劉功志

(揚子江乙酰化工有限公司，重慶 401254)

轉化爐是制備合成氣體的設備，它包括蒸汽轉化爐、甲醇裝置轉化爐、制氫轉化爐、一氧化碳轉化爐等多種類型[1]。集氣管是轉化爐的重要組成部分，它通常設置在轉化爐的底部，其作用是匯集和輸送轉化爐內制備的合成氣體(轉化氣)。轉化氣是一種高溫(通常不低于900℃)、中壓氣體，因此，集氣管已經不是一個單純的管路，而是一個需要特殊考慮的高溫中壓臥式圓筒形承壓設備[2]。為實現轉化氣的單向輸送和方便日常檢修，集氣管的封閉端設有平蓋封頭以保證密封，封頭內部設有保溫堵頭以實現保溫隔熱。由于集氣管內部長期處于高溫中壓的惡劣工況環境，其運行狀況的好壞，直接關系到轉化爐及整個生產裝置的安全、穩定和長期運行。因此，為確保安全生產，集氣管的使用情況一直是日常檢查和大修工作的重點之一[3]。

現有技術中，集氣管封閉端保溫堵頭通常是用耐火磚或耐火膠泥等隔熱材料砌筑而成，以滿足密封和保溫隔熱的要求。在實際生產過程中，當需要對集氣管內部進行檢查、清理或維修時，需要破壞原有的耐火磚或耐火膠泥堵頭；而當作業完成后，又需要重新砌筑堵頭來完成密封。這不僅使得維護人員在作業時勞動強度大、勞動條件差、作業效率低，而且增加了維護成本。同時，因該堵頭要求具備良好的密封和保溫隔熱性能，這使得堵頭的砌筑工作技術要求較高，操作難度較大，進一步造成了集氣管的維護作業極為不便。

為了克服現有技術的上述缺陷，我公司委托某環保公司開發了一種用于轉化爐集氣管封閉端的新型保溫堵頭裝置，并將其用于對原有封閉堵頭進行改造，以期使得轉化爐集氣管的維護作業更為方便，降低工人勞動強度，改善勞動條件，提高作業效率，增強保溫效果，降低維護成本。

1 集氣管封閉端堵頭的改造設計

1.1 堵頭裝置的結構設計

如圖1所示，新型保溫堵頭裝置由真空成型隔熱堵頭和隔熱毯組成，隔熱堵頭又由若干真空成型隔熱塊(見圖2)組成。隔熱堵頭的直徑略小于集氣管的內徑，而隔熱毯的直徑大于集氣管的內徑。在實際使用中，隔熱堵頭呈圓錐臺結構，各隔熱塊依次緊密接觸，隔熱堵頭的大直徑端與隔熱毯緊密接觸(見圖3)。隔熱塊靠近隔熱毯的一端設有盲孔，盲孔內設有拉手，拉手用耐蝕性較強且成本較低的304或316不銹鋼制成。

1-真空成型隔熱塊，2-隔熱毯

11-隔熱塊，12-盲孔，13-拉手

1-隔熱堵頭，2-隔熱毯，3-集氣管，4-法蘭盤，5-法蘭盲板

1.2 隔熱材料的選擇

傳統的耐火磚或耐火膠泥隔熱材料已不適應現代保溫設備的需求，它們存在著體積密度大、導熱系數大等缺點，這不僅使設備的維護不方便，而且還增加了運行成本[4]。耐火陶瓷纖維是一種新型環保隔熱材料，其主要成分是SiO2和Al2O3，具有優良的隔熱性能，已在石化、冶金、建材、電力、航空航天等行業的隔熱領域得到了廣泛應用，并取得了令人滿意的效果；與一般隔熱材料相比，耐火陶瓷纖維具有重量輕(陶瓷纖維折疊模塊爐襯比輕質隔熱磚襯輕75%以上，比輕質澆注料襯輕90%)、耐火度高(最高可以超過1580℃)、熱容量低(僅為耐火磚的1/72)、導熱系數小、化學穩定性好、耐熱震性好等優點，可帶來良好的保溫隔熱效果，尤其對于高溫工業爐，其優點更為突出[5-6]。陶瓷纖維種類較多，選擇時需要考慮以下幾個因素。

