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        甲烷化反應(yīng)器襯里的選擇與設(shè)計優(yōu)化分析

        2013-03-03 05:52:12王景林
        化工進展 2013年1期
        關(guān)鍵詞:爐襯襯里殼體

        李 淵,王景林,3,張 亮

        (1 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司,遼寧阜新123000;2 遼寧省煤制天然氣工程技術(shù)研究中心,遼寧阜新123000;3 遼寧省煤制天然氣工程研究中心,遼寧阜新123000;4 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司企業(yè)博士后科研基地,遼寧阜新123000)

        天然氣作為石油的可替代資源已受到越來越多的關(guān)注,作為天然氣中主要成分的甲烷的轉(zhuǎn)化利用更是成了一碳化工的研究熱點。甲烷化反應(yīng)器作為甲烷轉(zhuǎn)化工藝中的重要設(shè)備,在高溫狀態(tài)下將一氧化碳和氫合成為甲烷。甲烷反應(yīng)器襯里質(zhì)量直接決定了裝置能否安全、穩(wěn)定、長期、滿負荷、優(yōu)質(zhì)運行,必須得到重視。本文對不同形式的甲烷化反應(yīng)器襯里及其底部氣體流通形式作了簡介。

        1 甲烷化裝置簡介

        1.1 甲烷化裝置的工況特點

        (2)還原性氣氛強 甲烷化裝置內(nèi)氣體成分復(fù)雜,包含大量的H2、CO、CH4等還原性物質(zhì)。

        (3)溫度高 作耐火襯里部分的設(shè)計溫度在800℃左右,且由于是純放熱反應(yīng),存在超溫可能性。

        1.2 甲烷化反應(yīng)器的工況特點

        (1)甲烷化裝置的反應(yīng)器屬于高溫操作三類壓力容器,內(nèi)有中壓易燃易爆含氫氣體。

        (2)這些設(shè)備均采用金屬殼體,在高溫臨氫環(huán)境下,存在高溫軟化、強度降低等力學(xué)性能的劣化風(fēng)險以及高溫氫腐蝕、氫脆、Cr-Mo鋼的回火脆性、奧氏體不銹鋼焊接氫致剝離等化學(xué)破壞風(fēng)險。一旦發(fā)生金屬殼體破壞泄漏,會造成起火爆炸、空氣污染等嚴重后果。

        (3)為此,需要在金屬殼體內(nèi)部制作耐火材料爐襯,一來保護金屬殼體,降低安全風(fēng)險,改善作業(yè)環(huán)境,確保裝置安全穩(wěn)定長周期運行;二來降低能源損耗,提高經(jīng)濟效益。

        2 耐火襯里對高溫設(shè)備的重要性

        耐火材料是高溫工業(yè)的基礎(chǔ)材料,對高溫工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。耐火襯里指用耐火材料做成的直接接觸高溫環(huán)境的容器,對金屬外殼起到保護作用或直接接觸環(huán)境,通常還具有隔熱保溫作用。

        現(xiàn)代高溫設(shè)備一般使用金屬做殼體,而普通鋼材的軟化溫度較低,當操作溫度超過其軟化溫度時,鋼材會失去大部分力學(xué)性能,造成結(jié)構(gòu)強度急劇降低,繼而造成設(shè)備或裝置的坍塌破壞。因此,耐火襯里的作用非常重要。

        高溫設(shè)備因耐火襯里質(zhì)量不過關(guān)而造成的事故屢見不鮮。石化行業(yè)催化裂化裝置在20世紀80年代因耐火襯里質(zhì)量問題而產(chǎn)生的外壁超溫現(xiàn)象時有發(fā)生。發(fā)生外壁超溫后,必須采取在設(shè)備外壁包盒子打襯里料的緊急措施或者停車檢修,造成的損失十分巨大。近幾年,包括寶塔石化、湛江石化、寧夏石化、北海石化等在內(nèi)的多個煉油企業(yè)發(fā)生了嚴重的襯里質(zhì)量問題,不得不把襯里拆掉重做,投資大幅增加,嚴重影響工期和經(jīng)濟效益。

        甲烷化裝置的反應(yīng)器、余熱回收器、高壓過熱蒸汽發(fā)生器屬于高溫操作三類壓力容器,內(nèi)有中壓易燃易爆含氫氣體。

        這些設(shè)備均采用金屬殼體,在高溫臨氫環(huán)境下,存在高溫軟化、強度降低等力學(xué)性能的劣化風(fēng)險以及高溫氫腐蝕、氫脆、Cr-Mo鋼的回火脆性、奧氏體不銹鋼焊接氫致剝離等化學(xué)破壞風(fēng)險。一旦發(fā)生金屬殼體破壞泄漏,會造成起火爆炸、空氣污染等嚴重后果。

