加热炉炉衬材料和结构设计的发展与展望

加热炉炉衬材料和结构设计的发展与展望

1主电源结构油加热炉常用的传统式结构有三种：砖结构、传内结构和水火陶瓷纤维制备结构。1.1挡墙填充结构砖结构是最早使用的炉衬结构,一般由耐火和隔热双层甚至多层组成,其结构分为砌砖、挂砖、吊砖和拉砖等四种。20世纪60年代以前建造的方箱炉、斜顶炉和立式炉,立墙都采用承重式砌筑砖结构或挂砖结构,炉顶采用吊砖结构。挂砖和吊砖结构由于结构复杂、施工难度大和施工周期长,现已不再采用,但砌砖和拉砖结构仍广泛采用。砌砖结构特别适用于独立火墙和圆筒炉辐射室立墙。独立火墙用来隔开辐射室,一般采用自承重式砌筑结构。现代双面辐射的加氢炉、焦化炉和四合一连续重整炉等大型化的加热炉上都广泛采用独立火墙。圆筒炉辐射室立墙一般采用分段承重式砌筑结构。由于圆筒形砌体能啮合耐火砖,自身稳定性很好,其结构十分简单,施工方便,使用寿命也长,因此圆筒炉辐射室立墙至今仍大量采用这种结构。另外,所有管式炉的炉底,一般都在衬里之上干砌一层厚65mm的隔热耐火砖。拉砖结构适用于平面炉墙。牵拉至钢结构上的砖数应不少于总砖数的15%。对于大面积的平面高墙,还应采用分段承重结构。现代双面辐射的焦化炉、重整炉和加氢炉等,受火焰冲刷的墙面一般都采用由炉底承重的拉砖矮墙,通常墙高2～3m。1.2试验研究与发现浇注料或可塑料通过喷涂、捣制或涂抹等施工成形的炉衬,通常称为衬里。浇注料衬里结构自20世纪60年代开始用于国内炼油加热炉。当时由北京石油设计院牵头,组织了国家建研院、冶金建研院和相关施工单位等,参照从革命后的古巴获得的有关矾士水泥:陶粒:蛭石=1:2:4浇注料衬里的技术信息,进行配方和施工的详细研究,从试验室到工业化试验,最终在炼油加热炉上推广使用。这种衬里在国内使用过程中,有两个问题一直未能很好解决:一是蛭石的二次膨胀;二是施工时的水灰比失控。这些问题常常造成衬里开裂甚至脱落。因此自20世纪90年代以来,国内已较少使用(但国外至今仍广泛使用)。国内目前使用的浇注料,配方大都是制造厂商和研究单位新开发的,存在的问题是配方保密、品种繁多、良莠不齐,各家有成功的业绩,也都有失败的劣绩,急需出台有关隔热耐火浇注料的权威性标准来保证其良好的长期使用性能,统一控制其理化指标。ASTMC401《Standardclassificationofaluminaandalumina-ailicatecastablerefractories》规定5h烧后永久线收缩不大于1.5%的温度为浇注料的分类温度,而API560又规定了炉衬计算最高热面温度应比此温度至少低165C,再加上施工过程规范化等措施,就能够保证使用中不致于出现太大的裂缝或剥落现象。陶瓷纤维可塑料(以下简称陶纤可塑料)是国内近几年来新开发的炉衬材料,本文将其归类为衬里的一种,它兼有浇注料透气度低和陶瓷纤维热导率小的优点。最早用于苏丹炼油厂的加热炉上,那里天气干热,陶纤可塑料使用效果较好。用到国内时,遇到潮湿低温天气,便出现不收汗、常温强度低等问题。后经改进成促凝型,使用效果尚可。目前已在双面辐射的焦化炉、加氢炉和制氢炉上使用。由于使用时间不长,是否潜在重大缺陷目前还难以作出定论。例如,对于直接影响炉壁钢板和锚固件根部露点腐蚀的透气度指标,就还需与浇注料做试验对比,才能得出比较客观的结论。又例如,目前SH/T3128—2002《一般炼油装置火焰加热炉陶瓷纤维衬里》标准中规定的陶纤可塑料加热永久线变化的值可能偏大,容易产生较大的裂缝,有待进一步改善,等等。