臥式回轉圓筒爐熱媒選擇與研究

羅金蓮

（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南岳陽 414000）

在催化劑制備過程中，常采用先制備載體、焙燒成形、然后進行改性、再焙燒干燥的工藝路線。制備的載體或催化劑如果不經焙燒直接進入下一工序，其強度、外觀尺寸、比表面及活性等物理化學性能均達不到產品要求。例如，在催化裂化催化劑制備過程中，經噴霧干燥成型的催化劑顆粒中含有大量水分，直接進行水洗會使催化劑發(fā)生“膠溶”現象，降低帶式濾機過濾效果，同時，催化劑的“膠溶”導致催化劑顆粒破損、收率降低、也影響產品質量。因此，焙燒工序是催化劑制備中必不可少的重要一環(huán)。

焙燒單元設備依據其不同的工藝操作條件、不同的產品質量要求所選的單元設備也不一樣，其相應的系統配置情況也各不相同，本文重點對臥式回轉圓筒焙燒爐的熱媒選擇方式進行研究。

1 基本原理及作用

將催化劑在不低于其使用溫度下，在空氣或惰性氣體氛圍中進行熱處理，使其在熱處理過程中發(fā)生一系列的物理化學變化，從而得到理化性能符合要求的催化劑。

2 結構形式

臥式回轉圓筒焙燒爐結構形式及工作流程示意見圖1：

圖1 臥式回轉圓筒焙燒爐結構圖（燃氣式）

臥式回轉圓筒焙燒爐主要由焙燒爐主體、加熱系統、爐膛保溫系統等三部分組成。

焙燒爐主體由稍作傾斜而轉動的長筒構成，包括爐體、傳動系統、支承裝置、密封裝置、進出料箱等組成。

加熱系統與熱媒種類有關，常用熱媒有燃料（包括水煤氣、天然氣、煉廠干氣等）和電。燃氣式加熱系統由煙氣室、煙道、燃燒系統、燃氣調節(jié)系統等組成，電爐加熱系統由電發(fā)熱管、開關柜、變壓器、配電室及溫度調節(jié)系統等組成，爐膛保溫系統隨爐型加熱方式不同而不同。

3 熱媒選擇與研究

3.1 熱媒選擇原則

熱媒選擇要滿足：方便易得、經濟實用、清潔環(huán)保等原則。

由于可供選擇的焙燒爐熱媒種類較多，在設計時往往通過多方案比較來決定。

目前，在眾多的熱媒中，電是最方便易得且清潔環(huán)保的熱媒，其次是天然氣，本文以這兩種典型熱媒為代表，通過一個實例來說明如何對其進行研究并選擇。

3.2 研究的前提

某催化劑制備企業(yè)焙燒爐進出物料的基礎條件見表1。

表1 焙燒物料基礎條件

根據該催化劑的性能要求，其物料焙燒溫度在500～550℃，焙燒時間不得低于60min。對該單元工藝及設備進行工藝計算、設備計算，并結合工程經驗，得知該工藝過程所需有效熱負荷為81×104kcal/h、確定該爐設計尺寸為φ2 200×22 000，分為預熱段、升溫段、焙燒段、冷卻段共4段，各段長度視物料所需停留時間不同而不同，物料在爐內總停留時間約為4h。

3.3 方案研究與比選

3.3.1 以天然氣為熱媒

（1）天然氣耗量確定

依據項目所在天然氣公司測得的天然氣組成數據可知天然氣的組成如表2所示。

表2 天然氣組成

天然氣低熱值：HL=8 083kcal/m3（標）

經工藝計算得出的有效熱負荷Q及天然氣的低熱值HL可求得天然氣理論耗量為G1。

實際上，由于天然氣的熱效率受如下因素的影響，其有效熱效率η通常在50%左右。影響天然氣熱效率的因素有：①燃燒時需要配置過量的助燃空氣，助燃空氣由環(huán)境溫度升到煙氣溫度需要消耗熱量；②離開焙燒爐煙道的煙氣溫度較高、會帶走大量的熱；③焙燒尾氣帶走的熱量；④焙燒爐及煙道外表面散熱損失。

