1陶瓷纤维在石化行业的应用8.docx

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1陶瓷纤维在石化行业的应用8

陶瓷纤维炉衬在石化行业的应用

一、概述：

陶瓷纤维炉衬作为一种新型的炉衬材料，它具有隔热性能好、重量轻、便于施工、抗热冲击、抗震和吸音性能好等特性，对加热炉节能、减轻炉体载荷、降低工程造价、缩短建设周期、减少抢修时间、降低噪声、保护环境均有显著效果。

国外一些工业发达的国家如美国、日本等有上千台加热炉早已使用陶瓷纤维炉衬，60年代该项技术传入国内后立即引起各行业的重视。

我国70年代初已先后在石化系统输油管线和炼油厂加热炉上使用，一些炼厂加热炉辐射室用陶瓷纤维炉衬代替耐火砖和轻质耐热混凝土炉衬，使炉衬厚度减薄1/2―1/3，炉衬散热损失减少1/2，加热炉热效率提高了1－1.5％，收到了较好的应用效果。

石油化工企业是我国工业支柱产业之一，石油化工对我国国民经济发展起了巨大作用。

从设计角度，目前石油化工分成两大部分：

以北京院、洛阳院为首的甲级设计单位负责全国石油化工厂中各种加工装置的设计，以北京石化工程公司、兰州院（现迁宁波）为主的甲级设计单位负责全国各化工厂乙烯裂解化工装置的设计。