表1为烧注料、陶纤可塑料和陶纤模块透气度对比试验的一个例子,试验是由冶金工业工程质量监督总站检测中心按GB/T3000—1999《耐火制品透气度试验方法》检测的。从表1的数据看,陶纤可塑料的透气度与体积密度700kg/m3的浇注料相当,而陶纤模块透气度是陶纤可塑料的5～6倍。也就是说,含氧化硫的烟气穿过炉衬造成炉壁板和锚固件露点腐蚀的可能性,陶纤可塑料和浇注料差不多,而陶纤模块是它们的5～6倍。衬里结构特别适用于形状复杂的部位。现代各种管式炉特别是具有大面积平面墙的立式炉和箱式炉都广泛采用衬里结构。其中,浇注料衬里可用于辐射室、对流室、烟道和烟囱;陶纤可塑料衬里目前仅用于辐射室炉顶和侧墙。1.3建议使用陶瓷纤维炉衬陶瓷纤维结构分为平铺毡、毯、模块(折叠块)和喷涂纤维等。20世纪70年代末,国内开始研制和开发,80年代开始广泛使用平铺毡、毯和模块结构。90年代中期从国外引进纤维喷涂机具,由此出现了喷涂陶瓷纤维炉衬结构。由于喷涂陶瓷纤维具有无接缝、整体性好、施工方便等优点,很快得到推广。但是,陶瓷纤维对人体健康有较大危害,按欧洲标准属二类致癌物质,而喷涂纤维的挥飞物对人体危害最大,因此新编制的SH/T3128—2002标准中已不列入喷涂陶瓷纤维结构,也就是说,不再推荐使用喷涂陶瓷纤维。陶瓷纤维结构适用于辐射室侧墙、炉顶和不设置吹灰器的对流室,其他部位并不宜采用。国外一些大公司还规定烧油的加热炉不准使用陶瓷纤维炉衬,理由是即使采取阻隔措施避免了炉壁板和锚固件根部露点腐蚀,但烧油加热炉炉管会结盐结垢,停工时需要水洗或化学清洗炉管外表面,这会损坏陶瓷纤维炉衬。由于陶瓷纤维炉衬具有热容量小、热导率低等优点,在节能呼声很高的20世纪80年代、90年代得以迅速推广。但是,对陶瓷纤维结构存在的问题,特别是其透气性强,易产生炉壁板和锚固件根部露点腐蚀,一直认识不足。近年来燃料中的硫含量增加,而燃料脱硫又未得到足够的重视,陶瓷纤维炉墙大面积坍塌的事故终于不可避免地发生了。针对这些问题,新发布的SH/T3036—2003规范,对陶瓷纤维炉衬的使用规定了严格的限制条件,这将在本文第3.2条中详细叙述。2无风、温湿度为统一设计基准,老规范SHJ33—1991《石油化工管式炉设计规范》规定为“在外界气温为25℃和无风条件下,管式炉本体和空气预热系统的外表面设计温度不得大于80℃”。新规范SH/T3036—2003规定:“在无风、环境温度为27℃条件下,辐射段、对流段和热烟风道的外壁温度应不超过80℃。辐射段底部外表面温度应不超过90℃”。新老规范相差不大,现在应执行新规范。3送料材料的选择3.1粘土质及保水性为便于后面的叙述,本文先定义一些术语。新的石化行业标准SH/T3036—2003修改采用国际标准ISO13705《石油和天然气工业一般炼油装置用火焰加热炉》,ISO13705标准中引用了不少美国的耐火材料标准,因此在叙述国产耐火隔热材料时,也顺便介绍一下ASTM相关标准的内容。(1)分类温度或等级温度系指耐火隔热材料根据理化性能,用以分类或分等级的温度。有的标准将此温度称为工作温度、最高工作温度或最高使用温度。炼油加热炉常用耐火隔热材料的分类温度或等级温度如下:1)耐火砖真气孔率低于45%的耐火砖称为致密耐火砖,通常称为重质耐火砖,简称耐火砖。炼油加热炉常用的是粘土质和高铝质耐火砖。