廢酸焚燒爐爐壁超溫的原因分析及處理措施

冶云飛，王黎黎，吳 昊，彭向東，張清軒

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

廢酸再生裝置采用奧地利P &P 工業技術公司濕法再生技術，處理烷基化反應產生的廢酸，通過焚燒裂解、高溫煙氣過濾、二反二凝技術，將濃度在89%～91%的廢酸再生為濃度98%的新酸后返回烷基化裝置循環使用。裝置主要由焚燒分解和高溫煙氣過濾系統、氧化反應、冷凝、導熱鹽系統、酸冷卻、蒸汽系統六個工序以及配套的公用工程系統組成。

廢酸焚燒爐是廢酸再生裝置的核心設備，由燃燒段（圓爐）、過渡段、換熱段（方爐）組成。焚燒爐的主要作用是分解進入到爐膛內的廢酸與廢酸內含有的各類有機物。1 000.0 ℃的高溫可以保證完全快速的氧化過程，將有機元素氧化成CO2，硫元素氧化成SO2，效率超過99.9%。設計最高溫度1 400.0 ℃是燃燒室耐火磚的設計溫度。燃燒段主要由特殊結構主燃燒器組成，它用于燃燒燃料氣體和酸性氣體，外部噴槍注入廢酸以進行分解。焚燒爐（F910）運行工藝參數見表1。

表1 焚燒爐（F910）運行工藝參數

廢酸焚燒爐原襯里結構見圖1，以圓爐為例從內到外（從左往右）依次是耐酸澆注層（厚度120 mm，要求降溫33.0 ℃）、輕質澆注料層（厚度150 mm，要求降溫363.0 ℃）、陶瓷纖維層（厚度35 mm，要求降溫116.0 ℃）、納米層（厚度45 mm，要求降溫538.0～628.0 ℃）、爐壁、外保溫（50 mm），保溫層表面溫度23.0 ℃。

圖1 廢酸焚燒爐原襯里結構示意圖

1 出現的問題

2019 年8 月爐膛溫度升至1 134.4 ℃（極限溫度為1 400.0 ℃）時，圓爐爐壁超溫至490.0 ℃（要求為260.0～350.0 ℃），導致方爐換熱段入口溫度無法達到950.0 ℃，無法滿足工藝開車條件。其中焚燒爐方爐換熱段溫度達到1 020.0 ℃后，爐壁溫度最高達到499.0 ℃（熱偶量程為500 ℃，現場通過紅外檢測儀測量實際為510.0 ℃），已經超過爐壁材質Q345R 所能承受的最高溫度，燃燒圓爐段爐壁溫度有6 個點超過400.0 ℃。F910 爐壁溫度共12 個測點，DCS 位號為TI-9057.1～TI-9057.12，見圖2。停爐檢查發現襯里存在裂縫和膨脹縫10 mm，見圖3。按照SH/T 3115—2000《石油化工管式爐輕質澆注料襯里工程技術條件》[1]和SH/T 3218—2017《煉油裝置火焰加熱爐陶瓷纖維襯里技術規范》[2]要求，烘爐后襯里表面裂縫寬度不應大于5 mm，深度不大于襯里厚度的1/2，且不應有貫穿性網狀裂縫。顯然，烘爐后襯里檢查驗收不滿足規范要求。用含鎬纖維毯填充裂縫和膨脹縫進行修復，修復完成后再次點火烘爐，當爐膛溫度升至1 240.0 ℃時圓爐外壁仍然超溫，修復前后無明顯變化，依舊無法滿足工藝開車條件。