炼厂装置加热炉炉膛最高温度约在750－850℃，纯辐射炉在900℃以上，制氢装置转化炉在1040－1050℃，乙烯裂解炉约为1150－1250℃。

陶瓷纤维加工成毯、毡、板、纸、带等可用于这些炉膛中。

至目前为止，陶瓷纤维制品以层铺、模块、喷涂及可塑料等各种炉衬结构形式在全国各省市近40余家大型石化企业近千台新建或老厂改造加热炉上进行了广泛应用。

二、陶瓷纤维炉衬的技术性能优势

陶瓷纤维炉衬作为一种轻质、高效的耐火绝热炉衬，与传统的耐火材料炉衬相比，具有以下技术性能优势：

1.低容重：

陶瓷纤维折叠模块炉衬比轻质隔热砖衬轻75%以上，比轻质浇注料衬轻`90%到95%。

可大大减轻窑炉的钢结构负荷，延长炉体使用寿命。

2.低热容量：

炉衬材料的热容量一般与炉衬的重量成正比，低热容量意味着窑炉在往复操作中吸收的热量少，同时升温的速度加快。

陶瓷纤维的热容量仅为轻质耐热衬里和轻质粘土质陶瓷砖的1/9，大大减少了炉温操作控制中的能源耗量，尤其对间断式操作的加热炉能起到非常显著的节能效果。

3.低导热率：

陶瓷纤维材料在平均温度400℃时，导热系数小于0.12W/mk，平均600℃时小于0.22W/mk，平均1000℃时小于0.28W/mk。

约为轻质粘土砖的1/8，为轻质耐热衬里的1/10，绝热效果显著。

4.施工简便，无需留设膨胀缝，施工人员经过基本培训即可上岗，施工技术因素对炉衬绝热效果的影响小。

5.使用范围广：

随着陶瓷纤维生产及应用技术的发展，陶瓷纤维制品已经实现了系列化与功能化，产品从使用温度上，可以满足从600℃至1400℃不同温度档次的使用要求。

从形态上已逐渐形成了从传统的棉、毯、毡产品到纤维模块、板、异型件、纸、纤维纺织品等多种形态的二次加工或深加工产品。

完全各满足各行业不同工业炉对陶瓷陶纤制品的使用要求。

6.抗热震：

纤维折叠模块对剧烈的温度波动具有特别优良的抵抗性能，在被加热件能承受的前提下，纤维折叠模块炉衬可以以任意快的速度加热或冷却。

7.抗机械震动：

纤维毯或毡具有柔性和弹性，而且不易破损，安装完毕的整体炉窑在受冲击或受路途运输的振动时不易损坏。

8.不需烘炉；无需烘炉程序（如：

养护、干燥、烘烤、复杂的烘炉过程以及寒冷天气下的保护措施），炉衬施工完毕即可投入使用。

9.隔音性能好：

陶瓷纤维能降低频率小于1000赫兹的高频噪声，对小于300HZ的声波，隔声能力优于常用隔声材料，能显著降低噪声污染。

10.陶瓷纤维炉衬的高热敏性，更能适应加热炉的自动化控制。

11.陶瓷纤维炉衬的化学性能稳定，除磷酸、氢氟酸和强碱外，其它酸、碱以及水、油、蒸汽均不被侵蚀，与铅、铝、铜不浸润。

三、陶瓷纤维炉衬在石化行业的主要应用结构及其应用特点分析：

根据陶瓷纤维炉衬发展过程，结合石化行业对各种陶瓷纤维炉衬的设计、施工及应用经验，对陶瓷纤维炉衬在石化行业的主要应用结构及其应用特点具体总结分析如下：

1、石化行业主要应用炉衬结构种类：

1）、层铺式陶瓷纤维炉衬结构2）、叠砌式（折叠式）模块结构炉衬

3）贴面式陶瓷纤维炉衬结构4）、不定形陶瓷纤维炉衬结构

5）、复合结构炉衬结构

2、各种陶瓷纤维炉衬结构的特点

1）、层铺式陶瓷纤维炉衬结构

层铺式陶瓷纤维炉衬就是将陶瓷纤维制品（毯、毡、板）一层层地铺放到炉壁钢板上，然后通过耐热钢锚固件或耐高温陶瓷锚固件进行固定的一种炉衬结构方式。

层铺式陶瓷纤维炉衬结构的特点：

A、层铺式炉衬可根据炉衬厚度方向上温度的变化，用不同材质的纤维制品组成，从而可以大大降低筑炉费用。

B、层铺式陶瓷纤维炉衬结构施工简便，保温效果好。

C、缺点

●由于锚固件直接裸露于工作热面，当炉温较高时，对锚固件材质的要求较高，甚至有时必须使用陶瓷锚固件，因此，层铺式陶瓷纤维炉衬结构应用低温及中温热处理炉时技术经济效果最显著。

●层铺式陶瓷纤维炉衬结构所需用的耐热锚固件数量较多，这些锚固件本身又是一个热传导体，加之纤维毡（毯、板）在使用温度下的收缩而在搭接处出现缝隙，会从一定程度上影响保温效果。

2）、叠砌式模块炉衬结构

陶瓷纤维毯折叠模块是采用甩丝法或喷吹法成纤，体积密度为128kg/m3的高铝、高纯、含锆等不同类型材质的针刺毯，按一定的宽度折叠成风琴状，然后将折叠块加以一定量的预压缩，并在压缩状态下捆包起来，最后预埋装或不预埋装锚固件折叠压缩而成。

模块纤维不含任何结合剂。

陶瓷纤维模块可在无背衬或有背衬下通过锚固件固定在炉壁板锚固件上。

锚固件采用耐热合金。

主要材质有18-8（304）25-20（310），20-32（800），23-60（601）。

由于拥有多种固定模块的锚固结构，因此，也具有多种安装方法和安装形式。

目前，应用最多的几种锚固结构形式为：

（A）、中心孔吊挂式；（B）、插刺式（C）、人字架式；另外，根据各种不同类型的炉子对模块结构形状的要求不同，又开发了如拐角锚固结构形式的模块、蝶形锚固结构形式的模块与板登式锚固结构形式的模块。

