封閉式地面火炬燃燒塔筒體隔熱耐火襯里介紹及厚度計(jì)算

關(guān) 曉

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

封閉式地面火炬燃燒塔筒體隔熱耐火襯里介紹及厚度計(jì)算

關(guān) 曉

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

對(duì)封閉式地面火炬燃燒塔筒體襯里的材料及安裝方式進(jìn)行了介紹和對(duì)比，并舉例說明襯里厚度的計(jì)算方法，為封閉式地面火炬筒體襯里設(shè)計(jì)提供參考。

封閉式地面火炬；襯里；厚度計(jì)算

石油化工行業(yè)的生產(chǎn)裝置在正常生產(chǎn)、開停工、事故狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些無法回收利用的可燃?xì)怏w，這部分氣體通常排往火炬系統(tǒng)進(jìn)行燃燒處理，火炬系統(tǒng)作為一類特殊的燃燒設(shè)施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項(xiàng)重要措施。

火炬通常分為高架火炬和地面火炬，高架火炬用來處理事故工況時(shí)大量可燃?xì)怏w的排放。地面火炬由于背壓低，安全距離要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高架火炬的要求，可以放置在裝置附近，用來處理裝置開停工及正常生產(chǎn)時(shí)排放的可燃性氣體更加方便。地面火炬按照結(jié)構(gòu)型式又分為開放式地面火炬和封閉式地面火炬，封閉式地面火炬占地面積小，單套處理量最大能到100t/h，對(duì)于用地緊張，排量不大且排放壓力較低，排放氣體滿足標(biāo)準(zhǔn)SH3009-2013要求的石油化工裝置，推薦采用封閉式地面火炬。

封閉式地面火炬燃燒塔筒體內(nèi)襯耐火材料的選取相關(guān)文章做過簡(jiǎn)要介紹，但內(nèi)襯厚度計(jì)算很少涉及，本文對(duì)火炬筒體內(nèi)襯材料進(jìn)行比選，并提供了一種計(jì)算內(nèi)襯厚度的方法，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 封閉式地面火炬簡(jiǎn)介

封閉式地面火炬系統(tǒng)主要包括地面燃燒塔、防風(fēng)消音墻、燃燒器、點(diǎn)火系統(tǒng)、控制閥組、分液罐、水封罐等組成[1]，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。火炬氣在地面燃燒塔內(nèi)燃燒，燃燒塔的筒體通常采用碳鋼板焊接成的圓筒，內(nèi)部敷設(shè)隔熱吸音耐火材料，以滿足隔離熱輻射和噪音的目的。

圖1 封閉式地面火炬系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 襯里耐火材料的介紹及選擇

2.1 材料品種

耐火材料，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是指在高溫環(huán)境下其化學(xué)與物理性質(zhì)穩(wěn)定并能正常使用的非金屬(并不排除含有一定比例的金屬)材料與產(chǎn)品[2]。由于燃燒塔筒體為碳鋼板焊接而成的圓筒結(jié)構(gòu)，襯里材料選用密度較小，導(dǎo)熱系數(shù)低的輕質(zhì)纖維材料較為合理，目前市場(chǎng)上輕質(zhì)纖維耐火材料有很多品種，表1中列舉了一些常用的材料，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)計(jì)算出的燃燒塔筒內(nèi)的溫度選擇合適的材料。

表1 輕質(zhì)纖維耐火材料分類列表

硅酸鋁纖維一般采用甩絲或熔融噴吹法制作，其組織結(jié)構(gòu)為玻璃相組織。玻璃相為不穩(wěn)定組織，隨著溫度上升會(huì)產(chǎn)生析晶現(xiàn)象，即在特定溫度下會(huì)向結(jié)晶相轉(zhuǎn)化，因此多晶纖維的使用溫度比玻璃相組織的纖維高。硅酸鋁纖維中加入鋯組分可提高一定的耐熱溫度。普通耐火纖維、高純耐火纖維、高鋁耐火纖維的使用溫度是隨著Al2O3的含量增加，雜質(zhì)Fe2O3含量減少而逐漸提高的。

