高溫焙燒爐加熱器技術改造實踐

王曉勉，申修堂，周文杰，羅 沖

(貴州威頓催化技術有限公司，貴州 銅仁 554300)

1 帶式加熱器特點

貴州威頓用于催化劑焙燒工序的網帶式電加熱焙燒爐由5臺帶式加熱器組成，該帶式加熱器主要由箱體和加熱帶組成，箱體材質為304不銹鋼，加熱帶材質采用鎳鉻合金，結構示意圖如圖1所示。

單臺帶式加熱器功率120 kW，每臺帶式加熱器分為六排，每排加熱帶長度約43 m，采用螺旋纏繞的方式固定在C型鋼支架上，六排加熱帶通過C型鋼支架焊接于加熱器箱體上，加熱器箱體內填充隔熱材料，形成保溫層，隔絕熱量散發。

圖1 帶式加熱器示意圖Fig.1 Schematic diagram of belt heater

2 存在的問題

帶式加熱器在釩催化劑焙燒工況條件下，存在以下問題：

(1)鎳鉻合金材質的加熱帶在高溫條件下氧化，與產品蒸發的酸霧以及停產時冷凝的稀硫酸發生反應，產生化學腐蝕和電解腐蝕，進而使加熱帶發生接地短路、相間短路、斷路、局部脆性斷裂等故障。

(2)日常運行故障頻率高，自投運以來統計數據顯示，平均每月發生4次故障，每次檢修需耗時約3 h，全年影響生產時間達120 h以上，對生產連續性和產品質量穩定性影響極大。

(3)因帶式加熱器結構設計不合理，六排加熱帶通過C型鋼支架焊接于加熱器箱體隔熱面，無法局部更換或維修，每次故障，均需整體吊出冷卻后焊接再重新吊裝。由于每臺加熱器總重達400 kg以上，加上維修環境溫度較高，吊裝難度大，耗時費力。

(4)帶式加熱器為螺旋纏繞結構，每臺加熱器由六排加熱帶組成，每排加熱帶纏繞在三根φ14的圓鋼上，靠陶瓷套管絕緣。在加熱器運行過程中，由于高溫導致C型鋼架和支撐圓鋼強度下降變形，壓壞陶瓷套管，給吊裝和檢修帶來極大的難度。同時因為加熱器骨架變形引起加熱帶分布不均，換熱效率下降，局部熱量聚集等情況，增加了加熱帶的故障率和氧化腐蝕速率。

(5)鎳鉻合金材質的加熱帶290 元/kg，價格昂貴，維護更換成本高。

(6)故障率高，維修時間長，在檢修期間生產連續性被迫中斷或調整生產負荷，導致單位產品能耗增加和人力浪費。在維修加熱器過程中，焙燒系統溫度無法達到生產需求，生產線被迫中斷或降低生產負荷，而生產系統其他設備，諸如干燥系統、焙燒系統、公用工程部分均需持續運行，能耗白白浪費。

(7)在維修故障加熱器時，加熱器整體調出，加熱器箱體及爐膛溫度發生驟降，加熱器箱體和爐膛結構易發生變形拉裂等情況，損壞設備。

3 技術改造

通過市場多途徑調研，以及深入國內一線加熱器廠家考察了解，目前應用較為普遍的窯爐電加熱器類型相對較多，有U(異)形管式電加熱器、單頭電熱管、法蘭電熱管、絲扣螺紋電熱管、干燒翅片電熱管、耐酸堿腐蝕電熱管、陶瓷電加熱器、云母電加熱器，加熱溫度最高可做到1200 ℃，不同管徑比表面熱負荷最高可做到22 W/cm2。但是要求既滿足耐酸堿腐蝕，與腐蝕性介質直接換熱，又要能耐800 ℃以上高溫環境的加熱器卻沒有成熟應用案例。為了解決焙燒加熱器存在的問題，保障焙燒爐長周期穩定運行，提升產品質量均一性，解決加熱器故障維修困難，耗時費力的現狀，決定通過打破帶式加熱器固有結構，重新開展全方位窯爐加熱器行業現狀調研，結合設備運行經濟性、可靠性，設計了具有一定創新性的翅片管式加熱器。翅片管式加熱器采用單只加熱管上纏繞翅片以擴大散熱面積，從而起到加速散熱的作用。翅片電加熱管采用優質不銹鋼316L材質制作翅片，加熱管采用SUS310S不銹鋼，高電阻電加熱鎳鉻合金絲作為發熱體。由于焙燒爐爐膛安裝空間受限，采用箱體式均勻排列加熱管的結構形式，以滿足設備整體安裝和維修吊裝需求。翅片加熱管的散熱面積比普通加熱管散熱面積增大2～3倍，表面熱負荷亦為2～3倍，在相同功率條件下，具有升溫快、發熱均勻、散熱性能好、熱效率高，使用壽命長、體積小、應用成本低等優點。全密封翅片式加熱管組合的結構形式，結構示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 單只加熱管示意圖Fig.2 Schematic diagram of a single heating tube