下面针对炉常用的中心孔吊挂式、插刺式、蝶形拐等几种纤维组件结构逐一进行介绍。

中心孔吊挂式：

结构及组成：

中心孔吊挂式纤维组件是采用优质针刺毯为原料，用专用的纤维组件加工设备加工而成，它包括折叠毯、丁形架、保护片、打包带、塑料管、中心吊孔式滑梯六部分。

具体结构如下：

本身组件：

丁形架、中心吊孔式滑梯

固定在炉壳上的金属锚固件：

螺栓、螺母

结构特点：

中心孔吊挂式纤维组件是通过焊接在炉壳上螺栓与预埋在组件上中心孔吊挂滑梯进行固定安装的。

与其它的结构形式的纤维组件相比，具有以下特点：

a、单块固定，可随时拆装更换，使其维修非常方便。

b、由于是可以单块安装、单块固定，使其安装排列方式相对比较灵活，可以采用拼花地板式安装排列形式，亦可采用沿折叠方向顺次同向排列型式。

c、由于是单块纤维组件对应于用一套螺栓、螺母进行固定，使组件内衬固定相对比较牢固。

d、尤其适用于炉顶部位内衬的安装。

插刺式：

结构与组成

插刺式纤维折叠模块由折叠毯、角铁式锚固件、插齿（穿筋）捆扎带、保护片组成。

并分为预埋锚固件与无锚固件等两种结构

预埋锚固件的角铁式纤维折叠模块

无锚固件的角铁式纤维折叠模块

角铁式纤维模块用锚固件

预埋锚固件型：

模块锚固件：

角铁式锚固件、插齿

无锚固件：

螺栓、螺母

无锚固件型：

角铁式锚固件、插齿、螺栓、螺母全部在现场安装

结构特点：

预埋锚固件型：

该结构形式纤维折叠模块，通过角铁式锚固件与穿筋实现对纤维模块的固定，利用螺栓与螺母实现纤维模块与炉壁钢板的连接，与不预埋锚固件型相比具有以下特点：

a、单块安装、单块固定，可随时拆装更换，使其维修非常方便。

b、由于是可以单块安装、单块固定，安装排列方式灵活，可以采用拼花地板式安装排列或沿折叠方向顺次同向排列结构。

c、由于采用了穿筋穿插固定，安装固定较为牢固，并可加工成毯条组合模块和异型组合模块。

d、锚固件与工作热面之间的距离大，锚固件与炉壳接触点少，壁衬隔热性能好。

e、尤其使用于炉顶部位壁衬的安装

无锚固件型：

该结构形式需要在现场一边安装模块一边穿插穿筋，与其他模块结构相比，具有以下特点：

a、锚固件结构简单，施工迅速方便，特别适用于大面积平直炉墙壁衬的施工。

b、锚固件与工作热面之间的距离大，锚固件与炉壳接触点少，壁衬隔热性能好。

c、该纤维折叠模块结构是通过穿筋将相邻折叠模块连接为一整体，因此，只能采用沿折叠方向顺次同向排列结构。

蝶形陶瓷纤维折叠模块

结构与组成：

蝶形陶瓷纤维折叠模块由折叠毯、蝶形锚固件、捆扎带、保护片组成。

结构特点

a、该模块结构由两组完全相同的折叠块组成，中间采用耐热合金钢管穿透折叠块并通过焊接在炉壁钢板上的螺栓进行固定，钢板与模块之间，紧密接触，无缝隙，整个壁衬平整、美观、厚度均匀。

b、折叠块在两个方向上的回弹均匀一致，充分保证了模块壁衬的均匀性与紧密性。

c、该结构的纤维折叠模块通过螺栓与耐热钢管穿筋进行单块固定，施工既简便，固定结构又牢固，充分保证了模块的使用寿命。

d、单块安装、单块固定，可随时拆装更换，使其维修非常方便。

由于单块安装、单块固定，其安装排列方式相对比较灵活，可以采用拼花地板式安装排列，亦可采用沿折叠方向顺次同向排列。

3）、贴面式炉衬

贴面式陶瓷纤维炉衬结构是用粘结剂将陶瓷纤维毡（或毯）粘贴在普通耐火砖或不定形耐火材料上形成一层陶瓷纤维隔热层的炉衬结构形式。

现有的窑炉节能改造，尤其是窑炉砌砖完好或经修理仍可继续使用的情况下，均可采用贴面式陶瓷纤维炉衬结构。

采用贴面式陶瓷纤维炉衬结构时，炉墙总厚度增加，但绝不会增加热损失，因为纤维隔热，它和耐火砖的界面温度要比工作面低得多，其蓄热比不加纤维要小得多，对于间歇式炉尤其显著。

贴面式陶瓷纤维炉衬的特点是：

●适用于旧炉改造。

●由于受粘接剂粘接强度的限制，保温厚度不可太厚。

●抵抗烟气冲刷能力差，使用寿命较短。

4）、不定形陶瓷纤维炉衬

不定形陶瓷纤维炉衬可分为陶瓷纤维浇注料炉衬和陶瓷纤维喷涂料炉衬。

（A）陶瓷纤维喷涂料结构炉衬：

是将陶瓷纤维棉与无机结合剂混合以后，在现场用特殊的喷涂装置喷涂到要施工的炉壁上，形成无接缝的整体炉衬的一种炉衬结构形式。

这种炉衬结构的特点是炉衬无接缝、热损失小，可以形成复杂的形状，由于纤维分布是三维的，不易剥落，施工容易，工期短；但是由于该炉衬结构也采用了较多的锚固钉进行固定，锚固钉虽然不直接裸露于工作热面，但离工作热面较近（仅15—35mm），所以当该结构应用于较高炉温的窑炉时，对锚固钉材质的要求较高，因此，该结构炉衬最适用于低温或中温炉。

