煅燒爐保溫節(jié)能與效益分析

景喜中

（天津渤化永利化工有限公司，天津 300452）

在聯(lián)堿生產(chǎn)中，煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)的蒸汽消耗占生產(chǎn)能耗的大部分，如果降低煅燒爐及附屬系統(tǒng)的汽耗，也就有效地降低了聯(lián)堿生產(chǎn)的能耗。煅燒爐蒸汽消耗中，重堿化學(xué)分解和重堿水分干燥占了約70%，要降低這部分消耗，需要在操作和工藝改進(jìn)上花費(fèi)物力財(cái)力，才能取得降低2%到3%的效果。其實(shí)，強(qiáng)化高溫設(shè)備保溫工作，可以取得同樣節(jié)能效果，花費(fèi)不高但效果好，從煅燒爐的能量消耗的數(shù)據(jù)可以看出，即使設(shè)備保溫完好，設(shè)備熱損失也占到總量的6%。通過散熱速率計(jì)算可以知道，如果加強(qiáng)高溫設(shè)備的絕熱保溫工作，采用絕熱好的保溫材料，把保溫層加厚到200mm，這部分完全可再降低約2%，折合每噸純堿降低4.5元。

1 高溫設(shè)備散熱的估算原理

設(shè)備沒有保溫時(shí)，熱先從設(shè)備內(nèi)壁傳導(dǎo)到外層，然后輻射到空氣，傳導(dǎo)與輻射是串聯(lián)散熱的，傳導(dǎo)熱與輻射熱相等，輻射過程成為限制熱量散失主要阻力，散熱速率由輻射過程決定，輻射速率與輻射表面積、設(shè)備溫度與空氣溫度四次方之差、灰黑體校正因數(shù)、幾何因數(shù)這四個(gè)因數(shù)成正比，散熱速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有保溫時(shí)的散熱速率。從理論上講，設(shè)備沒做保溫時(shí)，按熱傳導(dǎo)速率方程，通過測(cè)量?jī)?nèi)壁與外壁的溫差，也可以算出散熱速率，但設(shè)備壁內(nèi)外溫差很小，一般的測(cè)量和估算不準(zhǔn)確，所以這里不做無保溫層的散熱估算。

設(shè)備做了保溫后，熱量經(jīng)設(shè)備壁和保溫層，傳導(dǎo)到保溫最外層，再輻射到大氣中，輻射要快得多，輻射熱量等于保溫層傳導(dǎo)出來的熱量，熱散失的主要阻力就在保溫層，所以，保溫層的熱傳導(dǎo)速率也就是設(shè)備散熱速率。這種情況下，估算散熱速率時(shí)，先測(cè)量?jī)?nèi)層、外層溫度，算出溫度梯度，計(jì)算熱阻，溫度梯度除于傳導(dǎo)熱阻等于傳熱速率。因此，測(cè)量保溫內(nèi)外層溫度，了解相關(guān)熱傳導(dǎo)參數(shù)后，就可以比較準(zhǔn)確地估算設(shè)備熱損失。設(shè)備做了保溫后，傳導(dǎo)散熱速率減小，保溫外層溫度一定降低了，所以保溫外層溫度降低是熱損失減少的標(biāo)志，如果相互比較，條件是必須處在相同的環(huán)境。如果同樣的設(shè)備，處在室內(nèi)和室外相比較，在室內(nèi)，其外層溫度高一些，是不是說明熱損失大了，恰恰相反。處在室內(nèi)，設(shè)備傳導(dǎo)熱的溫度梯度（設(shè)備內(nèi)溫度與外層溫度之差）小，熱阻不變，傳熱速率變小了，實(shí)際情況是，處在室內(nèi)，相當(dāng)于為設(shè)備添加了一層保溫。同樣的設(shè)備處在冬季和夏季相比較，在冬季，設(shè)備保溫層外層溫度低了，其傳導(dǎo)熱的溫度梯度變大了，其熱損失也變大了。

2 保溫工作的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

有關(guān)高溫設(shè)備絕熱保溫工作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50264－97《工業(yè)設(shè)備及管道熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)規(guī)定。比如，設(shè)備及管道外表溫度在50～850℃時(shí)，除工藝有散熱要求外，均應(yīng)設(shè)保溫絕熱層；在有人員接觸防止人長(zhǎng)身燙傷時(shí)，應(yīng)按表面溫度低于60℃計(jì)算厚度；無特殊工藝要求應(yīng)采用“經(jīng)濟(jì)厚度”法計(jì)算；對(duì)圓筒型設(shè)備絕熱“經(jīng)濟(jì)厚度”和絕熱結(jié)構(gòu)單位造價(jià)給出了計(jì)算公式，公式不按化工能量傳遞技術(shù)理論計(jì)算，而偏重于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，運(yùn)行能量?jī)r(jià)格越高，要求保溫材料越厚；在規(guī)范的附錄中規(guī)定，常年運(yùn)行的設(shè)備管道最大允許熱損失，50℃時(shí)低于58W／m2，100℃時(shí)低于93W／m2，150℃時(shí)低于116W／m2，200℃時(shí)低于140W／m2等等。在實(shí)際運(yùn)行中，各家企業(yè)出于自身利益考慮，保溫工作做得更好，熱損耗要低于規(guī)定中損耗數(shù)值。

