張 森

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司)

硫酸爐在現(xiàn)代化工行業(yè)中應用相當廣泛，隨著國家工業(yè)化進程的加快和對環(huán)境保護要求的進一步提高，廢硫酸的再生技術(shù)得到了大家的重視。廢酸裂解爐在廢硫酸再生中起到非常關(guān)鍵的作用。某公司5萬t/a硫酸裝置H2S焚燒爐2003年10月建成，2004年6月投入使用，使用時間108個月。2006年把爐子操作溫度提高至1 250℃，硫酸產(chǎn)能提高至6.5萬t/a， 2013年9月筆者決定對該爐襯里重新改造優(yōu)化，以滿足生產(chǎn)要求。

1 硫酸爐襯里結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)

硫酸爐外殼采用18mm厚的Q235鋼板，內(nèi)壁焊接保溫釘后，涂刷兩層石墨水玻璃，粘貼一層3mm厚的石棉板。隔熱層采用QA- 212B澆注料，

隔熱層厚度為220mm。耐火層在爐體前部燃燒室采用TA- 218C預制塊砌筑，爐體后部(擋火墻后)耐火層采用TA- 217預制塊砌筑，兩耐火層厚度均為200mm。中間擋火墻用TA- 218B預制塊砌筑。爐膛設計最高使用溫度為1 200℃，實際操作溫度為1 150℃。爐膛設計壓力為常壓，工作壓力20～60kPa，H2S氣量1 000～2 600Nm3/h，空氣氣量20 368Nm3/h，爐外壁溫度低于60℃，外界空氣溫度為常溫。

2 襯里檢查與損壞原因分析

2.1開爐檢查

開爐檢查時發(fā)現(xiàn)前端墻有局部塌陷，中間花墻上部倒塌，前段爐墻也有局部塌陷，大部分爐墻有被腐蝕的印跡。圖1為停爐后襯里情況。

圖1 襯里開爐檢查情況

從圖1可以看出，前端墻損壞最嚴重，爐前端墻經(jīng)過幾次檢修在下部堆成斜坡狀，但也沒能避免其損壞。各部位的襯里均有不同程度損壞，原因為：

a. 為達到產(chǎn)能要求，違反原設計在提高爐子溫度的同時加大了爐內(nèi)的氣流量，造成對襯里的耐溫抗蝕、抗沖刷性的損傷。

b. 原結(jié)構(gòu)中與燃燒器接口的部位，耐火磚設計厚度僅為100mm，前端墻的壓力均由該磚起拱支撐，而且又是直接接觸火焰沖刷，是最高溫度部位，材料已經(jīng)達到或超過其荷重軟化點。

c. 爐內(nèi)選用耐火材料時，僅考慮當時的設計要求，而沒有考慮產(chǎn)能提高的情況，超負荷使用導致爐體部位的損壞。

d. 原設計擋墻的通孔率為30%左右，但產(chǎn)能提高后，溫度和氣流量大幅提升，使爐內(nèi)前后段的壓差增加，氣流對擋墻向后的推力也增加，而擋墻磚間的搭接很少，尤其在高溫狀態(tài)下，材料接近荷重軟化點，容易產(chǎn)生擋墻垮塌的現(xiàn)象。

通過以上分析，最容易出現(xiàn)襯里損壞的部位為：爐體與燃燒器接口、擋墻和爐體前段。

2.2拆除爐子后端殼體檢查

對爐內(nèi)的襯里進行拆除檢查時，發(fā)現(xiàn)爐體金屬外殼腐蝕很大，最嚴重的部位是爐前段頂部和連接廢鍋的煙道直短接。爐壁保溫釘大部分根部腐蝕后脫落，沒脫落的保溫釘其根部也成錐形，與爐殼的接觸很小。在拆除過程中還發(fā)現(xiàn)在爐殼襯里之間不斷有黃色液體流出。

檢查至隔熱襯里時發(fā)現(xiàn)石棉板缺失，與外殼鄰近的隔熱襯里已經(jīng)變成層次很清晰的灰白色片狀石料，用手扳動會產(chǎn)生片狀脫落，有的已粉化，而與鋼殼粘結(jié)還很牢固。但時隔一天這些粘在鋼殼上的材料會產(chǎn)生粉化的拱起，并伴有黃色液體產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 襯里與殼體連接處

這些灰白色片狀材料在水中很快就分化而沉淀，水的顏色變成微黃色，測試水的pH值僅為3，呈明顯的酸性。全部拆除襯里發(fā)現(xiàn)鋼板有嚴重的碳化現(xiàn)象，對爐外殼進行了選點測厚，最厚處為15mm左右，最薄處僅3mm左右，煙道短接部位還有局部穿孔現(xiàn)象。