（B）、陶瓷纤维浇注料炉衬：

是在传统毡、毯、板、组件等纤维定形产品炉衬基础上发展起来的一种纤维不定形材料炉衬，它不仅具有纤维定形产品一切优良的热物理性能，并具有抗风蚀、耐磨损、抗冲击震动等优良的力学性能。

陶瓷纤维浇注料沿袭了传统耐火浇注料优良的施工性能，使用方便，配制好的袋装或桶装浇注料，在施工现场拆封后即可施工，特别是对形状、结构复杂的窑炉壁衬施工容易，壁衬整体性和气密性好。

炉衬局部损坏，可方便的进行修补，节约维修时间，延长使用寿命。

陶瓷纤维浇注料壁衬还具有窑炉气氛适应性强的特点，可用作各种燃料炉壁衬材料。

在可控气氛窑炉中使用，较定形陶瓷纤维制品稳定。

5）、复合结构炉衬

复合结构炉衬就是指热面、背衬采用不同材质、不同形态的材料进行复合的一种炉衬，其主要目的是通过对炉衬合理的组合，达到物尽所用、安全经济。

复合结构炉衬有多种不同方式，根据用途可分为两类：

一类主要有陶纤喷涂料（背衬）--耐火浇注料或纤维浇注料（热面）；陶纤毯、毡或板（背衬）--耐火浇注料或纤维浇注料（热面）；陶瓷纤维毡或板（背衬）--耐火绝热砖（热面）；陶瓷纤维浇注料（背衬）--耐火浇注料（热面）；此类结构具有较高的抗气流冲刷能力，多用于炉墙。

另一类是陶纤喷涂料或浇注料（背衬）--陶纤模块（热面）；此类结构具有较高的综合性能，可充分避免烟气对锚固件的腐蚀，效果等同于阻气金属箔。

节点1节点2

四、陶瓷纤维炉衬的结构设计及应用

1）、陶瓷纤维炉衬的选择

炉子壁衬材料的材质除满足最高炉温条件外，还必须考虑陶瓷纤维材料的使用条件、加热炉内的燃料、炉子的操作气氛，炉内炉气正负压等各方面的因素。

同种陶瓷纤维材料，由于使用条件（炉子热源种类、炉内气体成份及流速、炉子运行制度）不同，其使用温度亦不相同。

其规律为：

·同种材料在电炉使用温度比燃煤气炉高50-100℃，比燃油炉高150-200℃。

·同种材料在氧化性或中性炉气中使用温度比在还原性炉气和含硫及低熔点氧化物的尘渣条件下高100-150℃。

·同种材料在连续式炉使用温度比间隙式炉使用温度低50℃

2）、陶瓷纤维炉衬厚度的设计

耐火纤维炉衬厚度的设计应视热面型式（平壁或曲壁）而定，但不论平壁或曲壁均与材料的导热系数、冷热面平均温度及单位表面允许的热损失有关，

与此同时,耐火纤维炉衬的传热过程应视为稳态传热,即由炉内经过纤维炉衬传导的热量应与炉壁外钢板向大气中散失的热量相同,Q传=Q散,所以,耐火纤维炉衬厚度的计算,应以下式为依据进行计算:

Q传=Q散

δ=λp/Q传*（th-tc）

Q散=A（tc-ta）1.25+3.9{[（tc+273）/100]4-[（ta+273）/100]4}

其中,Q传————代表由炉内通过炉衬向炉外传导产生的热量。

（w/m2）

Q散————代表由外壁钢向大气通过辐射与对流产生的热量。

（w/m2）

λp————代表热面温度与外表面温度的加权平均值温度下材料的导热系数。

（w/m..k）

th——————代表炉膛内工作温度（℃）

tc——————代表炉壁外表面温度（℃）

ta——————代表环境空气的温度（℃）一般情况下取值为20℃

在上述所列公式中，A为常数，炉墙取2.2,炉顶取2.8,炉底取1.4-1.5

λp的取值需根据所选用炉衬材料的种类、炉膛内部工作温度、外表面温度及炉衬材料导热系数计算得出。

3）锚固系统材质的选择

锚固件材料的选用一般应根据锚固件所处位置的工作温度，以及是否直接与烟气接触而决定。

采用模块的平铺叠砌复合炉衬结构，锚固件冷面固定，不与烟气直接接触，热工计算出锚固件顶端所处工作温度，根据耐热合金钢锚固件使用温度有关规定进行选材，具体如下：

与烟气直接接触条件下，1Cr18Ni9Ti材质的锚固件最高使用温度为750℃，Cr25Ni20材质的锚固件最高使用温度为1050℃，Inconel601材质的锚固件最高使用温度为1100℃,在以上温度下，锚固件既具有一定的耐腐蚀性，又具有高温下承载能力。