3 聯(lián)堿煅燒爐的散熱和保溫工作

聯(lián)堿純堿干燥一般采用內(nèi)熱式煅燒爐，這種煅燒爐用過熱中壓蒸汽做為熱源，蒸汽管道內(nèi)溫度一般在300℃以上。蒸汽進(jìn)入煅燒爐后，把過熱部分和蒸汽變凝水的潛熱釋放出來，變?yōu)橄嗤瑝毫Φ哪?jīng)過閃發(fā)和凝水管道回到熱電廠，完成一次循環(huán)。煅燒爐體及附屬設(shè)備內(nèi)溫度低一些，但其爐內(nèi)也在200℃以上，附屬設(shè)備內(nèi)也在200℃左右。中壓蒸汽在管道輸送過程中，少量散熱后，因?yàn)檫^熱，會(huì)降低少部分焓值，仍然是過熱蒸汽，一般來不會(huì)有凝水產(chǎn)生。但降低了熱焓值，進(jìn)入煅燒爐后，變成同樣壓力的凝水，等同于消耗了蒸汽。同樣，其它高溫設(shè)備所散發(fā)熱量，也等同于消耗了蒸汽。

判斷設(shè)備保溫工作是不是有效益，根本思路是，年節(jié)能效益要大于投入資本的年攤費(fèi)用，包括每年維護(hù)和管理費(fèi)。如果在一兩年就補(bǔ)平投資費(fèi)用，效益分析就簡(jiǎn)單了。本文對(duì)煅燒爐及附屬設(shè)備傳導(dǎo)散熱進(jìn)行估算。對(duì)采用不同厚度保溫材料導(dǎo)致的相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行估算，與節(jié)汽效益進(jìn)行比較分析。對(duì)節(jié)能保溫工作效果，有一個(gè)比較直觀的說明。

4 高溫設(shè)備保溫后的熱損失估算

聯(lián)堿煅燒爐系統(tǒng)主要有三種散熱設(shè)備：中壓汽管線，煅燒爐爐體，煅燒爐返堿刮板（采用內(nèi)返堿式的爐沒有返堿設(shè)備）。

4.1 中壓蒸汽管線保溫散熱損失估算（保溫層材質(zhì)巖棉100mm）

普通中壓蒸汽管線散熱阻力主要分為三層：鋼管層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)保溫層熱阻是鋼管熱阻的一萬倍以上，是外層鐵皮加固層熱阻的一百萬倍以上，所以可以忽略鋼管和外層鐵皮的保溫?zé)嶙瑁@樣，估算就簡(jiǎn)化了許多。

蒸汽管保溫巖棉層熱阻計(jì)算：

管線參數(shù)：

保溫層材質(zhì)巖棉100mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ2＝0.04 W／（m·K）（不計(jì)溫度對(duì)系數(shù)影響）。中壓蒸汽管線長(zhǎng)220m。

工藝參數(shù)：中壓過熱蒸汽4.0MPa，溫度330℃，中壓汽管線保溫外層溫度（鐵皮外層溫度）40℃。

解：管線保溫巖棉內(nèi)層r3＝r2＝185mm

外徑r4＝185＋100＝285mm

r4／r3＜2

故可以按半徑算術(shù)平均值來計(jì)算傳熱面積，半徑平均值rm2＝（r3＋r4）／2

蒸汽管巖棉層管線保溫層傳熱總面積：

中壓蒸汽管線散熱速率37 620W。

4.2 煅燒爐的散熱損失估算（石棉保溫層厚100mm）

煅燒爐散熱阻力主要分為三層：碳鋼管層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。保溫層熱阻是爐金屬殼和保溫層外鐵皮熱阻的一萬倍和一百萬倍以上，所爐金屬壁和外層鐵皮熱阻忽略。