故天然氣的實際耗量G2為：

（2）天然氣完全燃燒體積變化率確定

烴類完全燃燒反應式為：

其中，n、m分別為烴類中C、H原子個數。

取100m3（標）天然氣進行完全燃燒反應計算，結果見表3。

表3 天然氣完全燃燒數據表

上表計算得知，每100m3（標）天然氣進行完全燃燒消耗200.988m3（標）氧氣，生成301.46m3（標）的水蒸氣和二氧化碳，其體積變化率△V為0.16%，可以認為是等體積反應，反應前后標準體積不變。

（3）助燃空氣耗量G3確定

空氣中氧含量為21%，每100m3（標）的天然氣完全燃燒需配置的助燃空氣量為：200.98/0.21=957m3（標）

為保證天然氣完全燃燒，根據經驗，取空氣過剩系統1.33，因此，

（4）燃燒煙氣體積確定

按焙燒時物料料溫550℃考慮，煙氣與爐筒內物料之間為間壁傳熱，為保證焙燒效果，煙氣與物料之間必須有足夠的溫度差，如大于100～150℃，據此確定煙氣排出溫度為650～700℃，取700℃作為計算溫度。完全燃燒為等體積反應，進入燃燒室的天然氣與空氣的總標準體積即出燃燒室煙氣的標準體積，由理想氣體狀態(tài)方程PV/T=C（常數）即可推理出煙氣體積V（700℃、-200Pa）

（5）系統配置

以天然氣作熱媒時，焙燒爐相應系統配置見表4。

表4 燃氣焙燒爐系統主要配置表

3.3.2 以電為熱媒

（1）用電負荷確定

根據工藝計算得出的有效熱負荷Q及電的熱值換算關系θ可求得電的理論負荷W1：

實際上，采用電作熱媒時同樣存在熱損失，只是其損失量不如天然氣熱媒大，其有效熱效率η通常在75%左右。影響電熱效率的因素有：①電發(fā)熱元器件自身的發(fā)熱效率；②焙燒尾氣帶走的熱量；③焙燒爐及煙道外表面散熱損失；④電力輸送線路產生的損失。

故電的實際耗量W2為：

由于催化劑品種與所加工油品種類緊密相關，執(zhí)行一廠一劑的營銷模式，而催化劑制備采用零庫存生產管理，因此需要提高企業(yè)短時供貨能力，關鍵設備選型時需考慮足夠的富裕能力，設備選型時實際按1 900kW進行配置。

（2）電源選擇

由于焙燒爐用電負荷較大，電源選擇時，優(yōu)先考慮自工業(yè)園區(qū)10kV高壓電網直接引接。經高壓變電所（即總變）變換到6.3kV后送至低壓變電所（即區(qū)變），經低壓變電所變換為0.4kV供電焙燒爐使用。

（3）系統配置

以電作熱媒時，焙燒爐相應系統配置見表5。

表5 電焙燒爐系統主要配置表

3.3.3 方案比較

方案比較見表6。

表6 焙燒爐加熱方案比較

從表69可以看出，無論初始投資還是運行費用，燃氣式焙燒爐都比電焙燒爐經濟。

3.3.4 研究結果

綜合考慮技術的成熟、可靠，生產的靈活、方便程度，以及設備的初始投入及運行費用，本項目選用一臺規(guī)格為φ2 200×22 000、以天然氣作為熱媒的臥式回轉焙燒爐。由于采用304SS作為爐筒材質的使用極限溫度為815℃，天然氣燃燒后煙氣溫度可能超過這一溫度。隨著操作溫度的升高，材料的許用應力急劇下降，作為轉動部件的爐筒剛度顯著減小，設備變形會影響正常運轉，因此焙燒爐爐筒材質選用耐高溫鋼Cr25Ni20。

5 結束語

對于焙燒爐熱媒的選擇，經濟性是一個重要指標，但不是唯一指標，如采用天然氣作熱媒但燃燒產生的高溫煙氣無法利用而只能直接排空時，不但損失大量熱能，會造成大量熱污染；又或者項目所在地無法足量提供所需燃氣、企業(yè)又沒有足夠渠道解決時，只好犧牲經濟性采用更方便易得的電作熱媒了。