耐火砖在石化行业转化炉的应用

由于石化行业各类窑炉大多需经过复杂的化学反应，因此所采用的耐火材料也有一些特殊要求。目前80%以上以烃类为原料，用蒸汽转化法生产合成氨原料气和氢气，蒸汽转化法用的主要设备是转化炉。因此，转化炉是合成氨厂和制氢工厂的关键设备之一。而转化炉用耐火砖的性能及施工工艺，也成为转化炉运转的关键。

转化炉的工艺特性

烃类原料有：天然气、油田气和轻油等，其所含主要成分是甲烷和其他饱和烃。

工业上利用水蒸气作氧化剂与甲烷等反应，在有触媒作用下制合成气。一般采用两段流程，在一段蒸汽转化炉（简称一段炉）中甲烷转化率大约65%〜70%，再进入二段蒸汽转化炉（简称二段炉）中加入部分空气进行燃烧，进一步转化。如此既提高了甲烷的转化率，又节省燃料的消耗，同时达到配氮的目的。

年产30万吨合成氨厂一段炉的工艺特性：主要是将原料气里的烃（主要是甲烷）与水蒸气反应转化成氢气和一氧化碳，其反应式如下：

CH4+H2O=3H2+CO-Q

该反应是吸热反应，在转化管触媒床中进行，反应热由燃料烧嘴燃烧供给。其操作条件及影响因素有：

（1）操作温度对吸热反应、提髙温度、使反应速度加快，同时对降低出口气体中的CO2及CH2的含量有利。实际受转化管材质的限制，操作时入口温度为510℃，出口温度为823℃左右，管壁最高温度达900℃左右。

（2）操作压力。反应后的体积增加，低压对反应有利。但从整个装置的经济性出发，操作压力维持在29.4〜34.3MPa（30〜35kgf/Cm2）为宜。

（3）水碳比。水蒸气分子数和原料中碳原子数之比称为水碳比。为防止结碳并促进反应向右进行，需加入过量的水蒸气。通常把一段炉入口的水碳比维持在3.5:1左右。

（4）空速。空速增加，则生产强度提高。当空速增加时，工艺气体在炉管中停留时间减少，则出口甲烷含量也增高，不利于生产。主要受触媒活性和转化管平均传热强度限制。

一般在标准状态下，空速取1800m3原料气/(m3触媒·h)。

（5）转化管平均传热强度，提髙转化管平均传热强度是强化一段炉生产的主要手段，但受管材、炉型结构和触媒性能等限制。

烃类蒸汽转化法具有工艺流程短、投资省、能量利用合理、自动化程度高、环境污染少等优点，因此，应用极为广泛。

转化炉各部砌筑结构与常用耐火砖

（一）辐射室衬里结构

辐射室是一段炉的核心，炉墙结构的优劣直接影响转化工艺过程能否正常进行。

（1）炉墙，辐射段外壁温度为121℃，炉内温度为1250℃。炉墙耐火衬里共厚165mm，其中保温层厚轻质耐火砖厚114mm，其结构采用拉砖形式为宜。

（2）炉顶，采用吊挂结构，厚114mm，上面有51mm厚保温层。吊挂结构需多种异型砖，又较笨重，结构复杂，施工期长，砖易掉落。由于耐火纤维工业发展，现多被耐火纤维衬里代替。

（3）炉底，炉底有10条粘土质耐火砖彻筑的烟道，烟道宽610mm，高1440mm，烟道底为51mm厚的保温块和144mm厚的轻质耐火砖，在靠近辅助烧嘴一端3m内增加1层粘土砖。烟道顶用839mm*150mm*75mm的高铝板铺盖。

（二）过渡段衬里结构

过渡段是辐射段和对流段连接部分。炉墙工作面为152mm厚的轻质耐火混凝土浇注，内衬75mm厚的保温块。浇注的炉墙用Y型锚固钉固定。

炉底1层75mm保温块，上面浇注75mm厚的轻质耐火混凝土。

炉顶浇注152mm厚的耐火混凝土顶板。

（三）对流段衬里结构

对流段全部炉墙、炉底和炉顶都采用轻质耐火混凝土浇注。

（四）输气总管衬里结构

输气总管位于一段炉顶部，工艺气体在转化管转化后，经上升管汇集于输气总管，送到二段转化管。工艺气体温度为870℃，工作压力为3MPa（30.9kgf/cm2）。

输气总管长25.5m，该管为碳钢承压外壳，壳的外面设有水夹套进行冷却，内径为Φ726mm，管内为不锈钢（Cr18Ni8）衬套管，衬套管外径和碳钢外壳内径之间，浇注纯铝酸钙水泥空心球轻质耐火混凝土。该管的环形空间在其长度方向被内衬套管的合金钢支承环分隔26节，如下图所示。每节为一浇注单元，逐节进行浇注。

为防止硅迁移，凡与髙温含氢气流相接触的隔热耐火材料必须保证二氧化硅含量不大于0.5%。因在800℃以上的氢气流中的氢，将耐火材料中的二氧化硅被氢还原成一氧化硅，而在温度低于700℃时，又被氧化成固态的二氧化硅。这种硅迁移结果，会使输气总管之后的设备结垢而堵塞。另外，输气总管本身的隔热耐火层因大量“硅迁移”而丧失机械强度，以致松散脱落，使受压碳钢外壳直接受高温气流作用而破裂。