工藝設(shè)備參數(shù)：

煅燒爐爐體尺寸φ3600×30000。

爐體壁厚平均數(shù)15mm。

石棉保溫層厚100mm。

石棉保溫層導(dǎo)熱系數(shù)0.05W／（m·K）。

生產(chǎn)時(shí)煅燒爐內(nèi)溫度200℃。

煅燒爐爐體保溫鐵皮外層溫度45℃。

解：煅燒爐爐體石棉層內(nèi)徑r3＝r2＝1 815mm

外徑r4＝1 815＋100＝1 915mm

r4／r3＜2，故可以按半徑算術(shù)平均值來計(jì)算傳熱面積，半徑平均值rm2＝（r3＋r4）／2

巖棉層每1米爐體保溫層傳熱面積：

每臺(tái)30m，爐散熱速率2 7210W。四臺(tái)爐總散熱速率108 840W。

4.3 爐返堿刮板的散熱損失估算（巖棉保溫層厚100mm）

返堿刮板散熱阻力主要分為三層：刮板殼體層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。同樣忽略設(shè)備金屬殼體和外層鐵皮的熱阻。

工藝設(shè)備參數(shù)：

返堿刮板外殼外形尺寸1 000×350mm。

壁厚平均數(shù)4mm。

單爐返堿刮板長(zhǎng)度80m。

巖棉保溫層厚100mm。

巖棉保溫層導(dǎo)熱系數(shù)0.04W／（m·K）。

生產(chǎn)時(shí)返堿刮板殼體內(nèi)溫度200℃。

返堿刮板保溫外層溫度20℃。

解：以返堿刮板殼體長(zhǎng)每米的面積為計(jì)算基準(zhǔn)。

返堿刮板保溫層熱阻：

返堿刮板保溫層實(shí)際上為四個(gè)矩形面拼接成方桶形通道，來回共80m長(zhǎng)，單爐返堿刮板巖棉保溫層每一米散熱面積：

Am2＝周長(zhǎng)×長(zhǎng)度＝2.7×1＝2.7m2／m

返堿刮板每米散熱損失：

每臺(tái)刮板80m，每臺(tái)散熱速率1 5520W。四臺(tái)刮板總散熱速率62 080W。

以上估算保溫厚度為100mm時(shí)散熱損失，用同樣的方法可估算出在50mm和150mm厚度時(shí)的散熱損失。

5 不同保溫層厚度情況下散熱比較

表1 不同保溫層厚度時(shí)散熱損失

表2 不同保溫層厚度時(shí)中壓蒸汽的損失

6 保溫施工投資估算

6.1 面積估算

參考以上數(shù)據(jù)，煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)：

1）中壓蒸汽管線：

1.1304 m2／m×220m＝248.7m2

2）煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)：

爐體：11.3511m2／m×30m×4＝1 362.1m2

返堿刮板箱體：2.7m2／m×80m×4＝864.0m2

合計(jì)：1 362.1m2＋864.0m2＝2 226.1m2

煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)散熱面積：

248.7 m2＋2 226.1m2＝2 474.8m2

6.2 保溫投資估算

表3 保溫投資估算

7 效益估算

估算效益有兩種方法，一種是做保溫層的投資與節(jié)汽效益相比較，計(jì)算節(jié)約的資金，多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能補(bǔ)平投資增額。另一種是考慮到保溫材料使用周期，估算在使用周期內(nèi)，總投資中每年攤?cè)氲某杀竞途S護(hù)管理費(fèi)與每年保溫節(jié)能效益相比較。下面按第一種方法比較分析見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，在不到一年時(shí)間內(nèi)，節(jié)約蒸汽所帶來的效益要大于做厚保溫層所增加的花費(fèi)。可以估算出，如果保溫層加厚到200mm，要從節(jié)能方面收回投資，則需要三年以上。一般情況下，無機(jī)物巖棉石棉使用壽命至少也在十年以上，也就是說，加強(qiáng)保溫節(jié)能工作，與保溫差的情況相比較，在三年就能收回投資，劃算。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總

建議將中壓蒸汽管線，或高于300℃的高溫設(shè)備保溫絕熱材料厚度加到150mm到200mm。

另外需要說明的是，一般保溫性能較好的保溫材料，如泡沫石棉、巖棉，其密度小，約100kg／m3，管道和其它高溫設(shè)備保溫層加厚100mm后，設(shè)備承重增加量很小，一般設(shè)備都能承受。比如，煅燒爐保溫層增加100mm后，其承重增加了約3t，煅燒爐本身重量是280t，正常生產(chǎn)使用時(shí)，其負(fù)荷變化范圍是0至40t，保溫層重量的微小增加基本上不影響它的運(yùn)行。

［1］ 陳敏恒.化工原理（上冊(cè)）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999

［2］ 大連化工研究設(shè)計(jì)院.純堿工學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

［3］ 王紹亭，陳濤.動(dòng)量熱量與質(zhì)量傳遞［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1986

［4］ 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002