喷涂技术在乙烯裂解炉衬里喷涂改造中的应用

喷涂技术在乙烯裂解炉衬里喷涂改造中的应用

著名的液体装置设计有9台usc裂解炉（超级选择）。1999年，装置重建，增加了两辆usc炉，其中10个为48u炉，1个为4m炉。所有裂解炉都是在完全燃烧的模式下设计的。从裂解炉4年的运行情况看,原设计炉膛保温衬里没有达到设计要求,导致炉墙外金属表面温度较高,拱顶盖板表面温度高达130℃,而且拱顶保温模块容易脱落,造成裂解炉拱顶不锈钢盖板受高温严重变形,甚至烧穿。另外,由于辐射炉管进出口处的保温效果不好,而炉膛为负压操作,冷空气通过COT热电偶套管周围的保温纤维由拱顶进入炉膛,使裂解炉COT测量出现较大偏差。为此,从2001年初开始相继在各台裂解炉保温衬里上采用了目前较为先进的耐火纤维喷涂技术,解决了裂解炉保温衬里脱落、炉墙外金属表面温度高、COT测量偏差大等问题。1土壤侵蚀裂解炉是裂解系统的重要部分,特别是辐射段结构复杂,炉膛温度较高,为此原设计上根据炉膛内不同的部位采用了不同的保温结构。其中炉膛拱顶温度较高,在辐射炉管进出口处使用的是200mm厚的含锆耐火纤维刺毯(耐火度1450℃),由保温钉固定,宽1.1m。裂解炉炉墙保温层是由内层含锆耐火纤维刺毯及外层含锆陶纤模块组成,厚度为240mm。裂解炉拱顶衬里容易脱落的主要原因是由于保温模块在设计上存在不足,模块连接固件两头需插上两块模块,锚固件的位置处于两模块接缝间,因安装的质量不高,各模块间膨胀缝过大,烟气极易串入模块间的膨胀缝而直接接触模块锚固件,金属锚固件在高温烟气的包围下烧蚀,烧断后插在锚固件上的模块随即脱落。当一两块模块脱落后,其它与之相联接的模块也跟着脱落,最后导致模块大面积脱落,严重时甚至导致拱顶盖板烧穿。此外,炉管物流速度所产生的振动和炉膛燃烧时产生的冲击也会破坏拱顶保温模块的粘着力,使保温模块自动脱落。2降低炉秆温度和施工质量针对裂解炉拱顶保温衬里容易脱落的问题,考虑采用国内先进的喷涂耐火纤维衬里安装方式对裂解炉炉膛保温衬里进行改造。其优点有以下几个方面。首先,由于纤维喷涂炉膛保温衬里是在现场直接喷涂成型,因此不存在施工接缝,并且在喷涂炉膛保温衬里中,纤维呈三维方向排列,高温下使用时炉膛保温衬里不会产生定向收缩,避免了收缩裂缝的产生,从而有效地降低了裂解炉外壁温度。其次,直接喷涂成型对各异型部位保温钉位置的要求并不十分严格,并且保温钉完全被埋入纤维衬里内,从而避免了保温钉被烧断的现象和炉外壁热点的出现,同时也加快了施工进度,减少了施工难度,提高了施工质量。另一方面,纤维喷涂可以通过使用专用喷涂结合剂提高衬里表面的平整度和使衬里形成相对致密的表层,从而提高纤维衬里的强度。同时,纤维喷涂易于满足复合炉衬的结构要求,完整性好,在使用过程中不会产生因贯通缝而导致材料超过安全温度的现象,因此有利于耐火纤维复合炉衬结构的推广使用。2.1纤维棉和纤维棉耐火纤维喷涂炉衬用纤维棉宜采用喷吹法生产的纤维棉,不宜采用甩丝法生产的纤维棉,主要根据使用温度选用。耐火纤维的使用温度、化学成份和物理性能要求,见表1。纤维棉中不应混入高钙、高铁等外来杂物,同一种纤维中混入其它棉种的量不应超过10%。喷涂前,耐火纤维需经预处理,纤维长度不宜大于20mm。2.2结合剂为复合剂法结合剂应与被粘结的耐火纤维棉具有相同或相近的物理化学性能和使用温度,同时还应具有常温和高温粘结强度,使纤维间具有强的机械结合和物理化学结合,并应具有良好的流动性、浸润性、扩散性和渗透性,但不应有腐蚀性。结合剂根据使用温度和耐火纤维棉的要求分别采用水玻璃、硅溶胶、磷酸铝、铝胶或锆胶与一定比例的有机粘结剂混合、加水配制而成。有时还可以加入少量促凝剂和(或)防腐蚀剂,但不应加入含有钠、钾和铁的物质。结合剂的用量折合成SiO2应限制在干燥后总物质量的2%～4%。结合剂中所含的有机粘结剂为纤维素、工业淀粉或聚乙烯醇水溶液,其质量浓度为5～60g/L。配制好的结合剂的pH值为6.2～7.0,相对密度为1.2,其常温粘结强度不低于0.05MPa,与奥氏体不锈钢表面接触的场合,应限制氯离子的含量在规定的范围内。