气化炉拱顶耐火隔热衬里层传热关键影响因素分析

在 计 算模 型 中 ，气 化 炉 拱顶 内部 的操 作 温 度 （ 刚玉 砖 见火 面 温 度 ）和 外 壁温 度是 实 测 值 ， 即 分 别 对 刚 玉砖 和 莫来 石 隔 热砖 两 层及 拱 顶 外壁 在 传
热计 算 中各 自的导热 系 数不 同取值 对 炉 壁外 表 面 温度 的影 响进 行灵 敏度 分 析 ，以确定 影 响拱 顶 耐
（ （／ １ｒ１ ｉ （ ）ｌ １ １ １ｒ ／ｉ） ） ＋ ×－ ＋ ） 一 ＋ × ｚ ＋
式中： 的取 值范 围在 ｌ １ Ｗ／ Ｋ（ ～ ０ ｍ ・ 自然对 流 ）
ｈ￣Ｉ ）（ ）／ —） （ ｒ ｏ （Ｔ ＝ （ Ｊ ｏ ６ ， Ｃ ）
式 中 ： 炉壁表 面黑 度 ，其值 为 ０８ ； 一 ． ５ Ｇ广 黑体辐 射 系数 ， 值为 ５ ７ ｍ ４ 其 ． Ｋ 。 ６ Ｗ／
关键 词 ： 化 炉 耐火 隔热 衬 里 气
传热
导热系数
灵 敏 度 分 析
１ 问题 的提 出
渣 油 、脱 油 沥青 以及 天 然 气非 催 化 部 分 氧化 气化 炉 属 于高 温 、 高压 、 氢并 内衬 耐火 隔热衬 里 临 的设 备 ， 了确保 该 设 备安 全 运行 ， 为 在气 化 炉拱 顶
化 炉拱 顶外 壁 温度 为实测 值 ２ ６７ ， ５ ．℃ 此时 ｈ １． ４０ ＝ Ｗ／ ２Ｋ。这 样 ＋ １ ．Ｗ／ ２Ｋ。见火 面刚 玉砖 ｍ． ９０ ｍ ・
表面 温度取 实测 数据 为 １ ９ 。 ４ ２
由于 ｈ 值 跟气化 炉 所在 的环 境有关 系 ，比如 气化 炉 上 有 没有 遮 挡 物 ， 没 有 风 ， 速 多少 等 ， 有 风
２ １ ８月 ０１ 年
舷
Ｌ ｒ ｅ Ｓ ａｅ Ｎｉ ｏ ｅ ｏ ｓＦ ｒｉ ｚ ｒＩ ｄ ｓ ｙ ａｇ ｃ ｌ ｔ ｇ ｎ ｕ ｅ ｔ ｉｅ ｎ ｕ ｔ ｒ ｌ ｒ
第３ ４卷 第 ４期
Ａｕ ２ ｇ．０１１ Ｖｏ ．４ Ｎ ． １ ｏ４ ３
气化炉 拱顶耐火 隔热衬里层传 热关键影 响 因素分析
一
见火 面温 度 ， Ｋ；
一
气／ ． 气 ／ ． 温 度／Ｃ 温 度 ／ ｍ３ｈ ｍ３ｈ ＂ ℃ 口温膨
炉壁 外表 面温度 ， Ｋ：
保温层 交界 面到球 心 的距离 ｍ。 １为见
火 面 ， ｋ为 炉壁 内壁 面 ： ｉ ＝
Ａ一 对应保 温层 导热 系数 ， ｍ・ Ｗ／ Ｋ。
和筒 壁 的不 同 区域 ．设 置 了许 多 温度 监 控 点 以监
控气 化 炉 内部 的运 行状 况 。 同时 ， 设计 和操作 中 在
提 出设备 外壁 报警 温 度不 超 过 ３ ０ Ｃ ５ 的要 求 ． ｏ 以防 止 外 壁 温 度 过 高 导致 气 化 炉 承压 壳 体 出 现 危 险 。 以天然 气 为气 化 原 料 与采 用渣 油 或脱 油 沥 青 为气 化原 料 相 比 ，由于 气化 原 料 的物 性 由液 态 改 变 为
式（） ４ 经化 简得式 （ ） ５： Ｔ＝ ｏ 一 ＋ ５ （ ）
而且 在气 化 炉 的不 同位 置也 会不 同 ．为 了 简化 该
问题 ， 为所 有位 置 的 ｈ 值 为 ５０ ｍ 。 也 认 ．Ｗ／ Ｋ ｈ 值