1.2.1 環境的氧化還原性與化學穩定性的關系

在集氣管內，還原性氣體CO、H2的含量分別為22%～23%、66%～67%，陶瓷纖維中的SiO2在高溫還原性氣氛中會發生“硅遷移”，其反應如下[2]：

SiO2+CO → SiO↑+CO2

SiO2+H2→ SiO↑+H2O

為確保耐火材料的正常使用，防止產生“硅遷移”現象，陶瓷纖維材料選擇高鋁型纖維，其Al2O3含量為55%～60%，最高連續使用溫度為1050℃。

1.2.2 導熱系數與密度等的關系

不同應用形態的陶瓷纖維，其氣孔率和密度不同。陶瓷纖維的導熱系數隨體積密度增大而減小，但減小的幅度逐漸降低；當體積密度超過一定范圍后，導熱系數反而有增大的趨勢。這種變化規律受到制品的氣孔率、氣孔大小及氣孔性質的影響。陶瓷纖維剛性制品的最佳體積密度范圍為0.3～0.4 g/cm3。

1.2.3 分類溫度與使用溫度的關系

分類溫度即最高使用溫度，具體定義為耐火纖維制品在非荷載條件下加熱保持24 h，高溫線收縮率為4%時的測試溫度。長期安全使用溫度是指耐火纖維在一定溫度下保持24 h，高溫線收縮率≤2.5%時的測試溫度。為保證使用效果及使用壽命，陶瓷纖維不宜在最高使用溫度下長期使用，應在長期安全使用溫度下使用。在不受外力的情況下，陶瓷纖維在低于長期安全使用溫度下服役，其使用壽命可以達5～10年。

綜上，新型保溫堵頭的隔熱塊由耐火高鋁陶瓷纖維真空成型板制成，具體制作過程是將分散均勻的料漿(包括陶瓷纖維、分散劑、有機和無機結合劑、添加劑)注入模具，采用濕法真空成型工藝加工而成。它具有低熱容量、低熱導率、吸音降噪性能好、尺寸精準、耐壓強度高、良好的熱穩定性和抗熱震性等優點。同時，該材料具有良好的韌性，且平整度好、易切割安裝、施工方便，其主要技術性能指標見表1。在具體使用時，隔熱塊可根據需要選用分類溫度為1260℃或1400℃的耐火高鋁陶瓷纖維真空成型板制成。

新型保溫堵頭的隔熱毯由高鋁陶瓷纖維毯剪制而成，其內不含任何有機結合劑，可確保其在高溫及低溫工況下均具有良好的穩定性和可造性，并具有低導熱率、低熱容量、優良的化學穩定性和熱穩定性。同時，陶瓷纖維毯為軟性材質，其形狀上具有可塑性和回彈性[6-7]。

1.3 隔熱堵頭厚度的確定

隔熱堵頭的厚度可以根據傳熱計算來確定。根據多層平壁一維穩態導熱模型[8](見圖4)，忽略固體在接觸界面上的接觸熱阻，不考慮集氣管內轉化氣流動的影響，周圍環境按無風情況考慮。對于三層熱阻的串聯穩態導熱，通過各層的熱通量相等，有