2.3炉墙壁温度t喷涂炉衬设计的主要内容之一是确定纤维喷涂层的厚度,其厚度层的确定以传热计算为依据,对于平壁炉墙传热计算公式如下:q=t1−tn∑δiλi=tn−tα1αn(1)αn=αnd+αnf(2)αnd=Atn−tα−−−−−−√4(3)αnf=3.9[(tn+273100)4−(tα+273100)4]tn−tα(4)q=t1-tn∑δiλi=tn-tα1αn(1)αn=αnd+αnf(2)αnd=Atn-tα4(3)αnf=3.9[(tn+273100)4-(tα+273100)4]tn-tα(4)式中:q—炉墙散热强度(Kcal/m2·h)1;t1—炉墙内壁温度(℃);tα—大气温度(℃);δi—多层平壁衬里各层温度;λi—相应各层材料的导热系数(Kcal/m2·h·c);αn—炉墙外壁对空气的给热系数(Kcal/m2·h·c);A—与炉外墙表面散热形式有关的系数。其中αn包括对流(αnd)和辐射(αnf)两部分。由于喷涂技术的应用是在各层选择不同材料的耐火纤维,鉴于耐火材料导热系数随温度升高而加大,为使保温有效且安全,计算中可选定较高温度材料的导热系数,这样确定的厚度安全性最大。炉最内层喷涂含锆纤维衬里,其承受温度最高,计算中各层耐火纤维导热系数以含锆纤维导热系数为依据,同时裂解炉拱顶温度最高,为此,计算主要考虑拱顶的喷涂厚度。查常用导热材料图表可知含锆纤维导热系数为:λ=0.022+0.000236tcp(tcp为平均温度)正常操作中炉墙内壁温度t1=1200℃;炉墙外壁设计温度tn=80℃;茂名地区大气平均温度tα=30℃;因此含锆纤维导热系数:λ=0.022+0.000236tcp=0.022+0.000236×(1200+80)÷2=0.173kcal/m·h·c因裂解炉拱顶散热表面朝上,查图表可知其与炉墙表面散热形式有关的系数A=2.8,由以上参数代入(3),(4),(2)分别得出:αnd=2.8(80−30)−−−−−−−−√4=7.44561Kcal/m2⋅h⋅c;αnd=2.8(80-30)4=7.44561Κcal/m2⋅h⋅c;αnf=3.9[(80+273100)4−(30+273100)4]80−30=3.9(155.274−84.289)50=5.53684Kcal/m2⋅h⋅c;αnf=3.9[(80+273100)4-(30+273100)4]80-30=3.9(155.274-84.289)50=5.53684Κcal/m2⋅h⋅c;αn=αnd+αnf=12.98245Kcal/m2·h·c。将以上参数代入(1)式可得:δ=0.298m=298mm最后取喷涂厚度为300mm。2.4炉顶及过渡段保护里的改造范围在施工中通过对纤维棉与结合剂的用量、风压、液压、喷射距离及角度的调节与控制,使各层的密度逐层减小和增加三维网络结构。图1是复合层衬里结构的局部纵向剖面图。在炉体钢板上焊接上L型或V型金属锚固件,锚固件的长度比耐火纤维喷涂炉衬总厚度小约20mm,以保证其端点埋入衬里中,避免形成热桥。乙烯裂解炉衬里改造的范围为:(1)炉顶原模块结构改用喷涂结构,炉顶及过渡段采用150mm高铝纤维喷涂衬里+150mm含锆纤维喷涂衬里+表面强化处理层。(2)炉管两侧ShaddowBox全部采用含锆纤维喷涂(3)炉外炉管进口采用高铝纤维喷涂。(4)侧墙背衬采用高铝纤维喷涂。2.5u2004范围和高度在施工前应先对衬里材料的物理性能进行检验,在现场制作样块均应符合规范要求。(1)拆除原衬里,去除所有油污、焊渣及疏松氧化皮等,钢结构除锈,不得用水冲洗,标准St3级。(2)炉顶用L型保温钉按正方形排布焊接,间距为250mm×250mm(L型保温钉尺寸如图2),材质为INCONAL601(20),直径《6mm,顶部套丝长220mm。过渡段用V型保温钉按正方形排布焊接,间距为300mm×300mm(V型保温钉尺寸如图3),材质为INCONAL601(20),直径《6mm。保温钉焊接采用NiCrFe3焊条,焊接前按规定预热烘干,其中管箱拐角处待管箱喷完后再焊接,保温钉根部满焊无咬肉,周围没有蜂窝。垂直偏差≤5mm;高度偏差±2mm;间距偏差±5mm。(3)用木塞或牛皮纸将裂解炉内所有接管内孔及燃烧孔全部封堵严密。用牛皮纸从上至下包扎炉管三层,然后用平铺毯包扎二层,并用含锆棉将炉管中的缝隙塞实,防止结合剂和纤维棉粘在炉上。(4)在炉体钢板和金属锚固件上涂刷或喷涂一薄层未经稀释的结合剂YS-Z-200,既作为预涂层又兼作防腐蚀层,其常温粘结强度不低于0.05MPa。