粘土质耐火砖由于其化学成分界限并不十分明确,一般均按物理指标分类或分级。美国标准ASTMC27《Standardclassificationoffireclayandhigh-aluminarefractorybrick》将粘土质耐火砖按耐火度分级,参照这种方法YB/T5106—1993《粘土质耐火砖》规定的六种牌号粘土质耐火砖的等级温度列于表2。高铝质耐火砖化学成分界限十分明确,因此都按Al203含量分类,同时也列出耐火度要求。GB/T2988《高铝砖》规定的四种高铝砖的等级温度列于表3。2)隔热耐火砖真气孔率不低于45%的耐火砖称为隔热耐火砖,通常称轻质耐火砖。ASTMC155《Staandardclassificationofinsulatingfirebrick》和GB/T16763—1997(idtISO2245:1990)《定形隔热耐火制品的分类》对隔热耐火砖的分类基本相同,都是按重烧线变化不大于2%的温度分类,并规定了体积密度。按照这种规定,GB/T3994《粘土质隔热耐火砖》和GB/T3995《高铝质隔热耐火砖》规定的九种牌号粘土质隔热耐火砖和七种牌号高铝质隔热耐火砖的分类温度列于表4和表5。3)隔热耐火浇注料烘干后的真气孔率不低于45%的浇注料称为隔热耐火浇注料,国内目前还没有权威性的标准。美国ASTMC401规定铝质和铝-硅质隔热耐火浇注料按5h烧后永久线收缩不大于1.5%的温度和干密度分类,见表6。表7所列的期望指标是参照ASTMC401和SH/T3115—2000《石油化工管式炉轻质浇注料衬里工程技术条件》以及一些国外厂商的指标而拟订的。希望国内的厂商能尽快达到这些指标,并生产出质量稳定的隔热耐火浇注料。表8也列出了陶纤可塑料的期望指标,希望早日能变成现实。4)陶瓷纤维制品耐火陶瓷纤维制品(毡、毯、板、成形块等)的分类,国内GB/T16400—2003《绝热用硅酸铝棉及其制品》标准与美国ASTMC892《Standardspecificationforhigh-temperaturefiberblanketthermalinsulation》标准基本一致,都按加热永久线变化小于等于5%的温度分为5类,见表9。(2)热面计算温度系指炉衬传热计算时所得出的该层耐火隔热材料热面的温度。(3)温度裕量为保证耐火隔热材料不会早期损坏,确保炉墙具有足够长的使用寿命,并考虑计算偏差和操作波动等因素,在热面计算温度的基础上应增加的裕量,称作温度裕量。SH/T3036—2003规定:陶瓷纤维的温度裕量为28℃,其他耐火隔热材料的温度裕量为165℃。(4)设计温度设计温度等于热面计算温度与温度裕量之和。(5)向火面或热面层系指直接暴露于火焰中或与烟气直接接触的炉衬表面层。3.2燃料和带硫量的保护炉衬选用耐火隔热材料的基本原则是应满足其所在部位的设计温度以及耐磨、耐蚀和耐冲刷等特殊要求。SH/T3036—2003的具体规定可归纳如下:(1)耐火隔热材料的分类温度或等级温度应高于其设计温度。(2)在炉底表层应使用耐压强度大于3.45MPa的衬里或65mm厚的耐火砖,以免人进入后被踩坏。(3)当燃料中的重金属(包括钠)含量超过250μg/g时,向火面层应选用含铁量低(Fe2O3≤1%)的衬里材料或重质浇注料。(4)设置有吹灰器的部位不得使用陶瓷纤维结构。烟气流速超过12m/s时不得使用陶瓷纤维毯做热面层;烟气流速大于12m/s小于24m/s时,热面层可使用陶瓷纤维湿毯、陶瓷纤维板或陶瓷纤维模块;烟气流速大于24m/s时不应采用陶瓷纤维。