高輻射率涂料在裂解爐上的應(yīng)用

陳 翔，朱 紅

（中韓（武漢）石油化工有限公司，湖北 武漢430082）

裂解爐是乙烯裝置的主要耗能設(shè)備， 其所消耗的燃料氣占乙烯裝置綜合能耗的50%以上。因此，裂解爐的高效運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)乙烯裝置經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有重大影響。 中韓石化乙烯裝置在H-006 裂解爐應(yīng)用高輻射率涂料，將其噴涂在輻射段襯里表面，增強(qiáng)爐襯對(duì)爐管的輻射傳熱，從而達(dá)到節(jié)能的效果。 改造投產(chǎn)后，經(jīng)標(biāo)定排煙溫度下降，熱效率提高，燃料氣消耗量降低，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。

1 存在問(wèn)題及改造目標(biāo)

H-006 裂解爐為采用中國(guó)石化技術(shù)的CBL 型液體爐，裂解原料為石腦油，設(shè)計(jì)能力12 萬(wàn)t/a，熱效率94.2%。 投料運(yùn)行兩年后， 該爐標(biāo)定熱效率在93.8%左右，低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，單爐運(yùn)行能耗較高。在裂解爐應(yīng)用高輻射率涂料技術(shù)，目標(biāo)是使H-006 裂解爐熱效率≥94.2%，降低單爐運(yùn)行能耗。

2 高輻射率涂料節(jié)能機(jī)理

投射到物體上的輻射熱全部被該物體吸收時(shí)，該物體為絕對(duì)黑體，其表面輻射的能量與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與絕對(duì)溫度的四次方成正比：

式中：E0—黑體的輻射強(qiáng)度

C0—黑體的輻射系數(shù)，C0=5.675 W/（m2·K4）

T0—黑體的熱力學(xué)溫度，K

黑體是一種理想物體，在工程實(shí)際中熱輻射計(jì)算一般按灰體來(lái)處理， 其光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。灰體與黑體的輻射光譜相似，其熱輻射強(qiáng)度為：

式中：E—灰體的熱輻射強(qiáng)度

ε—灰體的輻射率

T—灰體的熱力學(xué)溫度，K

根據(jù)克希荷夫定律：在熱輻射范圍內(nèi)，一切物體都具有與灰體相近的性質(zhì)，在各種溫度和波長(zhǎng)下，物質(zhì)的輻射率ε 為常數(shù)， 其輻射能力與絕對(duì)溫度成四次方關(guān)系。 因此只要物體的輻射率提高，就可以增強(qiáng)物體的輻射能力。

裂解爐在相對(duì)低溫區(qū)域的對(duì)流段熱交換以對(duì)流傳熱為主，在高溫區(qū)域的輻射段以輻射傳熱為主，燃料在輻射段燃燒產(chǎn)生的煙氣作為第一熱源， 以輻射和對(duì)流的方式傳遞給爐管，同時(shí)傳給爐內(nèi)襯里，襯里作為二次輻射體將熱量以輻射的形式傳給爐管表面。 有研究指出，由襯里輻射傳給爐管的熱量占其總熱量的50%左右[1]。 因此，只要提高爐襯表面的輻射率，就能有效提高裂解爐輻射段的輻射能力，使?fàn)t管在同樣的爐膛溫度下獲得更多熱量， 從而有效提高裂解爐的熱效率，減低能耗。

3 高輻射率涂料的選型及應(yīng)用

3.1 性能要求及選型

裂解爐輻射段溫度高達(dá)1 200 ℃， 在生產(chǎn)運(yùn)行中，襯里表面除受高溫?zé)煔鉀_刷，還會(huì)受到爐內(nèi)的各種物理、化學(xué)作用影響。 因此，高輻射率涂料應(yīng)具備以下主要性能：

（1）具有高輻射率，且在長(zhǎng)期高溫下輻射能力不衰減。

（2）化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫下不與襯里材料發(fā)生反應(yīng)。

（3）高溫下抗?fàn)t內(nèi)氣流沖刷，具備高強(qiáng)度、抗氧化性能。

（4）易于施工，成本合理，與基質(zhì)的熱膨脹匹配，能長(zhǎng)期牢固粘結(jié)在襯里表面。

基于以上技術(shù)要求，選用BD-10 型納米高溫輻射涂料，該涂料是由SIC 作為基質(zhì)，將一系列對(duì)不同波長(zhǎng)分別具有高發(fā)射率的材料復(fù)合而成， 使涂料在較寬的波長(zhǎng)區(qū)間都具有較高的輻射率。 加入結(jié)合劑、燒結(jié)劑、分散劑等輔助成分，使其在多種溫度下都能獲得良好的燒結(jié)涂層，具有較高的高溫抗氧化能力。在涂料制造中采用納米分散合成技術(shù)將涂料超細(xì)化，減小物體顆粒直徑，增加涂料對(duì)輻射波的穿透深度，降低物體的吸收指數(shù)，達(dá)到提高物體發(fā)射率的目的[2]。 涂料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 BD-10 涂料技術(shù)指標(biāo)