        為此,需要在金屬殼體內(nèi)部制作耐火材料爐襯,一來保護金屬殼體,降低安全風(fēng)險、改善作業(yè)環(huán)境,確保裝置安全穩(wěn)定長周期運行;二來降低能源損耗,提高經(jīng)濟效益。

        因此,對高溫設(shè)備襯里的重要性一定要充分認識并重視。

        3 耐火襯里質(zhì)量的決定因素

        耐火襯里一般用耐火磚、耐火混凝土 (即澆注料)、可塑料、纖維材料及錨固件等做成,其質(zhì)量的好壞取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、材料生產(chǎn)、材料施工、襯里烘爐和使用等因素。

        襯里設(shè)計要考慮操作溫度、操作壓力、氣氛、介質(zhì)流速等來決定使用的襯里材料、結(jié)構(gòu)形式、襯里厚度等。

        材料設(shè)計要根據(jù)溫度、氣氛、流速等決定使用的主材、結(jié)合劑等,確定體積密度、強度、線變化、傳熱系數(shù)等指標,再根據(jù)試驗驗證能否達到設(shè)計要求。

        材料生產(chǎn)即是按照材料配方進行材料采購、計量、混合、包裝、檢驗,保證達到材料設(shè)計的要求。

        材料施工即是根據(jù)設(shè)計要求,將襯里材料按照設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式安裝到指定位置。

        襯里烘爐就是將襯里施工中帶入的水分干燥,以使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過程。

        襯里使用過程中的溫度波動、流速變化等工藝的不穩(wěn)定因素都會對耐火襯里產(chǎn)生極大影響。

        4 對耐火爐襯里的要求

        4.1 耐火溫度高

        甲烷化反應(yīng)是放熱反應(yīng),存在超溫的可能性。其反應(yīng)溫度在700℃左右,因此要求耐火層的最高使用溫度應(yīng)該比設(shè)計溫度高300℃左右,即在1000℃左右。

        最高使用溫度是耐火材料一個重要的基礎(chǔ)指標,但是很難測量。因為最高使用溫度和氣氛、結(jié)構(gòu)、荷重、磨損等實際使用工況有密切關(guān)系,而實驗室無法準確模擬現(xiàn)實情況。

        考慮節(jié)能環(huán)保,爐襯均做成多層結(jié)構(gòu)。隔熱層的材料也應(yīng)該具有較高的耐火溫度,以確保一旦耐火層出現(xiàn)磨損,隔熱層也可承受高溫,避免出現(xiàn)突然性破壞,為及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供充裕時間。

        4.2 化學(xué)純度高,抗化學(xué)侵蝕性強

        耐火材料按照化學(xué)成分可分成硅酸鋁質(zhì)、硅質(zhì)、鎂鈣質(zhì)、鋯質(zhì)等氧化物材料以及碳化硅、氮化硅等非氧化物材料。最常用的為硅酸鋁質(zhì)耐火材料,具有原料廣泛、耐火溫度高、呈中性等特點。

        硅酸鋁系材料中的剛玉質(zhì)材料,由于雜質(zhì)少、耐火溫度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,成為首選材料。材料中的氧化硅、氧化鐵等雜質(zhì)在還原氣氛中會發(fā)生還原反應(yīng),造成爐襯體積變化,產(chǎn)生破壞。

        4.2.1 SiO2與還原性氣體的反應(yīng)

        (1)當H2中不含水蒸氣時,反應(yīng)形成SiO氣體逸出,造成耐火材料失重;溫度降低時,SiO重新氧化成SiO2,形成沉積。此稱為“SiO2遷移”。含水蒸氣時,反應(yīng)得到抑制,但不能完全消除。

        (2)當H2中含水蒸氣時,SiO2從耐火材料中蒸餾出來,形成氣態(tài)水化物。

        4.2.2 Fe2O3與還原性氣體的反應(yīng)

        (1)H2與Fe2O3的反應(yīng)根據(jù)溫度的不同會形成Fe3O4、FeO以及金屬單質(zhì)Fe,伴隨著體積變化,造成耐火材料破壞。

        (2)CO首先滲入耐火材料的孔隙,然后在Fe2O3的催化作用下形成炭沉積,造成耐火材料鼓脹開裂、剝落。

        4.3 強度高

        甲烷化裝置屬于中壓設(shè)備,耐火爐襯在使用過程中必須能夠承受34 MPa的徑向壓力。因此,耐火層材料的耐壓強度一定要高。而隔熱層承受耐火層傳遞過來的壓力,其耐壓強度必須大于4 MPa。

        4.4 耐磨性好

        耐火層材料長期工作在高壓介質(zhì)流作用下,其耐磨性要好。一旦磨損嚴重,外壁就會超溫,而破碎的顆粒會堵塞余熱系統(tǒng)爐管,造成效率降低,影響正常操作。

        4.5 體積穩(wěn)定性高

        為了保證爐襯的整體性和氣密性,需要制作整體澆注的澆注料爐襯。爐襯材料的燒后線變化率越小,說明其體積穩(wěn)定性越高,在高溫下越穩(wěn)定。

        4.6 致密度好,抗?jié)B透性優(yōu)

