转化炉炉底衬里及烟道墙优化改造

许俊(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

1 概述

转化炉是石油化工装置的核心组成部分，其消耗着大量的能量，支配着整个装置的产品质量、收率、能耗和操作周期等，经济效益和社会效益都十分显著，运行的好坏越来越受到广泛关注。其特点是高温、高压、直接见火，管内介质易燃、易爆、易裂解、易结焦，管内介质和管外烟气均有腐蚀性，原料气入口温度450～550℃，转化炉出口转化气温度750～900℃，烟气温度850～1100℃。合理的衬里结构，对保证炉管温度均匀分布，促进转化反应，提高炉管的利用率具有重要的意义。某厂的蒸汽转化炉为顶烧式方箱炉，七组对流段模块为一字形布置，内部是竖向排列的转化管，天然气作为原料气和燃料气，顶部分布多个低NOX 烧嘴，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，其火焰中心温度达1600℃，烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，并流传热。原料气在催化剂作用下与蒸汽反应形成一氧化碳、氢气和CO2，还有残余甲烷和水蒸汽所组成的转化气。本文对某厂顶烧式蒸汽转化炉运行中所出现的炉底超温问题进行解析，并提出解决方案。

2 转化炉衬里结构简介

2.1 辐射段耐火衬里材料设计基础参数

在无风、环境温度为27℃条件下，炉内烟气温度设定在辐射段为1100℃，过渡段为1000℃，各温度点技术设计满足以下要求：辐射段炉顶外壁温度不高于90℃，辐射段炉墙外壁温度不高于80℃，对流段和热烟风管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℃[1]。

2.2 辐射段耐火材料选用情况

2.2.1 炉顶

炉顶背衬平铺两层25mm 厚的高维S 耐火纤维毯，里层安装225mm 厚的塞拉含锆纤维模块，每个模块之间留有18mm 缝隙，用两层13mm 的塞拉含锆纤维毯填塞压缩至18mm，计算好模块安装尺寸，安装时使模块与烧嘴紧密贴合，不能存在缝隙，若存在缝隙用塞拉含锆纤维毯包裹填塞，转化管部位用两块塞拉含锆切片模块挤压安装。

2.2.2 炉墙

四面炉墙背衬一层25mm 厚的高维S 耐火纤维毯，里层安装225mm 厚的塞拉含锆模块，每个模块之间留有35mm 缝隙，用两层25mm 的塞拉含锆纤维毯填塞压缩至35mm。四面炉墙上各分布有22、18、8 和8 个看火孔，而其中两面墙上分布有5个进料门，以方便现场施工。看火孔使用的是真空成型的含锆纤维预制组件，看火孔后盖采用轻质隔热浇注料，防止此处超温及造成人员烫伤，减少热损失。

2.2.3 炉底

炉底的烟道与炉管束交错布置，共有9 个通道与过渡段连接，保证烟气通过烟道流动到对流段和过渡段。炉底背衬一层13mm 厚的高维S 耐火纤维毯压缩至11mm，再背衬铺两层60mm 和50mm 厚的高维耐火纤维板，里层干砌114mm 厚的轻质隔热砖TJM23，再干砌一层65mm 厚的重质高铝砖LZ65，重质高铝砖层沿着烟道墙面方向每隔1495mm 留有10mm 的膨胀缝，并用20mm 的含锆纤维毯填塞，转化管部位用两块塞拉含锆切片模块挤压安装，烟道墙底部与转化管部位用塞拉含锆切片之间用4 层25mm 厚的塞拉含锆纤维毯压缩至87mm，其他部位的缝隙用一层13mm 的塞拉含锆纤维毯填塞压缩至10mm，炉底耐火衬里结构如图1 所示。烟道墙底部铺设了四层75mm厚的重质高铝砖LZ65 作为基础，这种重质高铝砖LZ65 比轻质隔热砖TJM23 抗压强度强，但同时导热系数较高。

图1 转化炉炉底耐火衬里结构

每个烟道有两道支撑墙，均用厚65mm 重质高铝砖LZ65砌成共40 层，砖面涂抹耐火胶泥，墙面高度2800mm。墙面每隔2700mm 左右留有10mm 膨胀缝，每层砖交错分布，其上用材质为轻质莫来石的盖板砖封口，形成长方形的烟气通道。每道墙面上有渐变棱形烟道孔，靠近炉墙的烟道墙上分布156 个烟道孔，其他每道烟道墙上分布106 个烟道孔，使烟气能垂直向下并有烟道孔进入，向对流段和过渡段流动。烟道墙顶部为搭接的拱顶结构，采用这种结构烟道盖板的整体稳定性和刚性较好，长期使用不容易坍塌。

3 转化炉运行中出现的问题及影响

2010 年9 月份完成转化炉的衬里施工及烘炉工作，同年10 月份装置开车，转化炉整体运转情况良好，但当时发现烟道墙底钢板外壁温度稍高于炉底其他部位，辐射段炉顶和炉墙的外壁温度均在设计范围内。转化炉运转一年后，发现炉底钢板表面温度严重超温，炉底转化管支撑板焊缝出现脱焊开裂，炉底工字钢两侧的耐高温防腐油漆被烤至变成白色甚至有部分脱落情况出现，经测试炉底钢板表面温度达200℃，局部的温度甚至达到350℃，局部区域炉底钢板严重变形(炉底钢梁一般不能超过200℃运行)，同时主风机效率低，转化炉燃料气用量和过渡段烟气温度均高于设计值，产量低于设计量，炉底超温导致热损失偏高，使得对流段各组盘管吸热也不足，严重影响转化炉的效率和装置安全运行。因此公司决定对辐射段炉底衬里和烟道墙从设计、材料和施工上进行全面优化改造。