3.2 節(jié)能效果計(jì)算

選定好涂料型號(hào)后， 按其技術(shù)參數(shù)模擬計(jì)算節(jié)能效果。 根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼公式，襯里表面對(duì)爐管的輻射傳熱量為:

式中：T1—襯里表面的溫度，K

T2—爐管接收表面的溫度，K

代入上式計(jì)算高輻射率涂料改造前后的輻射率：

式中：ε1′—耐火材料襯里表面輻射率，ε1′=0.7

ε1″—高輻射率涂料的輻射率，ε1″=0.9

ε2—爐管表面的輻射率，ε2=0.6

爐內(nèi)襯噴涂高輻射率涂料后較耐火材料輻射傳熱量增加比率為：

上式僅考慮了爐襯表面與爐管之間的輻射傳熱，在輻射室內(nèi)的傳熱還有其它方式，比如高溫爐氣的輻射傳熱和對(duì)流傳熱等，需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正：對(duì)于使用燃料氣的加熱爐，輻射室內(nèi)的高溫爐氣輻射率取0.26，輻射傳熱比率取0.75[3]，燃料節(jié)約比例為：

燃料節(jié)約率=0.191×0.26×0.75=0.037

通過(guò)理論計(jì)算得出在輻射段內(nèi)應(yīng)用高輻射率涂料后能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能率為3.7%。

3.3 工程性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證高輻射率涂料的工程應(yīng)用性能， 對(duì)涂料進(jìn)行抽樣性能試驗(yàn)。 將涂料試樣放入箱形電阻爐中加熱至1 400 ℃，保溫30 min 再冷卻至室溫，重復(fù)五次后觀察涂層的表面形態(tài)（見(jiàn)圖1）。 涂料經(jīng)過(guò)多次反復(fù)燒成冷卻后表面形態(tài)完整， 證明其在極端條件下的耐熱振性能優(yōu)良。

圖1 涂層試樣燒成冷卻前后形態(tài)對(duì)比圖

在裂解爐輻射段選定區(qū)域應(yīng)用涂料試驗(yàn)， 經(jīng)過(guò)6 個(gè)月的運(yùn)行，該位置涂層無(wú)脫落、無(wú)粉化，與襯里結(jié)合牢固（見(jiàn)圖2）。 證明該型號(hào)涂料具備良好的抗?fàn)t內(nèi)高溫氣流沖刷的性能。

圖2 涂層經(jīng)實(shí)際工況運(yùn)行前后表面形態(tài)圖

3.4 施工要點(diǎn)

高輻射率涂料為液體漿狀材料， 以噴涂的方式直接噴在襯里表面（見(jiàn)圖3），形成0.3 mm 左右的涂層，涂層的施工工藝簡(jiǎn)單，具體施工要點(diǎn)如下：

（1）對(duì)噴涂的襯里清理表面，并對(duì)襯里表面進(jìn)行檢查，對(duì)破損部位修復(fù)完后再進(jìn)行噴涂施工。

（2）涂料由于比重較大，會(huì)出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，在噴涂前應(yīng)攪拌均勻，噴涂應(yīng)均勻，保證足夠的道數(shù)。

（3）噴涂后投爐過(guò)程中適當(dāng)延長(zhǎng)烘爐時(shí)間，緩慢升溫，避免急劇升溫，保證涂層完全固化。

4 高輻射率涂料應(yīng)用效果標(biāo)定

圖3 高輻射率涂料施工效果圖

為驗(yàn)證高輻射率涂料實(shí)際使用效果， 在相近的工藝條件下對(duì)H-006 裂解爐改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

4.1 輻射段溫度場(chǎng)分布變化

對(duì)H-006 裂解爐高輻射率涂料應(yīng)用前后一個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)輻射段各部位煙氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2）。

