重整装置四合一加热炉炉壁衬里变更

　单亚德 于凤宝

　　中国石油辽河石化公司重整车间

　　摘要：

　　针对辽河石化公司新建60万t/a连续重整装置四合一加热炉辐射室炉墙冬季施工成本高且不易保证质量的情况，通过分析、计算、比较后采用内壁刷防酸露点腐蚀涂料+50mm憎水型陶瓷纤维板CBD-100-340+一层阻气铝箔+150mm高铝陶纤模块CM-135-2(10mm陶瓷纤维毯CB-120-2)代替原设计的50mm轻质隔热耐火浇注料+150mm高铝陶纤模块CM-135-2(含浇注料侧10mm陶瓷纤维毯CB-120-2)炉墙。使用效果表明,采用新方案不仅完全满足设计要求，而且不受冬季施工环境的影响。

　　关键词：加热炉; 辐射室; 衬里; 变更;

　　1衬里施工的问题

　　辽河石化公司新建60万t/a连续重整装置四合一进料加热炉由中国石化建设有限公司设计。该加热炉为四合一立式炉, 采用U型管箱式炉型，四炉共用同一辐射室，中间以砖墙隔开分设4个炉膛。炉管采用恒力弹簧吊架上部支撑。工艺介质仅在辐射室加热，炉膛内根据工艺热负荷分别布置多排U型管，并分别在辐射炉顶通过集合管与工艺管线相连_［1-3］。四合一炉上部为对流室，对流室设置热工余热锅炉回收烟气余热_［4-5］。其结构见图1。

　　该四合一加热炉辐射室炉墙设计为50mm轻质隔热耐火浇注料JM-100+150mm高铝陶纤模块CM-135-2(含轻质隔热耐火浇注料侧10mm陶瓷纤维毯CB-120-2)。

　　根据装置建设的实际进度和计划，四合一加热炉衬里施工处于冬季。浇注料衬里施工规定_［6］,浇注料施工时,环境温度应在5℃以上，否则应采取防寒措施。衬里在冬季施工，环境温度过低，会明显影响浇注料衬里的使用强度，严重时还可能造成冻害。该加热炉尺寸(长×宽×高)为28.6m×11.2m×15.4m，如保证浇注料施工所需的环境温度，需要蒸汽保温或烘炉，且浇注料为现场手工捣制，施工周期较长，冬季施工费用将大幅增加。此外，50mm浇注料锚固件和150mm陶纤模块锚固件需共同焊接在炉壁板上，浇注料无法实施支模浇筑，只能手工捣制，特别是炉顶衬里施工难度更大，无法保证施工质量。

　　因此，在施工计划不能改变的情况下，经分析、计算和比较，提出辐射室炉壁衬里采用内壁刷防酸露点腐蚀涂料+50mm憎水型陶瓷纤维板CBD-100-340+一层阻气铝箔+150mm高铝陶纤模块CM-135-2(10mm陶瓷纤维毯CB-120-2)代替原设计方案的方案。

　　2方案比较

　　2.1传热计算

　　设环境温度为20℃，炉膛温度设计值为750℃，根据SH/T 3115-2000《石油化工管式炉轻质浇注料衬里工程技术条件》_［6］和文献_[7]的传热计算公式计算辐射炉顶、炉墙散热量。

　　炉顶外壁向环境散热量按下式计算:

　　式中，q_１为炉顶外壁热流密度，W/m²；t_ａ为环境温度，t_ｃ为炉外壁温度，℃。

　　炉墙外壁向环境散热量按下式计算:

　　式中，q²为炉墙外壁热流密度，W/m²。

　　炉衬热面向冷面散热按下式计算:

其中R=b/λ

　　式中，q_３为炉衬单位面积热面向冷面传热热流密度，W/m²；tｋ为炉衬间温度，℃；R为衬里热阻，m²·K/W；b为衬里厚度，mm；λ为材料导热系数，W/(m·K)。