1-隔熱堵頭，2-隔熱毯，3-法蘭盲板

上式中：q—熱通量，W/m2；b—壁厚，m；k—平壁導熱系數，W/(m·K)；T —壁面溫度，K。

已知隔熱堵頭的導熱系數為k1=0.15 W/(m·K)；隔熱毯的導熱系數k2=0.15 W/(m·K)，安裝壓縮后的厚度b2=15 mm；法蘭盲板(Q235A材質)的導熱系數k3=48.85 W/(m·K)，厚度b3=40 mm。根據設計要求，集氣管內正常工作溫度在900℃左右，隔熱堵頭外側的壁面溫度不超過160℃，法蘭盲板的外表面溫度不超過80℃，據此取隔熱堵頭內側的壁面溫度T1=900℃，隔熱堵頭外側的壁面溫度T2=160℃，法蘭盲板外表面壁溫T4=80℃。由式(1)計算可得：隔熱堵頭厚度b1=140 mm，綜合考慮，隔熱堵頭厚度采用b1=150 mm。

1.4 新型保溫堵頭裝置的特點

(1)隔熱堵頭由若干隔熱塊組成，每個隔熱塊均為完全相同的扇形結構，其加工和制造方便。同時，隔熱堵頭的整體圓錐臺結構具有導向作用，這使得隔熱堵頭在集氣管內的裝拆更為方便。

(2)每個隔熱塊均設置有盲孔和拉手，操作人員可借助拉手抓取隔熱塊，使隔熱塊的裝拆更為方便。同時，在裝拆該堵頭裝置時，可分次裝拆隔熱塊，一方面避免了因隔熱堵頭整體尺寸較大而造成重量較重，一次性拆裝不方便。另一方面，當需要對集氣管進行檢查、維修作業時，只需取出一塊隔熱塊，無需取出整個隔熱堵頭。這使得集氣管的檢查、維修更為簡單方便，同時，大大降低了工人的勞動強度，提高了作業效率。

(3)設置具有良好柔軟性及回彈性的隔熱毯覆蓋在隔熱堵頭的大端面上，可以有效封堵隔熱堵頭周邊與集氣管內壁的縫隙以及各隔熱塊之間的縫隙，確保了堵頭裝置的結構完整性，避免了熱量從縫隙處逸出。該堵頭裝置安裝完成后，將法蘭盤與法蘭盲板通過螺栓連接，可實現堵頭、隔熱毯及法蘭盲板三者間的緊密結合，確保了整個裝置的密封及保溫隔熱效果。

(4)新型堵頭由耐高溫且強度較高的陶瓷纖維制成，其重量輕、性能穩定、使用壽命較長，并可重復使用，很大程度上降低了使用成本。

2 改造后使用效果

根據設計，本公司CO1#、CO2#轉化爐集氣管保溫堵頭均采用全新的材質和結構，用新型保溫堵頭裝置取代了原來的砌筑耐火磚的隔熱形式，使得堵頭的裝拆更為方便，在轉化爐集氣管的檢查、維修作業中，操作人員的勞動強度大大降低，作業效率明顯提高。

為了評估改造后的使用效果，采用紅外熱像儀對改造后的集氣管封閉端堵頭進行檢測，測試結果見紅外熱成像圖(圖5)。紅外熱成像圖采用不同的顏色表示不同的溫度，可以直觀地反映被測物體表面的溫度分布狀況[9]。使用全新結構的保溫堵頭后，法蘭盲板外表面溫度分布比較均勻，最高溫度為76℃，平均溫度約為70℃，完全達到了設計要求，且遠低于原保溫方式的外壁溫度，說明開發的新型保溫堵頭裝置具有良好的密封及保溫隔熱能力。

圖5 改造后集氣管保溫堵頭的熱成像圖

3 結語

開發的新型保溫堵頭裝置極大地方便了轉化爐集氣管的日常檢查與維護，大大降低了工人的勞動強度，提高了作業效率，降低了維護成本。改造后，從半年多的使用情況來看，該裝置運行穩定，密封及保溫隔熱效果良好，未出現超溫情況，法蘭盲板外表面溫度一直低于規定值80℃，達到了設計要求，說明本次改造取得了成功，同時也為轉化爐集氣管封閉端保溫隔熱結構的改造積累了經驗。