高溫遠紅外涂料在合成氨甲醇裝置中的應用

周良軍，宋 根，杜 程，徐成滿，徐 波

（1.四川美青氰胺有限責任公司，四川射洪 629000；2.成都考特科技發展有限公司，四川成都 610041；3.四川高宇化工有限公司，四川邛崍 611535）

在以天然氣為原料生產化肥及甲醇的裝置，燃料消耗約占整個天然氣消耗的三分之一左右。由于近年來天然氣漲價趨勢明顯，化肥及甲醇生產成本不斷提高，節能降耗更顯重要。目前，由北京考特公司開發的一種高溫遠紅外線節能涂料—— “KT高效節能強化劑”已用于眾多化肥及甲醇生產企業的一段轉化爐中，達到了很好的節能減排效果。該材料直接噴涂在一段轉化爐內壁的耐火材料表面，可滲入耐火材料1～3mm，經高溫處理，形成一層堅硬的陶瓷釉面硬殼，避免耐火材料表面與燃燒氣流直接接觸，使耐火材料免遭氣流的沖刷和腐蝕，從而起到保護爐體和延長保溫材料壽命的作用。并且，在一段爐輻射室內壁涂刷該材料，可強化爐膛內的輻射傳熱，提高一段爐的熱效率，從而達到節省燃料的目的。

1 節能原理

1.1 高溫遠紅外線涂料的節能原理

遠紅外線是一種具有強熱作用的熱感應能。它具有熱感應、反射、穿透及磁核共振等功能。被遠紅外線加熱的物體，一部分在物體表面反射，另一部分則穿過物體，再進行磁核共振。若紅外線波長與被加熱材料的分子振蕩相匹配，被吸收轉化成熱能，其余波長的紅外線則經透射或被反射。

高溫遠紅外涂料是由強輻射材料組成的。高溫下輻射遠紅外波，這些遠紅外波的穿透能力極強，能穿透被加熱物體和燃料本身，使被加熱物體里外同時受熱。同時遠紅外波穿透燃料時，使燃料分子吸收遠紅外波而產生能級躍遷，釋放能量，改變燃料的燃燒狀態，使燃料充分燃燒。

遠紅外線輻射涂料節能的基本原理就是提高被加熱介質表面吸收率，增大輻射能傳遞比例。為此，通常的做法是在被加熱介質表面涂刷一層高吸收率材料或在爐壁涂刷一層高發射率材料。

高溫遠紅外輻射涂料的節能機理體現在以下3個方面。

（1）增加爐內壁黑度（即增加發熱率），增強加熱爐內壁對熱源傳來熱量吸收后的輻射傳熱，而反射部分相應減少，這部分熱量很容易被燃燒產物（CO2和H2O等）吸收而隨煙氣排出爐外。加熱爐內襯用耐火材料常溫下的黑度一般為0.6～0.8，而一段爐內壁常用的耐火纖維，黑度僅0.3～0.4，隨著爐溫的升高黑度一般大幅度下降，而遠紅外輻射涂料能減緩這種下降，有時甚至可以使其升高。

（2）由于內壁的吸收和輻射作用，改變了爐內熱輻射的波譜分布，將熱源發出的間斷式波譜轉變成連續波譜，從而利于被加熱物體吸收，減少被燃燒產物帶走的熱量。

（3）據維恩位移定律，隨著溫度的升高，輻射峰值波長會向短波段移動。又據普朗克定律計算可知，高溫輻射能量大多集中在1～5μm波段，如1 000℃和1 300℃時，分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內，而一般的耐火材料在這一波段的發射率很低，對高溫輻射不利，高溫遠紅外輻射涂料可以彌補這一不足。由于被加熱物體在不同加熱溫度下所輻射的頻率不一樣，因此，選用與被加熱物體相匹配的遠紅外輻射頻率加熱，可大大提高其加熱效率，并能保證加熱質量。

1.2 高溫遠紅外線涂料在一段轉化爐的節能作用

化肥及甲醇裝置中為了加快一段轉化爐轉化反應的速度，一般采取改善催化劑化學活性的辦法（在這方面目前已經取得很大的進展）。但這還不夠，為了充分發揮催化劑的能力，還必須提供轉化反應的熱量，催化劑的活性越高，這方面的要求越突出。怎樣才能加快傳熱速度呢？根據傳熱的基本方程式：

