封闭式地面火炬燃烧塔筒体隔热耐火衬里介绍及厚度计算

关 晓

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

封闭式地面火炬燃烧塔筒体隔热耐火衬里介绍及厚度计算

关 晓

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

对封闭式地面火炬燃烧塔筒体衬里的材料及安装方式进行了介绍和对比，并举例说明衬里厚度的计算方法，为封闭式地面火炬筒体衬里设计提供参考。

封闭式地面火炬；衬里；厚度计算

石油化工行业的生产装置在正常生产、开停工、事故状态时会产生一些无法回收利用的可燃气体，这部分气体通常排往火炬系统进行燃烧处理，火炬系统作为一类特殊的燃烧设施，是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要措施。

火炬通常分为高架火炬和地面火炬，高架火炬用来处理事故工况时大量可燃气体的排放。地面火炬由于背压低，安全距离要求远远小于高架火炬的要求，可以放置在装置附近，用来处理装置开停工及正常生产时排放的可燃性气体更加方便。地面火炬按照结构型式又分为开放式地面火炬和封闭式地面火炬，封闭式地面火炬占地面积小，单套处理量最大能到100t/h，对于用地紧张，排量不大且排放压力较低，排放气体满足标准SH3009-2013要求的石油化工装置，推荐采用封闭式地面火炬。

封闭式地面火炬燃烧塔筒体内衬耐火材料的选取相关文章做过简要介绍，但内衬厚度计算很少涉及，本文对火炬筒体内衬材料进行比选，并提供了一种计算内衬厚度的方法，供相关设计人员参考。

1 封闭式地面火炬简介

封闭式地面火炬系统主要包括地面燃烧塔、防风消音墙、燃烧器、点火系统、控制阀组、分液罐、水封罐等组成[1]，系统简图如图1所示。火炬气在地面燃烧塔内燃烧，燃烧塔的筒体通常采用碳钢板焊接成的圆筒，内部敷设隔热吸音耐火材料，以满足隔离热辐射和噪音的目的。

图1 封闭式地面火炬系统简图

2 衬里耐火材料的介绍及选择

2.1 材料品种

耐火材料，根据国际标准是指在高温环境下其化学与物理性质稳定并能正常使用的非金属(并不排除含有一定比例的金属)材料与产品[2]。由于燃烧塔筒体为碳钢板焊接而成的圆筒结构，衬里材料选用密度较小，导热系数低的轻质纤维材料较为合理，目前市场上轻质纤维耐火材料有很多品种，表1中列举了一些常用的材料，设计人员可根据计算出的燃烧塔筒内的温度选择合适的材料。

表1 轻质纤维耐火材料分类列表

硅酸铝纤维一般采用甩丝或熔融喷吹法制作，其组织结构为玻璃相组织。玻璃相为不稳定组织，随着温度上升会产生析晶现象，即在特定温度下会向结晶相转化，因此多晶纤维的使用温度比玻璃相组织的纤维高。硅酸铝纤维中加入锆组分可提高一定的耐热温度。普通耐火纤维、高纯耐火纤维、高铝耐火纤维的使用温度是随着Al2O3的含量增加，杂质Fe2O3含量减少而逐渐提高的。

耐火纤维按照成型方法不同可分为以下几种：纤维毯，包括普通毯、针刺毯、毡；模块，包括折叠块、切片块、派洛块、真空成型块。由于多晶莫来石纤维制作方法及晶向结构不同，其纤维长度较短且柔软性差，无法制作成大模块，导致多晶纤维无法大规模应用。现在多晶纤维多使用在浇注料或耐火砖炉墙、炉顶内表面贴块。

2.2 安装及固定型式

图2 隔热耐火纤维层安装示意图

图2示意了三种隔热材料的安装方式，第一种(A)是采用隔热纤维毯多层铺设在筒体内壁，然后用锚固件将隔热层和保护层材料固定在筒壁上，此种型式锚固件直接接触筒内烟气，对锚固件材质要求较高[6]，且热传导作用明显[5]。第二种(B)采用预制好的纤维模块，模块表面缝制铝布作为保护层，采用短的锚固件固定在筒体内壁上，锚固件不与筒内烟气接触，减少锚固件对筒壁的热传导，而且安装方便，但是在筒壁上预焊固定件时精确度要求较高，保证模块间摆放密实，防止热量通过较大缝隙进行传递。第三种(C)采用背衬毯加隔热纤维模块的组合方式，背衬毯敷设在外层，模块和背衬毯之间存在薄的空气层，空气的导热系数一般低于隔热材料，理论上可以更好的阻止热量传递，安装也较为方便。

3 衬里厚度计算

封闭式地面火炬设计时通常考虑多工况下处理不同排放量的气体，因此燃烧塔内一般设置多个燃烧器，分级控制燃烧。按此设计的燃烧塔筒体直径一般在1m以上，因此可按照平壁传热的方法进行计算[3]。