2.3原因分析

爐子經(jīng)過長時間的運行，石墨水玻璃防腐層脆裂，酸性氣體滲透到襯里與外殼間，在停爐時吸收空氣中的水分產(chǎn)生稀硫酸，導致金屬外殼分層腐蝕，保溫釘根部變成尖釘狀。

靠近外殼部位的隔熱襯里，在開停車過程中與產(chǎn)生的稀硫酸反應生成了一層硫酸鹽，每次開停工均會生成一層，如此反復就形成了片狀的多層硫酸鹽，包括所粘貼的石棉板也與稀硫酸反應，所以拆除時石棉板缺失，形成了各種硫酸鹽的混合灰白色粉末。而這些硫酸鹽中有易溶于水的物質(zhì)，所以就產(chǎn)生了粉狀起拱。

膨脹縫留設不合理使得硫酸爐在多溫區(qū)受力不均時產(chǎn)生膨脹變形裂縫，導致酸性氣體滲入殼體與隔熱層間，當爐外殼溫度底于露點溫度時，就會對爐金屬外殼產(chǎn)生露點腐蝕。

碳鋼在高溫下的碳化將加劇，另外在稀酸環(huán)境下，溫度越高碳鋼腐蝕也愈加嚴重。

3 硫酸爐的工程優(yōu)化

硫酸爐的使用過程中，爐氣對爐子的腐蝕情況十分復雜，應該從諸多方面進行考慮，采取有效的防腐手段，選用合適的耐火材料、隔熱材料，設計科學合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和先進的施工工藝，使改造后的爐子在滿足生產(chǎn)工藝要求的同時，能有效延長設備使用壽命。

3.1襯里材料的選擇

隔熱耐火內(nèi)襯是構(gòu)成硫酸爐的主體之一，硫酸爐的設計使用溫度較高。根據(jù)爐子的特點需選擇一種使用溫度更高的隔熱材料，才能適合硫酸爐的使用要求。隔熱材料QA- 212G有很好的隔熱性能和抗折抗壓強度，施工方便。隔熱層的厚度根據(jù)爐子的操作溫度和爐外殼最低允許溫度計算而定。

為了降低硫酸爐的一次投入，把爐子的前后段材料進行最佳分配。前段的耐火磚爐襯選擇TA- 218G高溫耐火澆注料，作為迎火面；后段耐火磚使用TA- 217G高強度耐火澆注料。耐火材料根據(jù)設計圖紙均制作成厚200mm的異型磚，并經(jīng)過高溫焙燒處理。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱力學計算，得出硫酸爐外殼溫度、爐膛內(nèi)異型磚耐火層與隔熱澆注料層間的溫度和爐墻散熱強度。

3.1.1隔熱層襯里

隔熱襯里QA- 212G采用現(xiàn)場制模搗制澆注，其優(yōu)點是氣密性和隔熱性能好，采用錨固釘固定，施工方便、周期短，并能保證爐內(nèi)壁的整圓度，其性能指標為：

體積密度(110℃) 不大于1 200kg/m3

燒后抗壓強度(815℃) 不低于4MPa

抗折強度(815℃) 不低于2MPa

殘余線變率(815℃) 小于-0.2%

耐火溫度 1 200℃

導熱系數(shù)(815℃) 不大于0.25W/(m·K)

3.1.2耐火層襯里

考慮到爐子前后段溫度的差異，且爐氣中含有腐蝕性介質(zhì)，故前段采用TA- 218G剛玉質(zhì)耐高溫耐腐蝕襯里材料制成的異型磚結(jié)構(gòu)；后段采用耐磨和耐酸性較好的TA- 217G耐火材料制成的異型磚結(jié)構(gòu)。為了避免爐子施工完畢后的襯里產(chǎn)生線收縮而使爐襯產(chǎn)生裂縫，以上異型磚均經(jīng)高壓振動成型，養(yǎng)護后再經(jīng)1 600℃焙燒。

TA- 218G性能指標為：

體積密度(110℃) 不小于3 000kg/m3

燒后抗壓強度(1 400℃) 不低于100MPa

荷重軟化溫度 不低于1 450℃

殘余線變率(1 400℃) 不大于±0.1%

耐火溫度 不低于1 790℃

長期使用溫度 不低于1 350℃

Al2O3含量 不低于85%

TA- 217G性能指標為：

體積密度(110℃) 不小于2 500kg/m3

燒后抗壓強度(1 300℃) 不低于60MPa

荷重軟化溫度 不低于1 450℃

殘余線變率(1 300℃) 不大于±0.1%

耐火溫度 不低于1 790℃

長期使用溫度 不低于1 350℃

原硫酸爐采用的異型磚結(jié)構(gòu)為簡單的楔形磚，制作時采用木模振動澆注成型，經(jīng)常溫養(yǎng)護后就直接在爐子內(nèi)進行砌筑。由于磚型精度不準，灰縫大小不一，加上沒有燒結(jié)，殘余線收縮量大，使爐襯易造成裂縫，在爐子工作的動態(tài)環(huán)境下容易產(chǎn)生位移。