Q＝KF△t

式中，Q是傳熱量，K是傳熱系數，F是傳熱面積，△t是冷熱流體的溫差。

由于爐管材質的限制，最好不用加大溫差的辦法來加速傳熱。剩下的兩個因素是傳熱面積和傳熱系數。

傳熱面積 采用較小的爐管，對于同樣數量的催化劑來說，其傳熱面積就增加了。如果爐管內徑由100mm改為71mm，相當于同樣的催化，傳熱面積增加了40%，但離心澆注技術又限制爐管的下限為60mm。爐管的內徑應根據爐型結構和操作條件并在全面評比最佳經濟效益的基礎上選擇。

傳熱系數 管外主要依靠輻射傳熱，管內是氣體強制流動給熱。采用小直徑管，管子和火焰的距離可以縮短，從而有利于輻射傳熱。另一方面，凱洛格爐管數雖多，但管徑細，因此流通截面小，流速大，有利于傳熱。總的說來，凱洛格爐型采用小直徑、高空速、高溫度這幾個特點，是互相依存的。

如前所述，“KT高效節能強化劑”產生的遠紅外波穿透能力極強，能穿透被加熱物體，使被加熱物體里外同時受熱，使受熱物體溫度更加均衡。這樣，在不提升轉化管溫度和同樣的傳熱面積的情況下，轉化管將會得到更多的輻射熱量，滿足為催化反應提供更多熱量的要求，有利于加快轉化反應速度，同時節省燃料。

2 高溫遠紅外輻射涂料

“KT高效節能強化劑”是由北京考特公司開發的一種納米多功能熱輻射強化劑，這種納米多功能強化劑具有如下特點。

（1）通過材料的復合化、超細化，產品具有超高的吸收率和發射率，高達0.93以上，處于世界領先水平。

（2）具有顯著的節能效果，保護爐體，延長工業爐窯的使用壽命。

（3）加快制品的加熱速度，提高制品加熱的均勻性，降低產品燒損，提高產品質量。

（4）多功能熱輻射強化劑經高溫燒結后不脫落，具有很強的粘結性，能夠長期使用。

（5）產品無毒無味，對人體無害，在使用和生產過程中無任何污染物質。

（6）由于減少了燃料的消耗，降低了爐內廢氣的排放量，具有顯著的環保效益。

（7）使用方便、范圍廣，不改變爐膛結構，也無須改變用戶操作工藝。

（8）采用獨特的工藝技術，施工周期短，并可以長期（6個月以上）存放不分層。

該高溫輻射涂料主要技術性能指標如表1所示。

3 實際應用情況

“KT高效節能強化劑”于2012年1月應用于四川美青氰胺有限責任公司的200kt／a合成氨系統的一段轉化爐中。經過噴涂前后的考核對比，取得的效果主要如下。

表1 KT高效節能強化劑主要技術性能指標

3.1 爐外壁溫度下降

表2 噴涂前后外壁溫度變化情況 ℃

表2為一段轉化爐輻射室內壁爐墻噴涂“KT高效節能強化劑”前后外壁溫度變化情況。

從表2可以看出，在生產負荷及環境溫度相同或相近的條件下，一段轉化爐噴涂KT高效節能強化劑后，爐墻外壁溫度有明顯的下降，爐外壁溫度總體平均下降了7.1℃。

3.2 燃料消耗降低

表3為一段轉化爐輻射室內壁爐墻噴涂“KT高效節能強化劑”前后工藝參數對比。

表3 一段轉化爐輻射室爐墻噴涂前后工藝參數對比

從表3可看出，一段轉化爐噴涂KT高效節能強化劑后，噸氨燃料消耗量降低了26.03m3。

3.3 經濟效益分析

四川美青氰胺有限責任公司一段轉化爐使用KT高效節能強化劑后，噸氨燃料消耗量平均下降26.03m3，按年產150kt合成氨計，可節省天然氣390×104m3左右。由于這部分節省的天然氣用作原料氣，在用氣量與以前相同的條件下可多產合成氨約4 200t／a，同時可減少8 000t／a左右的二氧化碳排放，達到了節能減排的目的。

4 結 語

KT高效節能強化劑的主要技術要點是，提高一段轉化爐墻內壁表面的黑度，噴涂后黑度由0.3～0.4增至0.93以上，并且能強化輻射傳熱，使被加熱體受熱均勻。在以天然氣為原料生產化肥及甲醇裝置的一段轉化爐內應用，可以節省燃料氣，將這部分燃料氣用作原料氣，可以增加合成氨或甲醇的產量，同時減少二氧化碳的排放。迄今，KT高效節能強化劑已用于川化、天華化工、赤天化、建峰化工、建滔化工、江北化工、高宇化工等化肥及甲醇生產企業的一段轉化爐，取得了良好的節能減排效果。