封閉式地面火炬燃燒塔筒體隔熱耐火襯里介紹及厚度計算

關 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算

關 曉

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

對封閉式地面火炬燃燒塔筒體襯里的材料及安裝方式進行了介紹和對比，并舉例說明襯里厚度的計算方法，為封閉式地面火炬筒體襯里設計提供參考。

封閉式地面火炬；襯里；厚度計算

石油化工行業的生產裝置在正常生產、開停工、事故狀態時會產生一些無法回收利用的可燃氣體，這部分氣體通常排往火炬系統進行燃燒處理，火炬系統作為一類特殊的燃燒設施，是保證工廠安全生產、減少環境污染的一項重要措施。

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大量可燃氣體的排放。地面火炬由于背壓低，安全距離要求遠遠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時排放的可燃性氣體更加方便。地面火炬按照結構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，對于用地緊張，排量不大且排放壓力較低，排放氣體滿足標準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襯耐火材料的選取相關文章做過簡要介紹，但內襯厚度計算很少涉及，本文對火炬筒體內襯材料進行比選，并提供了一種計算內襯厚度的方法，供相關設計人員參考。

1 封閉式地面火炬簡介

封閉式地面火炬系統主要包括地面燃燒塔、防風消音墻、燃燒器、點火系統、控制閥組、分液罐、水封罐等組成[1]，系統簡圖如圖1所示。火炬氣在地面燃燒塔內燃燒，燃燒塔的筒體通常采用碳鋼板焊接成的圓筒，內部敷設隔熱吸音耐火材料，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簡圖

2 襯里耐火材料的介紹及選擇

2.1 材料品種

耐火材料，根據國際標準是指在高溫環境下其化學與物理性質穩定并能正常使用的非金屬(并不排除含有一定比例的金屬)材料與產品[2]。由于燃燒塔筒體為碳鋼板焊接而成的圓筒結構，襯里材料選用密度較小，導熱系數低的輕質纖維材料較為合理，目前市場上輕質纖維耐火材料有很多品種，表1中列舉了一些常用的材料，設計人員可根據計算出的燃燒塔筒內的溫度選擇合適的材料。

表1 輕質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，其組織結構為玻璃相組織。玻璃相為不穩定組織，隨著溫度上升會產生析晶現象，即在特定溫度下會向結晶相轉化，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構不同，其纖維長度較短且柔軟性差，無法制作成大模塊，導致多晶纖維無法大規模應用。現在多晶纖維多使用在澆注料或耐火磚爐墻、爐頂內表面貼塊。

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在筒體內壁，然后用錨固件將隔熱層和保護層材料固定在筒壁上，此種型式錨固件直接接觸筒內煙氣，對錨固件材質要求較高[6]，且熱傳導作用明顯[5]。第二種(B)采用預制好的纖維模塊，模塊表面縫制鋁布作為保護層，采用短的錨固件固定在筒體內壁上，錨固件不與筒內煙氣接觸，減少錨固件對筒壁的熱傳導，而且安裝方便，但是在筒壁上預焊固定件時精確度要求較高，保證模塊間擺放密實，防止熱量通過較大縫隙進行傳遞。第三種(C)采用背襯毯加隔熱纖維模塊的組合方式，背襯毯敷設在外層，模塊和背襯毯之間存在薄的空氣層，空氣的導熱系數一般低于隔熱材料，理論上可以更好的阻止熱量傳遞，安裝也較為方便。

3 襯里厚度計算

封閉式地面火炬設計時通常考慮多工況下處理不同排放量的氣體，因此燃燒塔內一般設置多個燃燒器，分級控制燃燒。按此設計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行計算[3]。

由于金屬的導熱系數遠遠大于耐火襯里材料的導熱系數，計算時一般忽略金屬壁的隔熱作用，認為耐火隔熱層外表面溫度與金屬壁表面溫度一致。

燃燒塔筒體內壁敷設單層隔熱耐火材料時，隔熱層厚度按照公式1～4計算：

δ = (λ(t - ts)) / (α(ts-ta))

(公式1)

式中：δ——熱層厚度，m；

λ——隔熱襯里導熱系數，W/m·K；

t——筒體內火炬最高負荷時的煙氣平均溫度，℃；

ts——筒體外壁允許的最高溫度，℃；

ta——環境溫度，℃；

α——表面放熱系數，W/m2·K；

α = αr+ αc

(公式2)

式中：αr——輻射放熱系數，W/m2·K；

αc——自然對流放熱系數，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，一般金屬保護層取4.0，其他保護層取4.5；

對于垂直平面，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——環境風速，m/s；

燃燒塔筒體內壁敷設多層隔熱耐火材料時，隔熱層厚度按照公式5～7計算：

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——第一層隔熱襯里導熱系數，W/m·K；

λ2——第二層隔熱襯里導熱系數，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，℃

其他符號意義見單層計算公式。

總厚度δ(m)：

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

(公式7)

4 計算舉例

某化工裝置設計計算出的封閉式地面火炬最高負荷運行時的煙氣平均溫度(t)為1000℃，筒體內徑5m，按照國家規范要求[4]火炬燃燒室外側溫度(ts)不應大于60℃，環境溫度(ta)取建設地最熱月平均氣溫28℃，環境風速(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。

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

雙層敷設時，外層厚度對錨固件的長度有很大影響，一般外層背襯毯厚度不超過50mm，計算過程及結果如表2所示。

表2 耐火襯里計算表

注：標“*”隔熱耐火材料的導熱系數與產品成分及使用溫度有很大關系，此處數據僅供參考，應以提供材料的廠家測試數據為準。

通過三種不同型式的計算對比，可以看出同種材料雙層敷設計算出的厚度小于單層敷設，雙層敷設時，外層改用耐熱溫度較低，但滿足使用需求，導熱系數較小的材料時，同樣可以減小耐熱層總的厚度。

5 結論

綜上所述，封閉式地面火炬筒體內襯宜選擇輕質纖維材料，采用背襯毯加纖維模塊的組合安裝方式較為經濟合理。由于經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.地面火炬的設計選型[J].化工時刊， 2015 (5) :11-13.

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

[3] 張德姜 ， 王懷義 ， 劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].4版. 北京：中國石化出版社,1998.

[4] 中華人民共和國工業和信息化部.SH 3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].北京：中國石化出版社,2014.

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

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

(本文文獻格式：關 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算[J].山東化工，2017，46(12)：112-114.)

2017-04-07

關 曉(1981—)，女，河北石家莊人，工程師，主要從事聚烯烴工程設計。

TQ086

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