幾個因素是不可控制的,因此降低爐壁散熱損