單只翅片式加熱管由導電柱、接線柱、加熱管、安裝法蘭、發熱絲、內置定位骨架、散熱翅片和絕緣瓷環等組成，每根加熱管外部纏繞焊接散熱翅片，加熱管內置四通道發熱絲，采用隔熱環隔絕熱源，通過在加熱管內分段填充高純度耐高溫改性氧化鎂粉和絕緣陶瓷粉保證絕緣和導熱。

圖3 翅片式加熱器示意圖Fig.3 Schematic diagram of finned heater

翅片式加熱器由多根單只加熱管組成，加熱管外部接線采用耐高溫絕緣軟心電纜與銅母排連接[3]。加熱管與加熱裝置箱體套管之間采用石棉填料纏繞裝填隔熱密封，箱體內部填充硅酸鋁保溫材料隔熱保溫，箱體后端焊接支架，以保護和固定加熱管，并且便于加熱裝置安裝，箱體外部設置接線箱焊接于箱體安裝面板上[3]，接線箱內部設置絕緣子支撐，保證接線箱配電系統安全可靠。每根加熱管與母排之間設置速熔保險裝置，確保任何一根加熱管故障時瞬間與系統隔離，從而不影響整臺加熱器其他加熱管正常運行。箱體選用10 mm厚304不銹鋼板制作，且要求沖壓減薄量不超過0.1 mm，保證箱體強度和耐腐蝕性能[4]。采用激光切割開孔，每根加熱管間距一致，平均分布于箱體中，確保受熱均勻，提高換熱效率。

技術改造過程中重點關注以下幾個問題：

(1)加熱器熱密度問題：由于單臺加熱器功率必須達到120 kW以上才能滿足生產系統加熱要求，而加熱器爐膛尺寸固定無法改變，因此每臺加熱器的加熱管數量及每根加熱管的功率可變范圍非常狹窄。最終確定單臺加熱器由66根獨立的加熱管組成，按6排每排11根等間距布置[3]，每支加熱管功率2 kW，并采用材質為進口加熱絲保證發熱體熱密度。

(2)加熱管表面熱負荷問題：由于在舊裝置上進行技術改造，加熱器總功率和尺寸既定，因此每根加熱管的最大直徑受限。結合現狀設計采用DN32進口SUS310S不銹鋼管作為加熱管，含翅片直接50 mm，通過加熱管熱功率公式：

加熱功率(kW)=(體積×比重×比熱×溫度差)/(860×升溫時間×效率)[5]

計算表面熱負荷不大于3.5 W/cm2，每根加熱管功率不大于2 kW，如果加熱管表面熱負荷過大會嚴重影響加熱管使用壽命，甚至無法正常運行。

(3)加熱絲與保護套管之間的傳熱和絕緣問題：加熱管正常工作時管內加熱絲溫度在750 ℃以上，若熱量不能及時傳導出管外，加熱絲將會很快熱熔燒斷；同時加熱絲與保護管之間在溫度劇烈變化情況下絕緣性不好會發生漏電擊穿，導致加熱絲受損。因此采用裝填高純度耐高溫改性氧化鎂粉，兼具絕緣、導熱和耐高溫性，解決加熱絲與保護套管之間的傳熱問題。加熱管非加熱段裝填改良陶瓷粉絕緣隔熱，解決了加熱管非加熱段因熱量聚集高溫熱熔的問題，并提高了加熱管的熱利用效率和熱穩定性。

(4)保護管材質問題：加熱絲與腐蝕介質隔離是技術改造的關鍵。要保證高溫工況下保護管不變形、不氧化、耐腐蝕，以及具備良好熱穩定性和易加工焊接等性能，結合價格等因素綜合考慮，最終選擇進口310S不銹鋼材質保護套管。