耐火纖維按照成型方法不同可分為以下幾種：纖維毯，包括普通毯、針刺毯、氈；模塊，包括折疊塊、切片塊、派洛塊、真空成型塊。由于多晶莫來石纖維制作方法及晶向結(jié)構(gòu)不同，其纖維長(zhǎng)度較短且柔軟性差，無法制作成大模塊，導(dǎo)致多晶纖維無法大規(guī)模應(yīng)用。現(xiàn)在多晶纖維多使用在澆注料或耐火磚爐墻、爐頂內(nèi)表面貼塊。

2.2 安裝及固定型式

圖2 隔熱耐火纖維層安裝示意圖

圖2示意了三種隔熱材料的安裝方式，第一種(A)是采用隔熱纖維毯多層鋪設(shè)在筒體內(nèi)壁，然后用錨固件將隔熱層和保護(hù)層材料固定在筒壁上，此種型式錨固件直接接觸筒內(nèi)煙氣，對(duì)錨固件材質(zhì)要求較高[6]，且熱傳導(dǎo)作用明顯[5]。第二種(B)采用預(yù)制好的纖維模塊，模塊表面縫制鋁布作為保護(hù)層，采用短的錨固件固定在筒體內(nèi)壁上，錨固件不與筒內(nèi)煙氣接觸，減少錨固件對(duì)筒壁的熱傳導(dǎo)，而且安裝方便，但是在筒壁上預(yù)焊固定件時(shí)精確度要求較高，保證模塊間擺放密實(shí)，防止熱量通過較大縫隙進(jìn)行傳遞。第三種(C)采用背襯毯加隔熱纖維模塊的組合方式，背襯毯敷設(shè)在外層，模塊和背襯毯之間存在薄的空氣層，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)一般低于隔熱材料，理論上可以更好的阻止熱量傳遞，安裝也較為方便。

3 襯里厚度計(jì)算

封閉式地面火炬設(shè)計(jì)時(shí)通常考慮多工況下處理不同排放量的氣體，因此燃燒塔內(nèi)一般設(shè)置多個(gè)燃燒器，分級(jí)控制燃燒。按此設(shè)計(jì)的燃燒塔筒體直徑一般在1m以上，因此可按照平壁傳熱的方法進(jìn)行計(jì)算[3]。

由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐火襯里材料的導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)一般忽略金屬壁的隔熱作用，認(rèn)為耐火隔熱層外表面溫度與金屬壁表面溫度一致。

燃燒塔筒體內(nèi)壁敷設(shè)單層隔熱耐火材料時(shí)，隔熱層厚度按照公式1～4計(jì)算：

δ = (λ(t - ts)) / (α(ts-ta))

(公式1)

式中：δ——熱層厚度，m；

λ——隔熱襯里導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

t——筒體內(nèi)火炬最高負(fù)荷時(shí)的煙氣平均溫度，℃；

ts——筒體外壁允許的最高溫度，℃；

ta——環(huán)境溫度，℃；

α——表面放熱系數(shù)，W/m2·K；

α = αr+ αc

(公式2)

式中：αr——輻射放熱系數(shù)，W/m2·K；

αc——自然對(duì)流放熱系數(shù)，W/m2·K；

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

(公式3)

式中：c——輻射系數(shù)，一般金屬保護(hù)層取4.0，其他保護(hù)層取4.5；

對(duì)于垂直平面，傳熱溫差≥10℃：

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

(公式4)

式中：Δt——Δt=ts-ta，℃；

Vw——環(huán)境風(fēng)速，m/s；

燃燒塔筒體內(nèi)壁敷設(shè)多層隔熱耐火材料時(shí)，隔熱層厚度按照公式5～7計(jì)算：

第一層厚度：δ1=λ1(t - ts1) / (α(ts-ta))