表2 H-006 裂解爐輻射段各部位煙氣溫度統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知，高輻射率涂料應(yīng)用后，輻射段爐膛溫度沿垂直方向整體呈降低趨勢(shì)， 其中爐膛底部溫度降低較小，爐膛中上部溫度降低幅度較大，主要原因是在滿足爐出口溫度（COT）不變前提下，燃料氣用量減少所致。 輻射段爐膛煙氣垂直方向溫度差由原來(lái)的97.83 ℃降低為66.67 ℃，說(shuō)明高輻射率涂料技術(shù)應(yīng)用后輻射段爐膛內(nèi)部垂直方向溫差減小，爐膛內(nèi)部溫度場(chǎng)分布更加均勻。

4.2 排煙溫度變化

由于輻射段內(nèi)煙氣溫度整體下降，因此裂解爐排煙溫度也有所降低（見(jiàn)圖4）。 H-006 裂解爐在一個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)改造前標(biāo)定平均排煙溫度為125.5 ℃，改造后標(biāo)定平均排煙溫度為117.2 ℃，降低了8.3 ℃。

圖4 H-006 號(hào)裂解爐改造前后排煙溫度對(duì)比圖

4.3 散熱量變化

裂解爐散熱量計(jì)算方法：使用紅外熱成像儀與點(diǎn)溫計(jì)結(jié)合的測(cè)試方法， 測(cè)裂解爐東西南北四個(gè)面各個(gè)測(cè)試單元表面溫度， 根據(jù)每個(gè)單元條件下的環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、表面溫度計(jì)算出裂解爐的表面散熱量（見(jiàn)表3）。

表3 H-006 號(hào)裂解爐改造前后散熱量對(duì)比

通過(guò)測(cè)定， 改造后裂解爐表面散熱量對(duì)比改造前的標(biāo)定工況減少了183.9 kW。

4.4 熱效率變化

裂解爐熱效率計(jì)算依據(jù)SHF0001-90《石油化工工藝管式爐效率測(cè)定法》，采用反平衡法，計(jì)算公式如下：

式中：η—管式爐熱效率，%

q1—排煙損失，%

q2—不完全燃燒損失，%

q3—表面散熱損失，%

q4—附屬設(shè)備損失，%

對(duì)H-006 號(hào)裂解爐改造前及改造后在相似的工況下對(duì)熱效率進(jìn)行測(cè)算（見(jiàn)表4）。

表4 H-006 裂解爐改造前后標(biāo)定數(shù)據(jù)

將改造前后標(biāo)定數(shù)據(jù)根據(jù)反平衡法計(jì)算熱效率：

改造前：η1=100-q1-q2-q3=100-4.8-1.24-0.08=93.88%

改造后：η2=100-q1-q2-q3=100-4.36-1.14-0.08=94.42%

η2-η1=0.54%，應(yīng)用高輻射率涂料后H-006 裂解爐熱效率提升了0.54%。

4.5 節(jié)能效益標(biāo)定

在H-006 裂解爐運(yùn)行條件相似的前提條件下（進(jìn)料負(fù)荷、稀釋蒸汽配比等），分別對(duì)高輻射率涂料技術(shù)應(yīng)用前后一個(gè)完整燒焦周期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算（見(jiàn)表5），然后通過(guò) “單耗法” 分別核算改造前后每加工1 t 石腦油所需消耗燃料氣用量，從而計(jì)算出節(jié)能涂層應(yīng)用的節(jié)能效果。

表5 H-006 裂解爐改造前一個(gè)周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

節(jié) 能 率：[（228.402 -220.654）/228.402]×100%=3.392 3%

實(shí)際節(jié)能率與模擬計(jì)算的結(jié)果基本相符。

高輻射率涂層應(yīng)用前裂解爐年燃料氣用量：10 940.90×8 000=87 527 200 m3

高輻射率涂層應(yīng)用后年節(jié)約燃料氣總量：

87 527 200×3.392 3%=2 969 190 m3

燃料氣價(jià)格按照2.5 元/m3計(jì)算，單爐年節(jié)能效益為：

2 969 190×2.5=7 423 000=742.3 萬(wàn)元

從各項(xiàng)標(biāo)定結(jié)果看出，H-006 裂解爐采用高輻射率涂料后，爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布更加均勻，裂解爐的運(yùn)行狀態(tài)得到提升， 排煙溫度及熱效率等裂解爐關(guān)鍵指標(biāo)有較大優(yōu)化提升，燃料氣消耗量有明顯下降，節(jié)能效果明顯，達(dá)到了預(yù)期改造目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

中韓石化乙烯裝置H-006 裂解爐應(yīng)用高輻射率涂料后，裂解爐的運(yùn)行狀態(tài)取得明顯提升，熱效率提高，燃料氣消耗量大幅降低。 同時(shí)該產(chǎn)品具有施工簡(jiǎn)單、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣的節(jié)能技術(shù)。