優(yōu)化后采用四面帶榫型的楔形磚，該異型磚尺寸精準度高，磚內(nèi)部的密實度好，各種溫度變化下的收縮率很小，完全消除了位移的可能，能保證爐襯在溫度變化和氣流沖刷下更加穩(wěn)定可靠。并且其磚縫為迷宮縫，高溫介質(zhì)也不容易穿透到隔熱層表面，確保了隔熱襯里層的使用壽命和隔熱性能。該磚既具有燒結(jié)成型磚的優(yōu)點(顆粒之間不存在靠低熔點物質(zhì)熔融結(jié)合，更不存在玻璃態(tài)的晶相)，又具有澆注料預制塊的優(yōu)點。

3.1.3耐酸耐火膠泥

砌筑采用TPA- 80耐酸耐火膠泥，其Al2O3含量不低于80%，耐火度不低于1 790℃，長期使用溫度為1 400℃。

3.2硫酸爐外殼的防腐

為了節(jié)約運行燃料，盡可能減少熱損失，硫酸爐一般均設計為低溫壁。但由于爐殼外壁溫較低加之爐內(nèi)介質(zhì)均為酸性氣體，容易在爐壁上產(chǎn)生露點腐蝕。為此，澆注隔熱襯里前必須在爐內(nèi)壁涂一層2mm厚的防露點腐蝕專用涂料，該涂料的性能應達到如下要求：耐溫不低于200℃、固化后能隨爐殼的膨脹而不拉裂、經(jīng)高溫后仍有強度且耐酸度不變。

3.3伸縮縫的設計

隔熱澆注料的體積隨溫度的變化規(guī)律是：當溫度升高時體積有所膨脹，到900℃左右時會出現(xiàn)小量收縮，而當冷卻至常溫時則會有較大的殘余收縮。因此在設計大面積耐火澆注料結(jié)構(gòu)時，可不必像磚墻那樣留有較大的膨脹縫，而只要每隔1.5m左右留出5mm寬的伸縮縫即可。

TA- 218G、TA- 217G耐火異型磚耐火層的膨脹縫設計可根據(jù)耐火材料的膨脹系數(shù)進行計算而定，一般可每隔約2m的間距預留一道伸縮縫，寬度為10mm，保持均勻平直，保證縫內(nèi)無雜物，然后填塞含鋯纖維。在設計預留膨脹縫時，要避開受力部位、爐體骨架和砌體中的孔洞，內(nèi)外層間膨脹縫要錯開，不能貫通。

3.4擋墻的設計

在硫酸爐內(nèi)部設置擋墻是為了增加爐氣和空氣在爐內(nèi)的湍動程度，促使硫與氧氣之間充分接觸，使反應充分。根據(jù)爐形和使用情況不同，可以設置一道花墻；也可以設置多道上下交錯通氣的擋墻，只要爐子的長度和通氣量達到要求，不宜設置過多的擋墻，一般情況下2～3處較為適宜，因為擋墻過多，對爐內(nèi)的氣流產(chǎn)生一定的阻力，會增加風機的動力要求。

根據(jù)施工經(jīng)驗，擋墻是爐膛內(nèi)的一個薄弱環(huán)節(jié)，因為擋墻直接受到氣流的沖擊且前后兩側(cè)存在溫差和壓差，往往會逐漸傾斜，如果設計或施工不妥還會導致倒塌，為了使擋墻能抵抗較大的外力，設計時把擋墻嵌入耐火襯里內(nèi)并且在其前后兩側(cè)設置10mm厚的伸縮縫，填塞含鋯纖維。擋墻做成花墻時選用耐酸、耐高溫的瓷管。

3.5其他設計

硫酸爐外部接口有：燃燒器入口、人孔、二次風口、測溫孔、火檢孔以及煙道等。這些洞口與爐壁之間的接茬是爐子襯里的關(guān)鍵點，也是容易發(fā)生故障的部位，必須處理好，要求結(jié)構(gòu)合理可靠，施工方便。

砌體和澆筑料與設備構(gòu)件、埋設件及孔洞有關(guān)聯(lián)時，預留10mm的膨脹間隙，最后用含鋯纖維填實。爐殼與隔熱層之間選用耐酸隔熱纖維粘貼在防腐涂層上來代替膨脹縫，一般選用厚度3～4mm。

4 結(jié)束語

設備改造是介于大修和設備更新之間的一種設備補償方式，其目的是采用新技術(shù)改進舊設備的原理和結(jié)構(gòu)，來提高舊設備的技術(shù)性能。對老舊硫酸爐襯里材料選擇、砌筑形式以及擋火墻設置等方面進行改造，滿足了新生產(chǎn)工藝的要求，效果良好。