節能涂料在加熱爐上的應用

丁雪，黃學文

（中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆阿克蘇地區 842000）

1 加熱爐運行現狀分析

某公司1#常壓焦化裝置設計規模為150萬t/a，于2004年9月建成，現有加熱爐3臺，分別為常壓爐F1001，焦化爐F1101A/B，加熱爐燃料類型均為燃料氣型。F1101A/B為長方形立式加熱爐，火盆與爐管距離為1.02米，爐襯材料型式從外到里依次為耐火纖維板、Q-0.8的輕質澆注料、Tz-3的墻磚，其加熱爐效率均低于91%，存在較大的節能潛力。加熱爐運行現狀見表1。

表1 裝置加熱爐基本情況

通過分析，加熱爐輻射室傳熱約占整個加熱爐傳熱的70%～80%，可通過提升輻射傳熱效率來提高加熱爐整體傳熱效率，降低輻射爐膛中煙氣帶走的熱量，減少輻射和對流室以及加熱爐外壁散熱損失，進而提升加熱爐綜合熱效率。

2 節能涂料原理及性能特點

2.1 高溫襯里反輻射節能涂料

加熱爐常用的耐材砌體內壁黑度一般在0.6～0.9左右，隨著爐膛溫度的不斷升高，其黑度反而快速下降，因此常用的耐火材料對輻射傳熱的貢獻有限[1]。黑度又稱發射率，其與溫度的關系如圖1所示。

圖1 發射率與溫度關系

根據斯特藩―波爾茨曼定律，物體的輻射能E＝C（T/100）4，其中C是物體的輻射系數，T是爐壁溫度，黑體的輻射能為：E0＝C0（T/100）4；大多數襯里材料在熱輻射波長范圍內接近于灰體，即：E灰＝C灰（T/100）4，（其中C灰≤C0）。上述兩式在相同溫度的條件下相除得：E灰/E0＝C灰/C0＝ε（物體的黑度）。再依據基爾霍夫定律，E/A＝E0，（A為物體的吸收率）即物體的輻射能力與吸收率的比值恒等于同溫度下絕對黑體的輻射能力E0。

發射率與波長關系見圖2。物體的吸收率A與黑度ε在數值上相等。因此，物體的黑度愈高，其吸收率就愈大，根據基爾霍夫定律其輻射能力愈強。高溫輻射能量大多數集中在1～5 μm波段，加熱爐輻射室襯里使用的耐火材料在這一波段的輻射率很低，在爐體襯里表面采用耐高溫反輻射涂料，在高溫下燒結后形成致密的金屬陶瓷涂層，爐壁黑度可提高到0.92以上，增大爐壁輻射能力。爐壁輻射熱量增加，爐壁表面溫度升高，提高傳熱效率[2]。

圖2 發射率與波長關系

2.2 爐管強化吸收涂料

根據斯蒂芬·波爾茨曼定律，物體的輻射能：

E＝ε·σ·A·T4

其中：

E—輻射能量，W；ε—物質表面的發射率；

σ—斯蒂芬·玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/（m2·K4）；

A—物質表面積，m2；

T—物質表面絕對溫度，K。

在物質表面溫度一定的前提下，物體單位面積熱輻射能力和物質表面的發射率有直接關系。耐高溫強化傳熱涂料可提高爐管表面的發射率（黑度），使發射率由0.8提高到0.92以上[3]。從而有效提高爐墻及爐管對輻射熱的吸收與反輻射，改善爐膛輻射傳熱效率。

2.3 性能特點

（1）增加爐壁黑度，輻射傳熱加強，節能增效；

（2）可降低爐壁外表面溫度約15℃，減少熱損失；

（3）高溫下燒結形成致密的金屬陶瓷層，有較高的抗熱震和耐磨能力，增加襯里的抗沖刷性和表面強度，使襯里免受高溫、煙氣的直接沖刷，從而延長襯里使用壽命[4]；

（4）提高加熱爐爐管熱吸收能力；

（5）降低排煙溫度，減少煉化企業加熱爐污染；

（6）以噴涂的方式施工，操作簡單。

2.4 改造實施情況

主要改造項目見表2。工程量包括對F1001、F1101A/B輻射室襯里原涂料拆除、襯里修復、爐管和襯里表面節能噴涂。加熱爐內襯均采用高鋁纖維噴涂料或陶瓷纖維模塊，加熱爐爐底為輕質澆注料＋高鋁磚結構。

表2 主要改造項目

加熱爐基本情況見表3。該項目在裝置大修期間對F1001、F1101A/B爐管及爐墻進行涂料噴涂，以提高加熱爐熱效率，總噴涂爐管面積1 098.3 m2，噴涂爐墻面積2 731.2 m2。

表3 加熱爐數據 m2

2.5 風險評估

加熱爐襯里內壁噴涂反輻射涂料在長時間運行后出現硬化，存在開裂脫落的風險，使局部襯里減薄，極端的會掉在火盆上影響燃燒。而爐管噴涂強化傳熱涂料所含物質對爐管沒有損傷。

