高鋁硅酸鋁耐火纖維的研究與應(yīng)用

1輻射段爐襯粉化脫解爐是一種重要的裝置之一。它的工作效率直接影響裝置的能耗，而爐內(nèi)的發(fā)熱損失直接影響爐的工作效率。撫順石化分公司乙烯裝置裂解爐由美國(guó)LUMMUS公司設(shè)計(jì),于1991年建成投產(chǎn)。裂解爐單爐熱負(fù)荷為83600MJ/h,設(shè)計(jì)爐殼外壁溫度為70～80℃,爐膛溫度在1200℃以上。經(jīng)過(guò)十幾年的長(zhǎng)期運(yùn)行,裂解爐輻射段爐襯粉化較嚴(yán)重,爐殼外表面平均溫度達(dá)90℃,局部溫度在100℃以上。經(jīng)實(shí)測(cè)爐熱效率較原設(shè)計(jì)下降了1.0%左右。加熱爐輻射段是傳熱的主要場(chǎng)所,其熱負(fù)荷占全爐的70%～80%。由于爐襯隔熱效果變差,每年多消耗了大量的燃料氣。2纖維缺陷引發(fā)的高溫乙烯裂解爐輻射段爐襯在3m以下(從爐膛底板算起)是耐火磚,以上是耐火纖維,纖維材料全部從國(guó)外引進(jìn)。貼近爐壁金屬一層為50mm厚的STD硅酸鋁纖維針刺毯,內(nèi)側(cè)為250mm厚的高鋁硅酸鋁纖維模塊。硅酸鋁耐火纖維又稱陶瓷纖維,其主要化學(xué)成分是Al2O3和SiO2,屬非晶質(zhì)纖維。高鋁硅酸鋁纖維,在900℃以下是以玻璃態(tài)存在,當(dāng)溫度超過(guò)900℃以后,纖維開始析出莫來(lái)石晶體,在大于1150℃后,不但莫來(lái)石析晶猛增,而且析出的晶體急劇生長(zhǎng),導(dǎo)致纖維體積收縮,纖維模塊砌成的墻面上出現(xiàn)縫隙,高溫火焰或煙氣透過(guò)縫隙燒蝕錨固件,使陶纖失支支撐點(diǎn),在自身重力的作用下發(fā)生局部脫落。這是造成爐墻耐火纖維損壞變形并存在較多局部熱點(diǎn)的主要原因。在高溫條件下,構(gòu)成纖維的微觀晶體間的質(zhì)點(diǎn)向晶格內(nèi)填充,這樣纖維表面就會(huì)呈凸凹不平的形狀,同時(shí)晶界處會(huì)發(fā)生開裂,從而使原纖維桿的整體性受到破壞,纖維喪失了原有的彈性,所產(chǎn)生的應(yīng)力從縮徑處、晶界開裂處釋放出來(lái),使纖維桿斷裂粉化。裂解爐輻射段爐墻內(nèi)表面的溫度最高可達(dá)1250℃,在石化行業(yè)加熱爐中溫度屬最高的。耐火纖維爐襯表面如沒(méi)有保護(hù)涂層,纖維受火的工作面將很快粉化,而撫順石化分公司乙烯裂解爐的纖維襯里內(nèi)表面原設(shè)計(jì)就沒(méi)有保護(hù)涂層,纖維直接接觸火焰,纖維爐襯經(jīng)過(guò)十多年的使用后,目前損壞、粉化比較嚴(yán)重,絕熱性能下降。3纖維通道的翻新3.1莫來(lái)石復(fù)合材料在制造過(guò)程中的影響為了彌補(bǔ)絕熱性能的下降,同時(shí)避免全部更換現(xiàn)有陶纖襯里,采用了在現(xiàn)有的耐火纖維表面粘貼多晶莫來(lái)石纖維的方案。隨著人們對(duì)耐火纖維認(rèn)知的不斷深入,開發(fā)出了一種多晶氧化物纖維。它區(qū)別于非晶體纖維及玻璃質(zhì)纖維(如巖棉,硅酸鋁纖維),其特點(diǎn)是在纖維制造方式上采用“膠體法”,在制造過(guò)程中這種纖維的內(nèi)部原子排列有序,纖維體內(nèi)部微觀組織逐漸晶體化,消除了處于介穩(wěn)定態(tài)的玻璃相。其次,纖維始終保持單一的莫來(lái)石相,不存在莫來(lái)石的同位異構(gòu)相轉(zhuǎn)變,使得體積的收縮率小于1%,并且纖維的晶粒小,在高溫狀態(tài)下晶粒的增長(zhǎng)極為緩慢。這種纖維的Al2O3含量在72%左右,集晶體材料和纖維材料的特性于一體,有極好的熱穩(wěn)定性,可長(zhǎng)期使用于溫度為1450℃的環(huán)境中,該纖維被稱為多晶莫來(lái)石纖維。多晶莫來(lái)石纖維是氧化鋁基纖維的主要品種,在結(jié)構(gòu)上主要是以莫來(lái)石微晶相的形式存在。與一般氧化鋁基纖維相比,莫來(lái)石纖維具有更好的耐高溫性,使用溫度可高達(dá)1500～1600℃,特別是高溫抗蠕變性和抗熱震性均有很大提高,是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外新型的超輕質(zhì)高溫耐熱纖維。