跟气 化 炉所 在 的环境 有 关 ，比如周 围有 无 与环 境 温 度相 差较 大 的遮挡 物 ，当然关 系最直 接 的是 炉 壁 外表 面温 度 ， 了简 化该 问题 ． 里认 为 气 化炉 为 这
度进 行 理 论传 热 计 算 校验 ， 过 对 图 １ ａ 中具 有 通 （）
测得 的温度为见火面刚玉砖 内表 面的温度 ；⑤认
为 耐火 隔 热 衬 里各 层 材 料 的重 烧 线变 化 率较 小 ．
代 表性 测 点 实 测 温 度 与 理论 计 算 值 对 比分 析 ． 发 现理 论 计算 值跟 实 测 温度 存在 很 大误 差 ．且误 差
８９ ２ ７ ７５ ０５； Ｅ—ｍａｌ ｕ ｗｙｓｅ ＠ｓｎ ｐ ｃｃ ｒ 。 ｉｇ ｏ ． ｃ ｉｏ ｅ ．ｏ ： ｎ ｎ
肥 装 置 两种 典 型 天然 气气 化 炉 的拱 顶 耐火 隔热 衬
里 层 设 置 图
缸 舷
表 １ 表 ２为 图 １ ａ 化 肥 装 置 天 然气 气 化 炉 、 （） 的典 型 工业 运行 数 据 。 以表 １中两个 实 际测 量 温
模 型 简 化 中是 否 对计 算 结果 有 重 大 影 响 的某 些 因
综 合表 面换 热 系数 进行 灵敏 度 分析 ｌ， 定该 值 对 ７确 ］
外 壁面 温度 的影 响 范 围。
素进 行 了不合 理 的 简化 。 由于稳 态 传热 理 论 是 常 用 的传 热 计算 方 法 。 因此不 存 在 第一 种 情 况 ； 计算 模 型 的简 化方 式 也 是稳 态 传热 理 论 一般 采 用 的方
２ ６７ ５ ． ℃。上 述计 算值 与实 测值 相差 １ ４ ， 差 达 ６℃ 误
１７ ． ７ ％ 分析 导致 如此 大偏 差 的原 因 ， 以从采 用 的 可
计算 模 型 或选 取 的耐火 隔热 衬 里层 材 料某 些 物 性
参数 方 面找 出 问题 。
火 隔热衬 里层 传 热 的关 键 因素 。 ３１ 拱 顶外 壁综 合 表 面换热 系数 取值 灵敏 度分 析 ．
角度 进行 分析 ， 以确 定 出现此偏 差 的影响 因素 。
表 １ 气 化 炉 工 业 运 行 典型 数 据
人 炉 天 然 人 炉 氧 炉膛 上 部 炉膛 中部 炉膛下部出 拱顶 外 壁 温 度ＰＣ
一
￡ — 一
（） １
（／ｉ１ｒ ／， １ｒ ／ ） ｒ － ４ｒ Ａ
式 中： 一热 流 ， ｓ Ｊ ； ／
气态 ， 气化 烧 嘴 的主要 功 能 由解 决 “ 化＋ 雾 混合 ” 问 题改 变 为 仅解 决 “ 合 ” 混 问题 。 因此 ， 化 物料 （ 气 天 然气 、 气 ） 氧 通过 气 化烧 嘴进 入气 化 炉 内 的流 速相
对 降 低 约 ５ ％； 时 ， 化 原 料轻 质 化 后 ， 化 烧 ０ 同 气 气 嘴 喷 口外 几乎 没 有黑 区 ，火 焰 ” “ 相对 变 短 …。上述 两个 方 面 均 引起 了气化 炉 拱 顶 区域 的高 温 热 区上 移 ，对 拱 顶 的辐 射 加 大和 拱 顶 区域 的热 流 密 度加 大 。因此 。 然气 气化 炉拱 顶耐 火 隔热衬 里层 的设 天
值远 远 超 出 了正 常 的偏 差 范 围 。本 文 从采 用 的 理
对传热无影响 ； ⑥不考虑由于耐火隔热衬里层施 工质 量 引起 的各 层窜 气 现象 。经 过 以上 计算 模 型