        介質(zhì)中H2、CO均屬于小分子物質(zhì),其滲透能力很強,如果滲透到耐火層內(nèi)部會造成金屬錨固件的氫脆及炭沉積,破壞爐襯。因此,爐襯耐火層必須致密度高,氣孔率低,具有優(yōu)良的抗氣體分子滲透性。

        4.7 抗熱震穩(wěn)定性好

        甲烷化反應(yīng)是強烈的發(fā)熱反應(yīng),存在超溫的可能性,且停工開工也會造成溫度的劇烈變化,產(chǎn)生熱震。因此,爐襯必須具有較好的熱震穩(wěn)定性。

        4.8 傳熱系數(shù)低

        在H2環(huán)境中,氣體滲透性強,熱傳導(dǎo)較空氣中高很多。因此,爐襯的整體熱阻必須大,傳熱系數(shù)低,尤其是隔熱層必須具有較低的體積密度和傳熱系數(shù),以降低殼體溫度,節(jié)能環(huán)保。

        以上要求具體標準見表1。

        5 甲烷化反應(yīng)器襯里的主要結(jié)構(gòu)方式

        甲烷化反應(yīng)器襯里的主要結(jié)構(gòu)方式有金屬框架襯里和拱型磚襯里,如圖1和圖2所示。

        對于反應(yīng)器,耐火材料襯里應(yīng)該綜合使用連續(xù)澆注和噴涂,無干接縫,必要時應(yīng)使用振搗器確保耐火材料徹底密實。對于管道和設(shè)備通道耐火襯里應(yīng)該連續(xù)澆注,干接頭應(yīng)該限于現(xiàn)場施工縫,必要時應(yīng)使用振搗器確保耐火材料徹底密實。全部容器、設(shè)備通道 (適用時)和管道的內(nèi)表面應(yīng)該做兩層耐火材料襯里。

        表1 耐火材料ASTM標準與相應(yīng)國內(nèi)標準

        圖1 金屬框架襯里

        圖2 拱型磚襯里

        熱面層應(yīng)該具有最少94%的氧化鋁、少于0.25%的硅,總可溶性硫和氯含量少于500 mg/kg。襯里厚度不應(yīng)少于75 mm。材料應(yīng)該可自由流動具有好的脫氣性能。T背襯層應(yīng)該是具有最少40%氧化鋁、約1%氧化鐵、低硫低氯的隔熱耐火材料。面層和背層材料應(yīng)該適合在熱面和界面溫度至少100℃以上使用。耐火材料混合用水應(yīng)該適于飲用、干凈無氣味,氯含量不大于10 mg/kg。耐火材料用錨固件固定,錨固釘螺母作為鋼殼的主要部分之一供應(yīng)和焊接。錨固件在熱面軸向和環(huán)向上的間距不大于300 mm。錨固件螺柱直徑不應(yīng)大于10 mm(UNC螺紋)。錨固件最少應(yīng)該是304不銹鋼材料。在管嘴的T形接縫處,錨固件應(yīng)該在連接處排布,模板應(yīng)設(shè)計成耐火材料可以在T形周圍流動以形成整體襯里。耐火材料應(yīng)考慮工藝氣在鋼鐵表面低于其氣體露點。在設(shè)計中最少應(yīng)包括以下要求:鋼殼內(nèi)部應(yīng)用瀝青或類似防腐劑覆蓋。耐火材料錨固件根部50 mm應(yīng)該用瀝青或類似防腐劑覆蓋??尚械脑?,所有的管嘴應(yīng)與隔熱材料垂直位置安裝。

        耐火層以剛玉為主材,水泥或磷酸鹽為結(jié)合劑,將氧化硅、氧化鐵等雜質(zhì)含量降到最低,添加復(fù)合外加劑,提高強度、致密度,具有滿足澆注施工的流動性、和易性、凝結(jié)時間等。

        隔熱層以高鋁合成輕質(zhì)骨料、氧化鋁空心球等為骨架,高純輕質(zhì)粉料填充空隙,高純度水泥為結(jié)合劑。滿足澆注施工的需要。

        耐火層材料體系屬于純氧化鋁澆注料體系,原料選擇是基礎(chǔ),也是保證純度的前提,配比最關(guān)鍵,需要能夠根據(jù)設(shè)計要求進行性能調(diào)整。材料生產(chǎn)要保證計量的準確度。施工性能需要特別關(guān)注。

        [1] 晏雙華,雙建永,胡四斌.煤制合成天然氣工藝中甲烷化合成技術(shù)[J].化肥設(shè)計,2010,48(2):19.

        [2] 任燕明,王丕軒,王中華.隔熱耐火材料選用技術(shù)經(jīng)濟問題的思考與探索[J].河北冶金,2003(2):36-38.

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