它的熔點(diǎn)為1840℃,熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)耐火磚的1/6,容重只有其1/25,是高溫爐的理想用料。多晶莫來(lái)石纖維與高鋁硅酸鋁纖維的主要性能比較見表1。3.2增加爐墻的有效熱穩(wěn)定性不拆除原有的纖維襯里,在其表面粘貼多晶莫來(lái)石纖維,即去掉原來(lái)陶纖襯里模塊上的粉化層,再粘貼一層50mm厚的多晶莫來(lái)石纖維,表面再噴涂保護(hù)涂層,使得原有的陶纖模塊不再繼續(xù)粉化,同時(shí)增加了爐墻的有效絕熱厚度,減少了散熱損失。3.3施工工藝(1)降低粉碎、垢在多晶莫來(lái)石纖維粘貼前,要對(duì)被粘貼面作去污處理,不允許留有任何粉塵和污垢。表面處理的方法如下:用鋼絲板刷刷掉已經(jīng)粉化的表面,刷掉的纖維厚度大約為40～50mm,直至露出完好的纖維面。在有收縮縫隙的地方用陶纖涂抹耐高溫粘結(jié)劑進(jìn)行塞縫處理。(2)高鋁粉合料的制備用配制好的粘結(jié)劑對(duì)要粘貼的纖維表面先進(jìn)行“浸潤(rùn)”處理。粘結(jié)劑呈糊狀,應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)現(xiàn)配,混合料為60%～70%的熟粘土粉,30%～40%的高鋁粉,顆粒在300目以上。將莫來(lái)石纖維表面涂上配制好的粘結(jié)劑進(jìn)行粘貼,粘貼施工中多晶莫來(lái)石纖維要預(yù)壓縮5%～8%。莫來(lái)石纖維模塊要交錯(cuò)布置,粘貼完一定數(shù)量后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行壓平處理,檢查是否留有小的縫隙,如有還要進(jìn)行塞縫處理。(3)莫來(lái)石纖維制品每臺(tái)裂解爐側(cè)壁有56個(gè)火嘴,從火嘴噴出的燃料氣流速最大可達(dá)30m/s。為克服燃料氣流的沖刷,火嘴磚四周邊沿要使用密度大一些的多晶莫來(lái)石纖維制品。為防止煙氣沖刷,在所有壓平的莫來(lái)石纖維表面上還要噴涂2mm厚的固化劑,如果施工作業(yè)后不能馬上烘爐,可以使用噴燈對(duì)其進(jìn)行表面固化處理。4熱流密度及回收利用裂解爐輻射段爐襯經(jīng)改造后,實(shí)測(cè)爐壁外表面溫度比改造前下降了約15℃,平均達(dá)到75℃左右,并消除了局部熱點(diǎn),實(shí)測(cè)爐熱效率較改造前提高了大約0.5%。根據(jù)導(dǎo)熱計(jì)算公式:q=(ti?to)/(δ1/λ1+δ2/λ2)q=(ti-to)/(δ1/λ1+δ2/λ2)式中:q——熱流密度,W/m2;ti——爐墻內(nèi)表面溫度,取1250℃;to——爐墻外壁溫度,實(shí)測(cè)為75℃;δ1——多晶莫來(lái)石纖維厚度,取0.05m;δ2——多晶莫來(lái)石纖維熱導(dǎo)率,在此取0.22W/(m·K);λ1——硅酸鋁纖維厚度,取0.25m;λ2——硅酸鋁纖維熱導(dǎo)率,在此取0.12(W/m·K)。計(jì)算可得熱流密度:q=508.5W/m2。同樣,根據(jù)導(dǎo)熱公式可計(jì)算出多晶莫來(lái)石纖維與硅酸鋁纖維界面處的溫度為1134℃。高鋁硅酸鋁纖維的長(zhǎng)期使用溫度是1150℃,在1134℃溫度下長(zhǎng)期使用沒(méi)有問(wèn)題。因此,采用多晶莫來(lái)石纖維完全可以滿足對(duì)基層硅酸鋁纖維模塊的保護(hù)要求。每臺(tái)裂解爐熱效率提高0.5%,可節(jié)約燃料氣10kg/h,全年按8000h運(yùn)行計(jì)算可節(jié)約80t燃料氣,每噸燃料氣按3000元計(jì),每臺(tái)爐全年增加效益折合人民幣為24萬(wàn)元。每臺(tái)爐粘貼多晶莫來(lái)石纖維的造價(jià)大約為15萬(wàn)元,9個(gè)月就可以全部收回成本。5加熱爐表面粘結(jié)密多晶莫來(lái)石的優(yōu)點(diǎn)很多,但由于其造價(jià)較高,在加熱爐中若全部使用多晶莫來(lái)石纖維耐火材料,則成本太高,很不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于溫度較高的加熱爐,在普通的隔熱爐襯內(nèi)表面粘貼一層多晶莫來(lái)石纖維