简化 ， 通过 气化炉 拱顶球 冠 的热流 为 ：
＝ — —
论计 算 模 型及选 取 的耐火 隔热 衬 里层 各 物性 参数
法 ． 工 程应 用 角度 ， 从 本文 针 对 气化 炉 拱顶 耐 火 隔
根 据 前 节 中 的讨论 ，炉外 壁 的综合 表 面换 热
系 数 ｈ＋ 的 范 围 在 １ ．～ ４０Ｗ／ Ｋ，根 据 式 ５ ２． ０ ｍ
郭 文元 ， 名俭 ， 一费 王辅 臣
（． 东 理 工 大 学 ， 海 ２ ０ ３ ；． 国石 化 集 团 宁 波技 术 研 究 院 ， 江 宁波 ３ ５ ０ ） １华 上 ０２７２ 中 浙 １ １３
摘 要： 以某 化 肥 装 置 天然 气 气 化 炉 的典 型 工 业 运 行 实测 数 据 为 基 准 ， 用 稳 态 传 热 理 论 对 气 化 妒 拱 顶 外 壁 采 温 度 进行 理 论 传 热 计 算 校 验 ， 过 对 拱 顶 耐 火 隔 热 衬 里 层 传 热 关 键 因 素 的 灵 敏 度 分 析 ， 明莫 来 石 隔 热 砖 层 对 通 表 拱 顶 外 壁 温 度 的 影 响 最 大 ，从 理 论 上 证 明 了控 制 拱 顶 耐 火 隔热 衬 里 层 传 热 的关 键 物 性 参 数 是 隔 热 砖 的 导 热 系 数 。因此 ， 拱顶 耐火 隔热 衬 里 层 设 计 计 算 中选 取 合 适 的隔 热 层 导 热 系 数 是 防 止拱 顶外 壁 出现 超 温 的 关 键 ， 而 在 从 为气 化 炉 拱 顶 隔热 衬 里 层 设 计 和 传 热 计 算 提 供 理论 支持 依据 。
气 化炉 拱 顶外 壁 的综合 表 面换 热 系 数 由对 流 换热 系数 ｈ 和表 面辐 射换 热 系数 ｈ 组成 ，由于准 确 确定 对 流换 热 系 数存 在 困难 ，而 表 面辐 射 换热 系 数相 对 较 准 ，只 需 把实 测 炉外 壁 温度 及 环 境 温
图 ２ ｏ ｈ 关 系 Ｔ－
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部 区域 的化 学反 应处 于 稳态 ，即见 火 面刚 玉砖 内
表面温度相等 ； ④认为图 １ 中的“ 测炉膛 温度 ” 点
度—— 炉 膛 上 部 温 度 ｌ ９ ４℃及 拱 顶 外 壁 温 度 ２ ２ ６７ ５ ． ℃为基 准 ，采用 稳态传 热 理论 对拱 顶外 壁 温
３ 拱 顶耐 火 隔热衬 里层 传 热关键 因 素分析
砖 在 １ ０ 的导 热 系数 为 ２３ ｍ・ ０Ｃ ２ ｏ ．Ｗ／ Ｋ，承压 钢壳
的 导 热 系 数 为 １ ．Ｗ／ Ｋ。把 以 上 参 数 代 入 式 ５０ ｍ・ （ ） 计算 得 ／ ９ 远 低 于 实测 的拱顶 外 壁 温度 ５， ＂ ３Ｃ， ｏ ｏ ＝
根据式（） ６ 在 为 ７ ℃下 ， 在 １０ ３ ０ｃ变 ０￣５ ｌ ｃ 化时， 随 变 化 的关系 如 图 ２所示 。
周 围所 有物 体 的表 面温 度 都为 环境 温 度 ，经 简化
后 炉壁 外 壁面 的辐 射换 热 系 数 ｈ 在环 境 温 度 为 ７ ℃条 件下 跟炉壁 外壁 面温度 的关 系如 图 ２ 取 气 ，