4 炉底超温原因分析

(1)在炉膛负压的作用下，烟道墙底部和炉底耐火材料连接部位(如图1 所示)，竖直的陶瓷纤维被抽走，造成窜气，导致炉底超温。

(2)烟道墙底部采用导热系数高的重质高铝砖［2］。LZ65为耐热高铝砖，具有高温蠕变小，热侵蚀性强，热震稳定性好等优点，但其导热系数较大，隔热效果不明显。

(3)转化炉管与炉底支撑板之间为金属接触传热(如图1 所示)，会造成炉底支撑板温度偏高。

(4)猪尾管箱和炉体裙梁结构不利于通风散热。

5 转化炉炉底衬里及烟道墙优化改造方案

5.1 设计方案

炉底背衬一层13mm 厚的高维S 耐火纤维毯压缩至10mm，再背衬铺一层60mm 和二层50mm 厚的高维耐火纤维板，里层干砌65mm 厚的轻质隔热砖TJM23，再干砌一层65mm 厚的轻质隔热砖TJM26，转化管部位用塞拉含锆切片模块挤压安装，形成的缝隙用一层13mm 的塞拉含锆纤维毯填塞压缩至10mm。烟道墙底部采用导热系数小的轻质隔热浇注料，锚固件采用V 型结构，材质采用AISI310，310 不锈钢具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性、蠕变强度和耐高温性。烟道墙轻质隔热浇注料基础两侧采用错缝设计，与炉底耐火材料错缝安装，可以避免窜气的产生。烟道墙结构保持不变，将原设计的重质高铝LZ-65 砖改为轻质隔热砖TJM26，这种轻质隔热砖TJM26比重质高铝砖LZ65 导热系数低，热震稳定性相对较好，隔热效果明显。

考虑烟道墙孔处高温冲刷大，此部位选用耐压强度和分类温度较高的TJM28 轻质隔热砖。拱顶部位考虑支撑盖板砖，此部位选用耐压强度较高的TJM28 轻质隔热砖。

5.2 材料参数

转化炉炉膛烟气温度1100℃，据此选用某耐火材料公司生产的轻质隔热浇注料和轻质隔热砖。其主要技术性能参数分别见表1 和表2。

5.3 热工计算

热工计算采用软件HeatFlow5(英国摩根公司传热计算软件)，输入相应的炉膛烟气温度、耐火材料厚度及导热系数等相关参数，计算出炉底钢板表面三个点的温度，如图2 所示的测点1、2、3。由于转化炉猪尾管箱和炉体裙梁结构不利于通风散热，所以环境温度取40℃，计算出点1 的温度为106℃，点2 的温度位81℃，点3 的温度为84℃，除点1 的计算温度稍微超出设计温度外，其他两点的计算温度均在设计范围内。

表1 轻质隔热砖TJM系列性能指标

表2 轻质隔热浇注料性能指标

图2 优化改造后转化炉炉底热工计算

6 优化改造效果

2011 年12 月6 日炉底衬里及烟道墙优化改造开始实施，2012 年1 月10 日完成施工，历时35 天。装置开车后，优化改造后的转化炉整体运转情况良好，为了更好地了解改造后的效果，经过一段时间的稳定运行，利用VArioCAM 红外热像仪对优化改造后炉底钢板表面进行红外热成像测试，然后通过其附带的红外分析软件进行热图分析。

检测时将整个辐射段炉底按照其结构特点，分为20 段进行测试，共拍摄热图20 张。根据红外热成像监测数据，优化改造后的炉底钢板表面温度在100～120℃之间，相比改造前的炉底钢板表面的平均温度260℃，有了极大的改善。优化改造后炉底衬里及烟道墙已经正常运行了三年，炉底钢板表面温度一直维持在100～120℃之间，至今没有任何异常现象。

7 结语

通过对顶烧式蒸汽转化炉炉底超温原因的分析，找到了优化改造炉底衬里及烟道墙的方法，即烟道墙采用“轻质隔热浇注料+轻质隔热砖(TJM26)”的结构设计。烟道墙采用轻质隔热砖可以减少烟道墙低部轻质隔热浇注料承受载荷，便于选用耐压强度稍低、导热系数更小的耐火轻质隔热浇注料，更有利于降低炉底壁温。虽造价高一些，但散热损失小，并且轻质隔热砖比重质高铝重量轻，便于施工，可以大大缩短工期。以往转化炉烟道墙采用“轻质隔热浇注料+轻质隔热砖(TJM26)”的结构设计的应用只出现在国外类似项目建设中，某厂优化改造的成功，实现了国内转化炉烟道墙采用“轻质隔热浇注料+轻质隔热砖(TJM26)”结构设计应用零的突破，并为其他石油化工装置提供了可借鉴的经验。