4）平铺叠砌炉衬安装排列形式的确定

模块安装排列方式通常分为拼花地板式和兵列顺排式两种，拼花地板排列方式是一种较为传统的安装排列方式，随着陶瓷纤维模块应用技术的发展，特别是近几年国际上各大陶瓷纤维工程承包公司对陶瓷纤维模块应用技术的研究及应用实践证明：

模块采用拼花地板排列方式存在以下几点缺点:

（1）、模块采用拼花地板排列方式，各块模块在高温下的长时间作业后，各向膨胀不同、回弹不均，模块间易出现不规则裂缝，引起炉衬窜火，进而烧损锚固件，致使模块脱落。

（2）、采用拼花地板排列方式，每一组有四块模块纵横拼花而成，而每一块模块的外形尺寸误差不同，致使相邻每四块模块中间产生一小方洞，整个衬里就会出现无数小洞，影响了炉衬的保温效果。

（3）、炉墙间的连接处为保温薄弱点。

炉墙间的连接如采用模块对接，拼花结构的每两块模块中，肯定存在一块模块的长度方向（模块无膨胀方向）与另一炉墙衬里连接，而高温炉气中纤维的收缩为3%左右，此处很容易产生贯通缝，致使炉衬串火，进而破坏炉壁钢板和炉衬。

综上所述，拼花地板排列模块的方式的确存在一定缺陷，因此现行方案多采用兵列式顺排模块方式，兵列式排列方式为模块顺次同向排列，每一排中的任意两块模块间为膨胀方向接触，模块的回弹性可充分抵消模块高温下的收缩；任意两排模块间为非膨胀的长度方向接触，采用同材质的纤维毯对折成“U”型压缩并镶嵌到两排模块之间，以补偿模块与模块之间高温下的收缩，补偿毯的压缩量远大于模块的收缩量，从而完全避免了拼化地板式排列模块的缺点，同时，兵列式排列方式的纤维壁衬表面规则、平整，模块间接触紧密。

五、陶瓷纤维炉衬在应用过程中需注意的问题

1）、陶瓷纤维炉衬施工后不需烘炉，故在开工前要保护好炉衬，防止雨水、水蒸气等浸湿。

2）、为防止燃料及烟气中的二氧化硫对炉壁的腐蚀，施工时应在炉壁内表面涂高温防腐涂层（详见72B203－2004），以及在设计时考虑金属铝箔阻气层。

3）、复合衬里的层间温度不可忽视，若迎火面陶瓷纤维材料厚度较薄，导致层间温度提高，背衬材料超温损坏，必然破坏整个炉衬的整体性。

使炉衬寿命降低。

4）、锚固钉的材质和焊接应安全可靠，选材不当或焊接不牢，会使锚固钉根部腐蚀脱落，导致衬里破坏。

5）、加热炉炉顶钢板焊接与炉顶和对流室连接处必须满焊和严密，防止雨水入炉损坏炉衬。

6）、防止施工、生产抢修时，炉顶板走人、运物因振动而损坏炉衬。

7）、炉膛呈正压操作时，应用陶瓷纤维炉衬需引起高度重视。

六、结束语

陶瓷纤维由于具有优良的隔热性能，很快被推广应用，其对社会各行业的贡献有目共睹，石化系统各企业这些年应用陶瓷纤维作为加热炉炉衬，为石化企业节能做出了巨大贡献。

但就其在产品系列化、结构规范化、运用定型化、效果最佳化等方面还有不足，表现在实际运用时不太规范，对炉衬选型与配置缺乏科学的定量分析、经济对比与专业指导，导致设计人员或用户随意采用炉衬形式。

因此，今后陶瓷纤维专业生产厂家、广大用户要共同努力、再接再厉，不断完善创新，为发展我国节能材料事业做出更大的贡献！