節(jié)能涂料在加熱爐上的應(yīng)用

丁雪，黃學(xué)文

（中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆阿克蘇地區(qū) 842000）

1 加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析

某公司1#常壓焦化裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為150萬(wàn)t/a，于2004年9月建成，現(xiàn)有加熱爐3臺(tái)，分別為常壓爐F1001，焦化爐F1101A/B，加熱爐燃料類(lèi)型均為燃料氣型。F1101A/B為長(zhǎng)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(zhì)澆注料、Tz-3的墻磚，其加熱爐效率均低于91%，存在較大的節(jié)能潛力。加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 裝置加熱爐基本情況

通過(guò)分析，加熱爐輻射室傳熱約占整個(gè)加熱爐傳熱的70%～80%，可通過(guò)提升輻射傳熱效率來(lái)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(duì)流室以及加熱爐外壁散熱損失，進(jìn)而提升加熱爐綜合熱效率。

2 節(jié)能涂料原理及性能特點(diǎn)

2.1 高溫襯里反輻射節(jié)能涂料

加熱爐常用的耐材砌體內(nèi)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(duì)輻射傳熱的貢獻(xiàn)有限[1]。黑度又稱(chēng)發(fā)射率，其與溫度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 發(fā)射率與溫度關(guān)系

根據(jù)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(shù)，T是爐壁溫度，黑體的輻射能為：E0＝C0（T/100）4；大多數(shù)襯里材料在熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(jù)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(duì)黑體的輻射能力E0。

發(fā)射率與波長(zhǎng)關(guān)系見(jiàn)圖2。物體的吸收率A與黑度ε在數(shù)值上相等。因此，物體的黑度愈高，其吸收率就愈大，根據(jù)基爾霍夫定律其輻射能力愈強(qiáng)。高溫輻射能量大多數(shù)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(jié)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(fā)射率與波長(zhǎng)關(guān)系

2.2 爐管強(qiáng)化吸收涂料

根據(jù)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(zhì)表面的發(fā)射率；

σ—斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；

A—物質(zhì)表面積，m2；

T—物質(zhì)表面絕對(duì)溫度，K。

在物質(zhì)表面溫度一定的前提下，物體單位面積熱輻射能力和物質(zhì)表面的發(fā)射率有直接關(guān)系。耐高溫強(qiáng)化傳熱涂料可提高爐管表面的發(fā)射率（黑度），使發(fā)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(duì)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(diǎn)

（1）增加爐壁黑度，輻射傳熱加強(qiáng)，節(jié)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(jié)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(qiáng)度，使襯里免受高溫、煙氣的直接沖刷，從而延長(zhǎng)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(yè)加熱爐污染；

（6）以噴涂的方式施工，操作簡(jiǎn)單。

2.4 改造實(shí)施情況

主要改造項(xiàng)目見(jiàn)表2。工程量包括對(duì)F1001、F1101A/B輻射室襯里原涂料拆除、襯里修復(fù)、爐管和襯里表面節(jié)能?chē)娡?。加熱爐內(nèi)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(zhì)澆注料＋高鋁磚結(jié)構(gòu)。

表2 主要改造項(xiàng)目

加熱爐基本情況見(jiàn)表3。該項(xiàng)目在裝置大修期間對(duì)F1001、F1101A/B爐管及爐墻進(jìn)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(shù)據(jù) m2

2.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

加熱爐襯里內(nèi)壁噴涂反輻射涂料在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)硬化，存在開(kāi)裂脫落的風(fēng)險(xiǎn)，使局部襯里減薄，極端的會(huì)掉在火盆上影響燃燒。而爐管?chē)娡繌?qiáng)化傳熱涂料所含物質(zhì)對(duì)爐管沒(méi)有損傷。

3 應(yīng)用效果

3.1 節(jié)能計(jì)算

3.1.1 增加輻射傳熱節(jié)能計(jì)算

根據(jù)輻射傳熱計(jì)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(dāng)量冷平面；

F—交換因數(shù)；

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(zhì)有關(guān)，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(gè)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(qiáng)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(jì)算

根據(jù)加熱爐爐墻散熱損失計(jì)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(qiáng)度，q=k（t1-ta），kcal/m2·h；

F—爐墻外表面；

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

t1—爐墻內(nèi)壁溫度，℃；

ta—環(huán)境空氣溫度，取20℃；

設(shè)定加熱爐熱負(fù)荷50 MW，計(jì)算加熱爐爐壁＋爐底＋爐頂外表面積700 m2。輻射襯里噴涂前，計(jì)算外壁溫度60℃，輻射爐膛散熱損失1.1%；輻射襯里噴涂后，計(jì)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(cè)試方案

3.2.1 煙氣溫度及成分

在煙氣離開(kāi)加熱爐最后的換熱面處采用煙氣分析儀器在線檢測(cè)煙氣溫度、氧含量、CO含量等，每小時(shí)測(cè)取一次，共測(cè)取三組數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值。

3.2.2 表面溫度

將表面溫度計(jì)的傳感器貼敷在爐外表面直接測(cè)量外表溫度，根據(jù)所測(cè)量的外表環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速及爐外型尺寸等數(shù)值，計(jì)算表面散熱損失。

3.2.3 紅外熱象

用紅外熱象儀對(duì)加熱爐不同位置的爐表面進(jìn)行掃描，測(cè)試表面溫度分布情況，彌補(bǔ)表面溫度計(jì)測(cè)試不到的位置。

通過(guò)對(duì)加熱爐排煙溫度、排煙氧含量、表面溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)的測(cè)試，計(jì)算加熱爐的熱效率及表面散熱情況。測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表4和表5。

表4 F1001測(cè)試結(jié)果

表5 F1101A/B測(cè)試結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)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，F(xiàn)1001熱效率上升明顯。改造前后F1001排煙溫度、氧含量等數(shù)據(jù)對(duì)比詳見(jiàn)圖3。

圖3 改造前后F1001排煙溫度、氧含量等數(shù)據(jù)對(duì)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(guò)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)下降對(duì)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(shù)據(jù)對(duì)比詳見(jiàn)圖4。

圖4 改造前后F1101A/B排煙溫度、氧含量等數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用顯示，通過(guò)輻射襯里內(nèi)壁噴涂反輻射涂料和爐管?chē)娡繌?qiáng)化傳熱涂料，增加了襯里表面反射率，增強(qiáng)了爐管表面黑度，輻射傳熱量明顯增強(qiáng)，輻射爐膛溫度下降約30℃；襯里內(nèi)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(tái)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(jié)能效果顯著。經(jīng)過(guò)一年半的運(yùn)行，目前加熱爐爐襯里運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)硬化脫落現(xiàn)象，主要原因?yàn)榧訜釥t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(zhǎng)期低于650℃運(yùn)行，涂料硬化風(fēng)險(xiǎn)降低；另外在操作過(guò)程中嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)。