　　2.1.1浇注料方案散热损失计算

　　原设计辐射炉墙和炉顶衬里厚度200mm，从壁板侧至向火面材料依次为50mm背衬轻质隔热耐火浇注料(JM100)+10mm陶瓷纤维毯(CB-120-2)+140mm高铝陶瓷纤维模块(CM-135-2)，导热系数依次为0.13、0.07、0.15 W/(m·K)_［８］。炉温750℃, 环境温度20℃。

　　根据本例上述数据,应用式(1)、式(3)逐层计算可得炉顶的外壁温度55.40℃， 炉壁的外壁温度为59.40℃，散热热流密度为472.8W/m²。

　　2.1.2纤维板方案散热损失计算

　　修改后辐射炉墙和炉顶衬里厚度仍然为200mm，从壁板侧至向火面材料依次为50mm背衬憎水型陶瓷纤维硬板(CBD-100-340)+10mm陶瓷纤维毯(CB-120-2)+140mm高铝陶瓷纤维模块(CM-135-2)。各层导热系数依次为0.08、0.08以及0.16W/(m·K)_［９］。炉温750℃,环境温度20℃。

　　同理, 根据本例上述数据，应用式(1)~式(3)逐层计算可得炉顶的外壁温度为52.60℃，炉壁的外壁温度为56.30℃，散热热流密度426.9W/m²。

　　2.2节能计算

　　将上述计算结果换算可知，采用50mm陶纤板方案可以实现节能165240J/(h·m²)，折合标油0.00365kg/(h·m²)，每年按8000h计算，可节约标油31.62kg/m²。

　　2.3两种方案的技术性能比较

　　原设计采用轻质耐火隔热浇注料作为背衬，可以阻止燃料含硫对壁板和保温钉的露点腐蚀。修改后的辐射室衬里方案全部采用陶瓷纤维制品，假如燃料含硫，燃烧产生的烟气中的SO₂会通过纤维制品的微隙到达壁板，低温下生成H₂SO₄。为了防止壁板和保温钉根部发生露点腐蚀，造成衬里的脱落，在壁板上涂刷工作温度大于180℃的防低温露点腐蚀涂料，同时在背衬憎水型陶瓷纤维硬板和高铝陶瓷纤维模块之间增加阻气铝箔，防止烟气窜入壁板层。

　　浇注料方案和陶纤板方案的技术性能比较见表1。

　　表1. 浇注料方案和陶纤板方案技术性能比较

　　综合以上对比分析，对辽河石化公司60万t/a连续重整装置四合一加热炉辐射室衬里，选用内壁刷防酸露点腐蚀涂料+50mm憎水型陶瓷纤维板CBD-100-340+一层阻气铝箔+150mm高铝陶纤模块CM-135-2(10mm陶瓷纤维毯CB-120-2)的衬里方案更合理。

　　3衬里施工

　　耐火陶瓷纤维制品不仅具有优良的热稳定性和化学稳定性，而且还有低导热率、低热容量以及优良的抗急冷急热性，在长期使用温度范围内纤维仍松散柔软且富有弹性。

　　憎水型陶瓷纤维板、陶瓷纤维毯、高铝陶瓷纤维模块属于定型产品，与轻质隔热耐火浇注料相比施工质量容易控制。

　　根据陶纤制品设计施工规范［10］，阻气铝箔边沿至少重叠175mm，且边沿和开孔应密封。为避免炉衬结构因纤维收缩产生贯穿缝，接缝两旁的耐火陶瓷纤维毯采用层间错缝搭接铺设，搭接长度100mm，搭接方向与气流方向一致，各层之间错缝在100mm以上，同时必须留有25mm以上的安装压缩量。

　　对于沿模块折叠方向顺次同向竖缝的排列方式，在模块的排与排之间必须设置收缩缝，且必须用相应等级的耐火陶瓷纤维毯对折后填入缝隙并挤紧。对于炉顶陶瓷纤维模块须采用交错镶嵌法排列形式，严格保证相邻模块互相抵消收缩量，应特别注意模块错角处的窜气缝。

　　为确保衬里施工质量，严格按照施工顺序进行，壁板除锈后将陶瓷纤维模块螺栓焊接在炉壁板上，安装憎水型陶瓷纤维板、阻气铝箔和陶瓷纤维毯。施工过程中特别注意锚固钉的焊接位置应准确，严格控制误差。