(5)首先对ShaddowBox进行分层施喷含锆纤维衬里,层间拉结钢丝网5遍,喷涂厚度为300mm。喷完ShaddowBox后才对炉顶进行喷涂。(6)炉顶第一层喷涂75mm高铝纤维衬里,然后拉钢丝网(钢丝材质Cr25Ni20)。(7)第二层喷涂75mm高铝纤维衬里,然后拉钢丝网(钢丝材质Cr25Ni20)。(8)第三层喷涂60mm含锆纤维衬里,然后拉钢丝网(钢丝材质Cr25Ni20)。(9)第四层喷涂60mm含锆纤维衬里,然后拉钢丝网(钢丝材质Cr25Ni20)。(10)第五层喷涂30mm含锆纤维衬里,然后进行表面强化处理和表面整形。(11)侧墙喷涂高铝纤维背衬126mm(现场确定)。2.6喷枪内孔口的安装喷涂施工采用纤维喷涂专用设备进行,喷涂用风机压力为0.1～0.2Mpa,风量不得小于4m3/min。液压泵压力为0.2～0.6MPa。喷枪与施工面的距离应保护0.3～1.5m,与施工面法线间的夹角为5～30°。耐火纤维棉由喷枪中心喷嘴喷出,其质量流量为3～14kg/min;结合剂由喷枪外环的多孔喷嘴喷出,其体积流量为3～20L/min。接缝应选在平面处,各层的接缝应相互错开,以避免形成贯通缝。最后,在耐火纤维层的外表面喷涂一层未经稀释的结合剂和最外层纤维棉。渣球按体积比1∶1组成的连续性保护层,以获得坚固而又整体性好的衬里,其密度为200～300kg/m3。2.7层压保护的注意事项(1)施工时,先喷ShaddowBox炉管中间空隙衬里。(2)管箱喷完后再焊接管箱拐角处保温钉。(3)钢丝必须紧贴纤维无松动。(4)确保每层厚度符合规定,严格控制结合剂用量,纤维棉与胶的比例不得大于1∶1.2。(5)背衬厚度偏差为-10～0mm。(6)分层喷涂过程中严禁使用回弹料,不锈钢丝网应紧密牢固,衬里覆盖保温钉20mm,喷涂纤维层总厚度的误差为+10mm。(7)炉顶喷涂耐火纤维时,过渡段转对流室的拐角处应采用喷含锆耐火纤维衬里包边200mm以上。(8)平整衬里表面时不准抹面,应使其形成相对平整、致密的衬里表面,不能存在明显疏松和缝隙。(9)喷刷表面强化剂形成均匀涂层,耐火纤维喷涂衬里成型后严禁机械碰撞。2.8表面平整度的检查及喷涂技术的应用施工完成后,要对纤维喷涂衬里质量进行检验。首先是衬里厚度的检查。用直径2mm的长探针进行,平均每10m2衬里测一处,如有不符合要求,应修复后再进行检查,直至全部合格为止。其次是衬里表面平整度的检查。用1m长的直尺进行检查,直尺与喷涂层表面的间隙不得大于10mm,同时表面不应存在明显的疏松和缝隙。工程施工完成后完应进行烘炉,其烘炉升温曲线如图4。因为是在线改造,当图中温度升至操作温度后不可能停下来检查衬里表面烧结状况以及是否存在其它问题,但在炉升温及投料时可以通过观火孔观察到炉衬表面烧结状况。上述喷涂技术首先在H-113炉试用,目前已在所有炉上推广。通过喷涂技术改造后的裂解炉到目前为止最长已安全运行了18个月。3裂式砌块重建后的效果3.1cot分布图以H-113为例,炉膛保温衬里改造前后各炉出口COT的分布变化如图5。由改造前后H-113炉管出口温度(COT)分布图可知,改造前各炉管的COT偏差很大,最高、最低温度与平均温度相差40℃以上,操作中无法根据COT准确控制裂解深度,影响了乙烯收率的提高。改造后各炉的COT偏差明显下降,48根炉管COT呈正态均匀分布,最高、最低温度与平均温度相差不到10℃,操作中完全可以根据COT指示来控制原料裂解深度。3.2拱顶不锈钢混凝土通过红外测温仪检测改造前,裂解炉拱顶的不锈钢盖板外表温度在130℃左右。但炉膛保温衬里改造后,通过红外测温仪检测裂解炉拱顶不锈钢盖板,其外表温度在90℃以下,比改造前下降了40℃左右,基本达到设计温度(设计炉外壁温度为80℃),大大提高了裂解炉的热效率。3.3裂解炉运行周期裂解炉炉膛保温衬里改造前(1999年)和改造后(2001年)运行周期对比如图6。从图6的统计数据可知,改造前48U裂解炉只有H-112、117的运行周期达到40天,其它各炉运行周期都在33天以下。炉膛保温衬里改造后,大部分裂解炉的运行周期在40天以上。运行周期的延长大大提高了裂解炉的负荷率,同时也降低了装置的损失率和操作成本。3.4节约燃料气组由表2数据