(5)燃料中含硫量大于10μg/g时,陶瓷纤维结构和采用硅酸钙或矿棉作隔热块的复合衬里结构,炉壁钢板内表面和锚固件根部应涂防止低温露点腐蚀的涂料。涂料的工作温度应不低于180℃。燃料中含硫量超过500μg/g时,应设置水汽保护隔层,隔层的内表面温度应比计算的露点温度高55℃,水汽保护隔层的材料等级应不低于304不锈钢箔。经买方同意,也可采用其他隔离措施。(6)燃料中重金属含量超过100μg/g时,不宜采用陶瓷纤维结构。3.3最低等级温度除应符合上述规定外,SH/T3036—2003还规定了各部位用以选择耐火隔热材料的最低等级温度值:(1)辐射室和辐射室至对流室过渡段炉衬,向火面材料的最低等级温度应为980℃。(2)单面受火焰冲刷的炉衬,向火面材料的最低等级温度应为1430℃。(3)无吸热面遮蔽的暴露炉衬,向火面耐火砖的最低等级温度应为1260℃。(4)有吸热面遮蔽的炉衬,向火面耐火砖的最低等级温度应为1100℃。(5)两侧与火焰接触的火墙用耐火砖,最低等级温度应为1540℃。(6)燃烧器砖,最低等级温度应为1650℃。4施工和运营管理4.1现代油田装置的周期问题耐火隔热材料产品的应用几乎遍及所有行业。冶金、机械制造、陶瓷和玻璃行业的各种窑炉工作条件都比炼油加热炉苛刻,但是炼油加热炉炉衬要求的使用寿命却要比它们长得多。这一点是炼油加热炉有别于其他工业窑炉的最大特点,但也是最棘手的难点。炉衬的使用寿命究竟要多长:10年、20年还是30年?谁也说不准。可以这样推论:现代炼油装置一个操作周期一般要求4～6年,如果按3、4个周期算,应该是10到20年;如果按4、5个周期算,应该是20到30年。这是一个比较模糊的数字,目前还无法作出肯定的回答,其原因是耐火隔热材料行业虽然有悠久的历史,但至今仍不能提出计算其使用寿命的参数和方法。这也许就是SH/T3036—2003规定了炉管的设计寿命,却不能规定炉衬使用寿命的原因。也正因为如此,要保证炉衬长期使用而不损坏,必须从材料选择、结构设计、材料检验、施工、养护、烘干和运行管理等全过程严格控制。SH/T3036—2003对选材和结构设计作出了比较详细的规定,在保证炉衬长寿命方面迈出了关键的一步。但仅此还远远不够,因为炉衬的材料检验、施工和运行管理等环节在保证炉衬长寿命方面也十分重要。这些环节中的任何一环出问题,都可能前功尽弃,造成炉衬早期损坏,甚至大面积坍塌,酿成事故。4.2施工前检验耐火隔热材料的检验一般有型式检验、产品出厂前检验、施工前检验和烘炉后检验等。每一个制造厂商新生产的每一种产品都必须进行型式检验。型式检验的内容应包括标准规范规定的全部理化性能指标。型式检验应由省级以上资质的检测部门进行,并出据正式检测报告。产品出厂前检验一般由生产厂商的质检部门进行,检测内容一般包括体积密度、常温耐压强度和重烧线变化(或烧后永久线变化)等三项。施工前检验内容与出厂前检验一样(用户另有要求也可增加项目,但这将使制造厂商的风险大大增加),检验应由用户或其委托代表随机抽样,送省级以上资质检测部门检测,并出据正式报告,证明符合标准规范的规定时,方可进行施工。烘炉后检验除外观和尺寸等常规检查外,主要是检查裂纹、疏松和剥落等缺陷是否超标,以确定是否修理或返工。应该指出的是,检验过程中最忌讳的是弄虚作假,检验的每一环节,从取样、送样,到选择第三