由于金属的导热系数远远大于耐火衬里材料的导热系数，计算时一般忽略金属壁的隔热作用，认为耐火隔热层外表面温度与金属壁表面温度一致。

燃烧塔筒体内壁敷设单层隔热耐火材料时，隔热层厚度按照公式1～4计算：

δ = (λ(t - ts)) / (α(ts-ta))

(公式1)

式中：δ——热层厚度，m；

λ——隔热衬里导热系数，W/m·K；

t——筒体内火炬最高负荷时的烟气平均温度，℃；

ts——筒体外壁允许的最高温度，℃；

ta——环境温度，℃；

α——表面放热系数，W/m2·K；

α = αr+ αc

(公式2)

式中：αr——辐射放热系数，W/m2·K；

αc——自然对流放热系数，W/m2·K；

αr=c/(t-ta) · (((ts+ 273)/100)4-((ta+273)/100)4)

(公式3)

式中：c——辐射系数，一般金属保护层取4.0，其他保护层取4.5；

对于垂直平面，传热温差≥10℃：

αc= 2.56(Δt)0.25×( (Vw+ 0.348)/0.348)0.5

(公式4)

式中：Δt——Δt=ts-ta，℃；

Vw——环境风速，m/s；

燃烧塔筒体内壁敷设多层隔热耐火材料时，隔热层厚度按照公式5～7计算：

第一层厚度：δ1=λ1(t - ts1) / (α(ts-ta))

(公式5)

第二层厚度：δ2=λ2(ts1 - ts2) / (α(ts-ta))

(公式6)

式中：δ1——第一层隔热层厚度(与烟气接触)，m；

δ2——第二层隔热层厚度，m；

λ1——第一层隔热衬里导热系数，W/m·K；

λ2——第二层隔热衬里导热系数，W/m·K；

ts1——第一层隔热材料外表面温度，℃；

ts2——第二层隔热材料外表面温度，℃

其他符号意义见单层计算公式。

总厚度δ(m)：

δ = (λ1(t-ts1)+λ2(ts1-ts2) + …… + λn(tsn-1-ts)) / (α(ts-ta))

(公式7)

4 计算举例

某化工装置设计计算出的封闭式地面火炬最高负荷运行时的烟气平均温度(t)为1000℃，筒体内径5m，按照国家规范要求[4]火炬燃烧室外侧温度(ts)不应大于60℃，环境温度(ta)取建设地最热月平均气温28℃，环境风速(Vw)最小为1m/s，隔热耐火材料选择含锆硅酸铝纤维和普通硅酸铝纤维。

材料敷设采用三种型式：(1)敷设单层含锆硅酸铝纤维模块；(2)敷设双层隔热材料，内层使用含锆硅酸铝纤维模块，外层使用含锆硅酸铝纤维毡；(3)敷设双层隔热材料，内层使用含锆硅酸铝纤维模块，外层使用普通硅酸铝纤维毯。

双层敷设时，外层厚度对锚固件的长度有很大影响，一般外层背衬毯厚度不超过50mm，计算过程及结果如表2所示。

表2 耐火衬里计算表

注：标“*”隔热耐火材料的导热系数与产品成分及使用温度有很大关系，此处数据仅供参考，应以提供材料的厂家测试数据为准。

通过三种不同型式的计算对比，可以看出同种材料双层敷设计算出的厚度小于单层敷设，双层敷设时，外层改用耐热温度较低，但满足使用需求，导热系数较小的材料时，同样可以减小耐热层总的厚度。

5 结论

综上所述，封闭式地面火炬筒体内衬宜选择轻质纤维材料，采用背衬毯加纤维模块的组合安装方式较为经济合理。由于经过纤维模块的隔热作用，模块外层温度一般降低至400℃以下，背衬毯材料可以选用耐热温度较低的普通硅酸铝纤维材料。

[1] 张敏丹.地面火炬的设计选型[J].化工时刊， 2015 (5) :11-13.

[2] 李 楠，顾华志，赵惠忠.耐火材料学[M].北京：冶金工业出版社，2010．

[3] 张德姜 ， 王怀义 ， 刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].4版. 北京：中国石化出版社,1998.

[4] 中华人民共和国工业和信息化部.SH 3009-2013石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].北京：中国石化出版社,2014.

[5] 王 鲁.陶瓷纤维模块在工业炉中的应用[J].工业炉，2011 , 33 (1) :45-48.

[6] 刘东国.耐火纤维模块的选用、施工及维护[J].工业炉，2010 , 32 (6) :34-37.

(本文文献格式：关 晓.封闭式地面火炬燃烧塔筒体隔热耐火衬里介绍及厚度计算[J].山东化工，2017，46(12)：112-114.)

2017-04-07

关 晓(1981—)，女，河北石家庄人，工程师，主要从事聚烯烃工程设计。

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1008-021X(2017)12-0112-03