3 應用效果

3.1 節能計算

3.1.1 增加輻射傳熱節能計算

根據輻射傳熱計算公式：

QR＝QeR·aAcp·F

QR—輻射室傳熱量；

QeR—有效利用熱量（燃料放熱量）；

aAcp—當量冷平面；

F—交換因數；

其中F＝1/（（1/εf）＋（1/εs）-1）

εs—爐膛有效輻射率；

εf—爐管表面輻射率，與爐管材料和爐管表面介質有關，一般取0.9。

襯里和爐管增加輻射涂料，爐管表面輻射率由0.9提升到0.92[5]。整個輻射傳熱QR增加了2%。輻射室傳熱占加熱爐總體傳熱70%，因此強化傳熱后加熱爐總體提升熱效率1.4%。

3.1.2 爐墻散熱損失計算

根據加熱爐爐墻散熱損失計算公式：

Q＝q·F＝k·（t1-ta）F

Q—爐墻散熱量，kcal/h；

q—爐墻散熱熱強度，q=k（t1-ta），kcal/m2·h；

F—爐墻外表面；

k—總傳熱系數，k=1/{（δ1/λ1）＋（δ2/λ2）＋（δn/λn）＋（1/αn）}；

t1—爐墻內壁溫度，℃；

ta—環境空氣溫度，取20℃；

設定加熱爐熱負荷50 MW，計算加熱爐爐壁＋爐底＋爐頂外表面積700 m2。輻射襯里噴涂前，計算外壁溫度60℃，輻射爐膛散熱損失1.1%；輻射襯里噴涂后，計算外壁溫度45℃，輻射爐膛散熱損失0.79%；輻射室外壁溫度下降15℃，加熱爐散熱損失減少0.31%。

3.2 測試方案

3.2.1 煙氣溫度及成分

在煙氣離開加熱爐最后的換熱面處采用煙氣分析儀器在線檢測煙氣溫度、氧含量、CO含量等，每小時測取一次，共測取三組數據，計算平均值。

3.2.2 表面溫度

將表面溫度計的傳感器貼敷在爐外表面直接測量外表溫度，根據所測量的外表環境溫度、環境風速及爐外型尺寸等數值，計算表面散熱損失。

3.2.3 紅外熱象

用紅外熱象儀對加熱爐不同位置的爐表面進行掃描，測試表面溫度分布情況，彌補表面溫度計測試不到的位置。

通過對加熱爐排煙溫度、排煙氧含量、表面溫度、環境溫度等參數的測試，計算加熱爐的熱效率及表面散熱情況。測試結果顯示F1001散熱損失下降0.83%，排煙溫度下降4.5℃，熱效率提高1.4%；F1101A散熱損失下降1.34%，排煙溫度下降27.27℃，熱效率提高3.16%；F1101B散熱損失下降1.5%，排煙溫度下降21.13℃，熱效率提高3.21%。測試結果詳見表4和表5。

表4 F1001測試結果

表5 F1101A/B測試結果

3.3 數據分析

3.3.1 常壓爐F1001

改造后加熱爐排煙溫度、爐膛溫度和爐外壁溫度下降明顯，加熱爐熱損失降低，F1001熱效率上升明顯。改造前后F1001排煙溫度、氧含量等數據對比詳見圖3。

圖3 改造前后F1001排煙溫度、氧含量等數據對比

3.3.2 焦化爐F1101A/B

改造后加熱爐排煙溫度、爐膛溫度和爐外壁溫度下降明顯，加熱爐散熱損失降低；氧含量可通過鼓風機調節，數據下降對加熱爐熱效率上升也有一定影響。改造前后F1101A/B排煙溫度、氧含量等數據對比詳見圖4。

圖4 改造前后F1101A/B排煙溫度、氧含量等數據對比

4 結論

實際應用顯示，通過輻射襯里內壁噴涂反輻射涂料和爐管噴涂強化傳熱涂料，增加了襯里表面反射率，增強了爐管表面黑度，輻射傳熱量明顯增強，輻射爐膛溫度下降約30℃；襯里內壁噴涂反輻射涂料，襯里壁厚增加量約3 mm，有效阻斷了熱氣層熱橋傳熱，減少散熱損失，爐壁溫度下降約15℃。改造后F1001、F1101A/B三臺加熱爐排煙溫度、爐膛溫度、爐外壁溫度均有不同程度的下降，熱效率平均提高2.5%，節能效果顯著。經過一年半的運行，目前加熱爐爐襯里運行狀況良好，未出現硬化脫落現象，主要原因為加熱爐輻射室爐管分布較多，爐管單位受熱量較低使熱輻射低，爐膛溫度長期低于650℃運行，涂料硬化風險降低；另外在操作過程中嚴格控制爐膛升降溫速度低于20℃/h，保證爐膛溫差變化小，減少涂料脫落風險。