紅外輻射涂料在油田加熱爐應用的研究

楊銳（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

我國人均資源占有率低，節能降耗是企業生存之本，也是我國發展的重要措施。紅外輻射涂料正是適應國家節能降耗的要求。紅外輻射涂料是一種在工業上廣泛應用的節能涂料，主要應用于加熱爐。在強化傳熱的過程中通過其紅外輻射傳熱的特點，可以有效的提高傳熱效率，達到節能降耗的目的。

1 紅外輻射涂料的原理

熱量傳遞方式包括傳導型熱傳遞、對流型熱傳遞、輻射型熱傳遞3種。在高溫環境中，如加熱爐爐窯內，熱傳遞方式主要是輻射型熱傳遞和對流型熱傳遞[1-2]。輻射型熱傳遞過程中，環境溫度變化對輻射型熱傳遞所起的作用有明顯影響，隨著溫度的升高，所起的作用也增大。從紅外輻射涂料工作機理上講，加熱爐內熱傳遞以輻射型傳遞為主，其波長與被加熱物體的吸收波長差距較大時，不利于被加熱物體對紅外能的吸收，當波長一致的時候，會促進吸收，有可能會改變分子運動，使離子能態級發生能級躍遷，增加被加熱物體的熱量吸收能力[3]。這時輻射的紅外波具有較強的穿透力，通過大量實踐得出，被紅外輻射穿透到的部位溫度會比其他部位升溫速度快。紅外輻射涂料噴涂于加熱爐爐窯，其熱量利用率明顯提高，升溫速度快，減少能耗損失。在對流型熱傳遞過程中，傳統加熱爐通過增加阻熱材料厚度，而將紅外輻射涂料涂覆在爐體內襯，可將爐內輻射出來的熱量反射到爐內受熱體上，起到節能作用[4-5]。爐體噴涂紅外輻射涂料后受熱示意圖見圖1。

圖1 爐體噴涂紅外輻射涂料后受熱示意圖

2 紅外輻射涂料的研究進展

紅外輻射涂料由粘結劑和起紅外作用的基料兩部分組成，應用于高溫環境，熱穩定性較好。研究初期階段，基料主要成分是鋯英砂、碳化硅、氧化鋯等，組成方式可以是其中一種或某幾種混合而成[6]。目前基料發展趨勢是碳化物和金屬氧化物粉料的混合發展。金屬氧化物粉料包括CuO、CoO、SiO2、Fe2O3等，碳化物主要是石墨。隨著復合領域的發展，紅外輻射涂料組成范圍也在擴大，紅外輻射率也在提高。

近年來，紅外輻射涂料基料開始選用紅外輻射能力較強的過渡金屬氧化物材料，如Cr2O3、Ce2O3，800℃時，常見過渡金屬氧化物紅外輻射率見表1。

表1 800℃時部分過渡金屬氧化物紅外輻射率

表2 加熱爐紅外輻射涂料技改測試數據

通過大量實踐，發現紅外輻射涂料基料選用過渡金屬氧化物時，具有較高的紅外輻射率，而且不同比例的過渡金屬氧化物混合物的紅外輻射率比單一過渡金屬氧化物的紅外輻射率高，如Cr2O3、CuO、Fe2O3、MnO2按1∶1∶2∶6比例混合時，混合后涂料的紅外輻射率達到0.88。Cr2O3、Fe2O3、MnO2、Al2O3、SiO2、董青石、釉粉按比重12%、10%、10%、10%、10%、10%、5%混合，剩余33%為Co2O3、CuO、鈦鐵礦混合，混合后涂料的紅外輻射率達到0.9以上。

3 紅外輻射涂料現場應用效果

為了分析、評價紅外輻射涂料應用效果，某油田現場選取了7臺加熱爐，對加熱爐應用紅外輻射涂料前后期現場比對測試，應用的紅外輻射涂料主要成分為 Cr2O3、Fe2O3、MnO2、Al2O3、SiO2、董青石、釉粉等。測試前后工期工況符合相關標準、規范，測試儀器儀表在檢定合格周期內。按相關標準、規范進行測試，測試數據見表2。

通過測試數據可以看出：應用前，加熱爐平均過剩空氣系數為2.26；加熱爐平均排煙溫度為203.14℃；加熱爐平均熱效率為77.21%。

應用后，加熱爐平均過剩空氣系數為2.21；加熱爐平均排煙溫度為183.43℃；加熱爐平均熱效率為81.47%；應用紅外輻射涂料后，加熱爐熱效率增加4.26%，節氣率增加6.90%。

4 結論

1）紅外輻射涂料增強了加熱爐受熱面的輻射吸收率，提高升溫速度，提高加熱爐效率。

2）紅外輻射涂料可以提高節氣率，平均節氣率達6.90%，節約能源，減少能耗。

3）紅外輻射涂料提高了加熱爐熱效率，由77.21%提高到81.47%。

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