硫酸爐的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改造及設(shè)計(jì)優(yōu)化

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(yīng)用相當(dāng)廣泛，隨著國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的加快和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的進(jìn)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(shí)間108個(gè)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(duì)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(yùn)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(yù)制塊砌筑，爐體后部(擋火墻后)耐火層采用TA- 217預(yù)制塊砌筑，兩耐火層厚度均為200mm。中間擋火墻用TA- 218B預(yù)制塊砌筑。爐膛設(shè)計(jì)最高使用溫度為1 200℃，實(shí)際操作溫度為1 150℃。爐膛設(shè)計(jì)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(shí)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(yán)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?yàn)椋?/p>

a. 為達(dá)到產(chǎn)能要求，違反原設(shè)計(jì)在提高爐子溫度的同時(shí)加大了爐內(nèi)的氣流量，造成對(duì)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(shè)計(jì)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(dá)到或超過其荷重軟化點(diǎn)。

c. 爐內(nèi)選用耐火材料時(shí)，僅考慮當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)要求，而沒有考慮產(chǎn)能提高的情況，超負(fù)荷使用導(dǎo)致爐體部位的損壞。

d. 原設(shè)計(jì)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?fàn)t內(nèi)前后段的壓差增加，氣流對(duì)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(diǎn)，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(duì)爐內(nèi)的襯里進(jìn)行拆除檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)爐體金屬外殼腐蝕很大，最嚴(yán)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(shí)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(dòng)會(huì)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(shí)隔一天這些粘在鋼殼上的材料會(huì)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(cè)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(yán)重的碳化現(xiàn)象，對(duì)爐外殼進(jìn)行了選點(diǎn)測(cè)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)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(shí)吸收空氣中的水分產(chǎn)生稀硫酸，導(dǎo)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(yīng)生成了一層硫酸鹽，每次開停工均會(huì)生成一層，如此反復(fù)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(yīng)，所以拆除時(shí)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(shè)不合理使得硫酸爐在多溫區(qū)受力不均時(shí)產(chǎn)生膨脹變形裂縫，導(dǎo)致酸性氣體滲入殼體與隔熱層間，當(dāng)爐外殼溫度底于露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)對(duì)爐金屬外殼產(chǎn)生露點(diǎn)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(yán)重。

3 硫酸爐的工程優(yōu)化

硫酸爐的使用過程中，爐氣對(duì)爐子的腐蝕情況十分復(fù)雜，應(yīng)該從諸多方面進(jìn)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(shè)計(jì)科學(xué)合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和先進(jìn)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(shí)，能有效延長(zhǎng)設(shè)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(shè)計(jì)使用溫度較高。根據(jù)爐子的特點(diǎn)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(qiáng)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(jì)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(jìn)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(qiáng)度耐火澆注料。耐火材料根據(jù)設(shè)計(jì)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(xué)計(jì)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(qiáng)度。

3.1.1隔熱層襯里

隔熱襯里QA- 212G采用現(xiàn)場(chǎng)制模搗制澆注，其優(yōu)點(diǎn)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(biāo)為：

體積密度(110℃) 不大于1 200kg/m3

燒后抗壓強(qiáng)度(815℃) 不低于4MPa

抗折強(qiáng)度(815℃) 不低于2MPa

殘余線變率(815℃) 小于-0.2%

耐火溫度 1 200℃

導(dǎo)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?fàn)t襯產(chǎn)生裂縫，以上異型磚均經(jīng)高壓振動(dòng)成型，養(yǎng)護(hù)后再經(jīng)1 600℃焙燒。

TA- 218G性能指標(biāo)為：

體積密度(110℃) 不小于3 000kg/m3

燒后抗壓強(qiáng)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(zhǎng)期使用溫度 不低于1 350℃

Al2O3含量 不低于85%

TA- 217G性能指標(biāo)為：

體積密度(110℃) 不小于2 500kg/m3

燒后抗壓強(qiáng)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(zhǎng)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(jiǎn)單的楔形磚，制作時(shí)采用木模振動(dòng)澆注成型，經(jīng)常溫養(yǎng)護(hù)后就直接在爐子內(nèi)進(jìn)行砌筑。由于磚型精度不準(zhǔn)，灰縫大小不一，加上沒有燒結(jié)，殘余線收縮量大，使?fàn)t襯易造成裂縫，在爐子工作的動(dòng)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(zhǔn)度高，磚內(nèi)部的密實(shí)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(diǎn)(顆粒之間不存在靠低熔點(diǎn)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(yù)制塊的優(yōu)點(diǎn)。

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(zhǎng)期使用溫度為1 400℃。

3.2硫酸爐外殼的防腐

為了節(jié)約運(yùn)行燃料，盡可能減少熱損失，硫酸爐一般均設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)腐蝕專用涂料，該涂料的性能應(yīng)達(dá)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(qiáng)度且耐酸度不變。

3.3伸縮縫的設(shè)計(jì)

隔熱澆注料的體積隨溫度的變化規(guī)律是：當(dāng)溫度升高時(shí)體積有所膨脹，到900℃左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)小量收縮，而當(dāng)冷卻至常溫時(shí)則會(huì)有較大的殘余收縮。因此在設(shè)計(jì)大面積耐火澆注料結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shè)計(jì)可根據(jù)耐火材料的膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算而定，一般可每隔約2m的間距預(yù)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(shè)計(jì)預(yù)留膨脹縫時(shí)，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(cuò)開，不能貫通。

3.4擋墻的設(shè)計(jì)

在硫酸爐內(nèi)部設(shè)置擋墻是為了增加爐氣和空氣在爐內(nèi)的湍動(dòng)程度，促使硫與氧氣之間充分接觸，使反應(yīng)充分。根據(jù)爐形和使用情況不同，可以設(shè)置一道花墻；也可以設(shè)置多道上下交錯(cuò)通氣的擋墻，只要爐子的長(zhǎng)度和通氣量達(dá)到要求，不宜設(shè)置過多的擋墻，一般情況下2～3處較為適宜，因?yàn)閾鯄^多，對(duì)爐內(nèi)的氣流產(chǎn)生一定的阻力，會(huì)增加風(fēng)機(jī)的動(dòng)力要求。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，擋墻是爐膛內(nèi)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，因?yàn)閾鯄χ苯邮艿綒饬鞯臎_擊且前后兩側(cè)存在溫差和壓差，往往會(huì)逐漸傾斜，如果設(shè)計(jì)或施工不妥還會(huì)導(dǎo)致倒塌，為了使擋墻能抵抗較大的外力，設(shè)計(jì)時(shí)把擋墻嵌入耐火襯里內(nèi)并且在其前后兩側(cè)設(shè)置10mm厚的伸縮縫，填塞含鋯纖維。擋墻做成花墻時(shí)選用耐酸、耐高溫的瓷管。

3.5其他設(shè)計(jì)

硫酸爐外部接口有：燃燒器入口、人孔、二次風(fēng)口、測(cè)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(diǎn)，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(shè)備構(gòu)件、埋設(shè)件及孔洞有關(guān)聯(lián)時(shí)，預(yù)留10mm的膨脹間隙，最后用含鋯纖維填實(shí)。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(shè)備改造是介于大修和設(shè)備更新之間的一種設(shè)備補(bǔ)償方式，其目的是采用新技術(shù)改進(jìn)舊設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)，來提高舊設(shè)備的技術(shù)性能。對(duì)老舊硫酸爐襯里材料選擇、砌筑形式以及擋火墻設(shè)置等方面進(jìn)行改造，滿足了新生產(chǎn)工藝的要求，效果良好。