圖2 焚燒爐F910 爐壁溫度測點分布圖

圖3 焚燒爐F910 襯里存在裂縫和膨脹縫

150.0 ℃恒溫期間，兩次爐壁溫度對比見表2。

表2 150.0 ℃恒溫期間兩次爐壁溫度對比 單位：℃

600.0 ℃恒溫期間，兩次爐壁溫度對比見表3。

表3 600.0 ℃恒溫期間兩次爐壁溫度對比 單位：℃

2 原因分析

2.1 焚燒爐襯里理論設計與實踐存在差距

設備廠家對陶瓷纖維、納米板結構的焚燒爐襯里按照原理進行了設計，但使用實踐較少，方案的有效性未得到有效的實踐驗證，實際襯里層降溫效果不佳。

2.2 焚燒爐襯里施工方案不完善，施工過程質量把控不到位

（1）施工人員對陶瓷纖維、納米板的材料性能和安裝要求認識掌握不到位。陶瓷纖維、納米板不僅脆性大、易破損，而且陶瓷纖維、納米板襯里層是由一定規格尺寸的單塊板拼裝而成，同時爐壁錨固件密布，導致襯里層間隙大并且多，熱量通過間隙傳導至爐壁，造成超溫[3]。

（2）陶瓷纖維、納米板存放時間長，安裝時質量異常，拆除襯里時發現陶瓷纖維和納米板已出現大面積破損。

（3）襯里現場澆筑，未采用整體模塊化安裝，施工難度大，且澆筑完成后跨越冬季極寒天氣，不具備及時烘爐的條件。

（4）焚燒爐襯里施工人員缺乏施工經驗且施工過程未安排有經驗的技術人員進行全過程監督和檢查。

3 處理措施

對燃燒段至換熱段換熱器以下0.5 m 處的襯里進行拆除更換，并對襯里結構和材料重新進行設計選擇，襯里涂抹方式改為噴涂和澆筑配合結構形式，襯里厚度由原設計的350 mm 改為420 mm，高溫段（燃燒室以下2 m 區域）與低溫段兩個區域分開進行澆筑。新襯里層材料見表4。

表4 焚燒爐（F910）新襯里材料選擇明細

高溫段的襯里配置為150 mm 抗酸澆注料ZTEK 85、50 mm INSLC 269OLI 重質過渡噴涂層、70 mm INSLC 2470 中質噴涂層、147 mm INSLC 2025 輕質噴涂層、3 mm CWBSIL 耐酸涂料、16 mm 爐壁鋼板、20 mm外保溫巖棉，滿足工藝要求。

低溫段的襯里配置為150 mm 抗酸澆注料ZTEK 85、120 mm INSLC 2470 中質噴涂層、147 mm INSLC 2025輕質噴涂層、3 mm CWBSIL 耐酸涂料、16 mm 爐壁鋼板、20 mm 外保溫巖棉，滿足工藝要求爐壁溫度250.0～350.0 ℃。

新襯里施工過程中，除了對材料質量進行檢查外，還組織相關部門、專業技術人員有針對性的對每一步澆筑步驟和每一個澆筑層的完成都進行表格化質量驗收和檢查，確保檢查出的每一項問題整改合格后再進行下一步，直到全部完成并通過檢查和驗收。

4 效果評價

新襯里施工完成后烘爐，升溫到1 000.0 ℃（換熱段）并恒溫24 h 后，爐壁溫度最高351.0 ℃，與上次恒溫至1 000.0 ℃（換熱段）相比較，各點溫度均有所下降，見表5。

表5 新襯里施工完成后烘爐1 000.0 ℃恒溫期間爐壁溫度對比 單位：℃

現場用熱成像儀檢測測溫點溫度，與DCS 顯示基本一致，且沒有出現超溫情況。從2020 年11 月25 日生產出合格的硫酸產品到現在，廢酸焚燒爐爐壁各溫度指標均正常。2021 年5 月底廢酸再生裝置計劃停產檢修，檢查廢酸焚燒爐襯里完好。截至2023 年5 月，廢酸再生裝置焚燒爐運行穩定，實現了廢酸再生裝置的長周期安全穩定運行。同時，也獲得了豐厚的經濟效益，為公司提質增效作出了較大貢獻。