(公式5)

第二層厚度：δ2=λ2(ts1 - ts2) / (α(ts-ta))

(公式6)

式中：δ1——第一層隔熱層厚度(與煙氣接觸)，m；

δ2——第二層隔熱層厚度，m；

λ1——第一層隔熱襯里導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

λ2——第二層隔熱襯里導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

ts1——第一層隔熱材料外表面溫度，℃；

ts2——第二層隔熱材料外表面溫度，℃

其他符號(hào)意義見單層計(jì)算公式。

總厚度δ(m)：

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

(公式7)

4 計(jì)算舉例

某化工裝置設(shè)計(jì)計(jì)算出的封閉式地面火炬最高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的煙氣平均溫度(t)為1000℃，筒體內(nèi)徑5m，按照國(guó)家規(guī)范要求[4]火炬燃燒室外側(cè)溫度(ts)不應(yīng)大于60℃，環(huán)境溫度(ta)取建設(shè)地最熱月平均氣溫28℃，環(huán)境風(fēng)速(Vw)最小為1m/s，隔熱耐火材料選擇含鋯硅酸鋁纖維和普通硅酸鋁纖維。

材料敷設(shè)采用三種型式：(1)敷設(shè)單層含鋯硅酸鋁纖維模塊；(2)敷設(shè)雙層隔熱材料，內(nèi)層使用含鋯硅酸鋁纖維模塊，外層使用含鋯硅酸鋁纖維氈；(3)敷設(shè)雙層隔熱材料，內(nèi)層使用含鋯硅酸鋁纖維模塊，外層使用普通硅酸鋁纖維毯。

雙層敷設(shè)時(shí)，外層厚度對(duì)錨固件的長(zhǎng)度有很大影響，一般外層背襯毯厚度不超過50mm，計(jì)算過程及結(jié)果如表2所示。

表2 耐火襯里計(jì)算表

注：標(biāo)“*”隔熱耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)與產(chǎn)品成分及使用溫度有很大關(guān)系，此處數(shù)據(jù)僅供參考，應(yīng)以提供材料的廠家測(cè)試數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

通過三種不同型式的計(jì)算對(duì)比，可以看出同種材料雙層敷設(shè)計(jì)算出的厚度小于單層敷設(shè)，雙層敷設(shè)時(shí)，外層改用耐熱溫度較低，但滿足使用需求，導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料時(shí)，同樣可以減小耐熱層總的厚度。

5 結(jié)論

綜上所述，封閉式地面火炬筒體內(nèi)襯宜選擇輕質(zhì)纖維材料，采用背襯毯加纖維模塊的組合安裝方式較為經(jīng)濟(jì)合理。由于經(jīng)過纖維模塊的隔熱作用，模塊外層溫度一般降低至400℃以下，背襯毯材料可以選用耐熱溫度較低的普通硅酸鋁纖維材料。

[1] 張敏丹.地面火炬的設(shè)計(jì)選型[J].化工時(shí)刊， 2015 (5) :11-13.

[2] 李 楠，顧華志，趙惠忠.耐火材料學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010．

[3] 張德姜 ， 王懷義 ， 劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版. 北京：中國(guó)石化出版社,1998.

[4] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.SH 3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)石化出版社,2014.

[5] 王 魯.陶瓷纖維模塊在工業(yè)爐中的應(yīng)用[J].工業(yè)爐，2011 , 33 (1) :45-48.

[6] 劉東國(guó).耐火纖維模塊的選用、施工及維護(hù)[J].工業(yè)爐，2010 , 32 (6) :34-37.

(本文文獻(xiàn)格式：關(guān) 曉.封閉式地面火炬燃燒塔筒體隔熱耐火襯里介紹及厚度計(jì)算[J].山東化工，2017，46(12)：112-114.)

2017-04-07

關(guān) 曉(1981—)，女，河北石家莊人，工程師，主要從事聚烯烴工程設(shè)計(jì)。

TQ086

A

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