(5)加熱管的氣密性問題：加熱管在氧化鎂粉和絕緣陶瓷粉裝填完畢后，如何排除管內殘余空氣，如何密封是加熱器能否成功應用的關鍵因素。采取機械裝填，壓實焊接，輔以高溫絕緣密封膠封堵的方式，解決加熱器氣密性的問題。

(6)加熱器維護效率問題：加熱器故障時的維護效率是技術改造關注的因素之一，為了將故障對加熱器運行的影響降到最低，采用每根加熱管故障時速斷保護的運行方式。速斷保護的運行方式使單根加熱管故障時，可以在不影響其它加熱管運行的情況下快速檢測鎖定故障點、快速拆卸、維修或更換，進而提高維護效率，保障生產的連續性，對產品質量不會造成任何影響。

(7)加熱器安全防護問題：加熱器采用三相380 V，50 Hz電源供電，用電安全是一個重要的問題。防護等級要達到IP65，在箱體上有限空間內母排進線連接方式、66根加熱的接線方式和三相負荷搭配問題必須綜合考慮，同時兼顧維護更換加熱管時方便快捷。因此，電源進線采取側面開孔，安裝格蘭頭絕緣密封，箱體蓋板采用雙反扣嵌入式設計，確保箱體防塵防水效果。箱體內設置銅排，三相三角形接線法[6]，每相分配兩排(22根加熱管，功率44 kW)加熱管的方式，單項電流控制在200 A以內，三相負荷平衡運行，以保證有單根加熱管故障不影響整臺設備工作。

(8)加熱器規范操作問題：與腐蝕性介質隔離是管式加熱器的優點之一，但管式加熱器的結構決定了其易吸潮的問題，在管式加熱器冷態開車升溫過程中，需對加熱管進行預熱排濕，避免急劇升溫導致加熱管內部濕氣不能及時排出，加快腐蝕內置加熱絲或者使加熱絲與外殼短路而燒壞加熱管。因此，制定合理的加熱器安全操作規程，并嚴格按照操作規程操作至關重要，是保護加熱管使用壽命和降低故障頻率的關鍵因素之一。

4 應用效果

表1 加熱器技改前后比較Table 1 Comparison of heater technical renovation before and after

(1)通過技術改造，改變了加熱器結構，優化了發熱絲材質，改良加熱管內部導熱鎂粉，解決了加熱管非加熱段過熱熱熔的問題，經過投入工業使用后驗證，技術改造后在熱交換效率、故障率、維修成本、能耗等方面都有一定的改善，應用效果如表1所示。

(2)在生產連續性方面，極大改善了因焙燒加熱器故障影響生產和產品質量穩定性的情況，同比因加熱器故障次數減少，全年增加有效生產時間達126.5 h，省電約82225 kW· h。因管式加熱器熱利用率更高，從單位產品電單耗統計體現，每年省電約600000 kW·h。

(3)運行維護成本方面。帶式加熱器從2013年生產投運以來，平均每年維修、更換加熱帶每年費用約7萬，管式加熱器投用以來每年更換備件費用約1萬，節約直接經濟成本約6萬元。

(4)現場環境改善方面。經過改造后加熱器故障維修不再需要整體吊出，一人在線處理，0.5 h以內即可完成，且維修過程不接觸高溫環境，不接觸腐蝕性氣體，大大改善了工作環境和降低了勞動強度。同時焙燒爐系統溫度也不會因為加熱器維修而大幅波動，生產過程穩定，生產裝置效率得到提升。

5 結 論

通過技術改造，經過長時間的應用實踐驗證，翅片式加熱器技術改造成效實現，運行穩定，其主要特點歸納如下：

(1)在二氧化硫氧化制硫酸催化劑生產行業屬首創，相較帶式加熱器，運行更可靠，故障率降低75%。

(2)相較帶式加熱器，維修更便利，出現故障單獨處理故障管即可，不用整體拆裝；相較帶式加熱器，維修費用年節省約6萬元。

(3)翅片式加熱器熱效率相較帶式加熱器高，單噸產品電耗節省200 kW·h,按3000噸/年釩催化劑產量測算，年節約電量約60萬kW·h。

(4)翅片式加熱器相較帶式加熱器運行穩定，提升了生產穩定性和連續性，產品質量穩定性和均一性得到提升，生產裝置出力率提升了1.5%。