　　先将陶瓷纤维背衬毯安装完毕，再安装陶瓷纤维模块。先安装炉顶模块，再安装炉墙。炉墙陶瓷纤维模块应从底部开始向上安装，陶瓷纤维模块的排列方式多采用同向并列式排列，安装完一排模块后应按照要求填充补偿毯。顶与墙及墙与墙的连接处应压缩铺补偿毯。

　　锚固钉焊接前必须以壁板中线为基准向两侧布线，严格按照设计图样进行螺栓位置标记，实际划线中可能出现的尺寸累计误差在最后一排螺栓位置体现。锚固钉必须垂直炉壁板焊接，螺栓相邻中心距偏差不大于2mm，任意两间距偏差不大于±3mm。焊接必须牢固，焊接完毕， 逐个锤击、弯曲检查焊接质量，清除焊渣。此外，还必须注意保护锚固螺栓的螺纹。

　　陶瓷纤维模块安装完成以后应仔细检查，大于5mm的缝隙应填塞陶瓷纤维补偿毯，纤维毯填塞完毕后，用方木板将折叠模块表面拍平，陶瓷纤维衬里表面必须拍平整、密实，套管处孔洞必须采用调整折叠层或用陶瓷纤维棉、毯填充密实。对模块间的贯穿间隙必须用对折纤维毯或纤维棉填塞方式进行修整。

　　背衬层平铺必须严格按设计要求压缩至要求厚度，毯间接缝层间必须错开，错开量不小于图样标示值。快速卡片必须卡紧，防止反弹。模块安装应逐块、逐排安装,确保螺母预紧到位。并列式排列时，注意排与排之间补偿毯的安装，严格按图样设计要求压缩至规定厚度。

　　为防止脱落，补偿条必须采用U型钉固定于已安装完毕的陶瓷纤维模块上。抽调护板、中心塑料管后，必须认真检查套管处孔洞及模块间隙，边角部位应给于特别重视。

　　为确保四合一加热炉陶纤板方案衬里施工质量，车间专业技术员配合监理单位共同监督衬里施工，衬里施工的每处节点都由双方进行确认。为了使烟气在每层炉管中充分吸热，在对流室炉管每层之间设有折流衬里。为了保证折流衬里施工质量，这些关键部位选用支模单独施工。

　　4使用效果

　　辽河石化公司新建6万t/a连续重整装置于2012-12-26成功投用，2013-01-24~27对该加热炉进行标定，部分测试数据见表2。由表2可知，测试的加热炉辐射室外壁温度为-5~-9℃，实测加热炉外壁平均温度为3.075℃，炉壁温度明显低于设计值。

　　表2.四合一炉辐射室外壁温度实测数据

　　辽河石化公司连续重整装置四合一加热炉投用至今未出现腐蚀迹象。排烟温度为131.62℃。根据加热炉热效率计算公式得其热效率为92.14%。

　　5结语

　　使用实践表明，重整四合一炉辐射室选用内壁刷防腐涂料+50mm纤维板+ 一层铝箔+10mm纤维毯+140mm陶纤模块，其炉内壁上的防腐涂料及纤维板与纤维模块间的阻气铝箔，既可以防止加热炉壁板产生露点腐蚀，又可向炉膛内反射回部分热量，减少散热损失，还可有效降低四合一炉体外壁温度，使其在冬季生产时，炉墙壁温可以降到5℃以下。此外, 由于受施工环境温度影响不大可大幅降低冬季施工费用。

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　　[8]SH/T 3128—2002,一般炼油装置火焰加热炉陶瓷纤维衬里[S]. (SH/T 3128—2002,Ceramic Fibre Linings of Fired Heaters for General Refinery Service[S].)

　　[9]GB/T 3003—2006,耐火材料陶瓷纤维及制品[S].(GB/T 3003—2006,Refractory-ceramic Fibre and the Products[S].)

　　[10]HG/T 20642—2011,化学工业炉耐火陶瓷纤维炉衬设计技术规定[S].(HG/T 20642—2011, Specification of Design in Refractory Fibre Linings for Chemical Industrial Furnace[S].)

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