冉蜀勇* 陳濤 湯敏 楊光權(quán)

（1.中國(guó)石油新疆油田公司；2.河北華北石油工程建設(shè)有限公司；3.中國(guó)石油湖南銷售公司；4.中國(guó)石油西北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

冉蜀勇等. 先進(jìn)復(fù)合材料在加熱爐及輸送管道中的應(yīng)用研究. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2014，25（3）：25～27

在我國(guó)不斷加大節(jié)能減排工作力度的形勢(shì)下，企業(yè)面臨的節(jié)能減排壓力將逐漸加大。石油石化行業(yè)是高耗能重點(diǎn)行業(yè)，而加熱爐又是煉油廠的主要耗能設(shè)備，其能耗約占連續(xù)催化重整裝置和半再生重整裝置總能耗的70%［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)石化集團(tuán)公司擁有約600臺(tái)煉油加熱爐，總熱負(fù)荷約500MW，平均每臺(tái)加熱爐年耗天然氣量約 50×104m3，設(shè)計(jì)熱效率85%，實(shí)際熱效率只有約75%［2］；中國(guó)石油華北油田第二采油廠 78臺(tái)加熱爐總熱負(fù)荷約100MW，年消耗天然氣量約3445×104m3，實(shí)際熱效率不足80%［3］。目前，我國(guó)石油石化行業(yè)加熱爐普遍存在能耗大、效率低等問(wèn)題，另外，熱介質(zhì)在管道輸送過(guò)程中的熱量散失同樣導(dǎo)致大量的熱能損耗。因此，提高加熱爐熱效率、降低熱介質(zhì)輸送管道的熱流密度是降低煉油廠甚至整個(gè)石油石化行業(yè)能耗的重要手段之一。

1 加熱爐節(jié)能問(wèn)題

以管式加熱爐為例對(duì)加熱爐的能耗問(wèn)題進(jìn)行分析。管式加熱爐由輻射室、對(duì)流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器及通風(fēng)系統(tǒng)組成。低溫物料由進(jìn)口管道依次通過(guò)對(duì)流室爐管和輻射室爐管，吸熱后成為高溫物料，然后，經(jīng)由出口管道流出［4］。管式加熱爐的額定熱效率為85%，但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，其熱效率只有約75%。

導(dǎo)致加熱爐熱效率偏低的原因主要為燃料不完全燃燒、煙氣溫度過(guò)高、爐外墻散熱損耗大等因素。隨著高效燃燒器及先進(jìn)燃燒控制技術(shù)的應(yīng)用，加熱爐的燃燒技術(shù)不斷提高，由于燃料不完全燃燒所導(dǎo)致的熱損失可控制在較低范圍。爐管是加熱爐進(jìn)行熱量傳遞的重要部件，爐管受熱面的傳熱性能直接影響加熱爐的熱效率，而爐管極易積灰結(jié)焦，不僅嚴(yán)重影響了爐管的吸熱率，同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度過(guò)高，造成大量熱能的損耗。目前，主要采用涂覆強(qiáng)化傳熱涂料等強(qiáng)化換熱技術(shù)，以達(dá)到減緩積灰、增加爐管吸熱及降低排煙溫度的目的。另外，加熱爐外墻散熱損失較大也是導(dǎo)致加熱爐熱損耗高的一個(gè)主要原因?，F(xiàn)階段，主要采用傳統(tǒng)保溫材料包裹爐體，但是，由于保溫效果欠佳，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，加熱爐外墻的溫度往往高于70℃，爐墻過(guò)熱不僅導(dǎo)致了額外的熱損耗，并且對(duì)操作人員的安全產(chǎn)生了一定的威脅。

傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)及保溫技術(shù)對(duì)降低煙氣溫度和保持爐體溫度的效果有限，很難達(dá)到理想的節(jié)能效果。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)［4］，采用傳統(tǒng)強(qiáng)化傳熱及保溫技術(shù)的加熱爐在輻射段和對(duì)流段的熱損失占全爐熱負(fù)荷的3%～6%，爐墻部分的熱損耗占3%～4%，而高溫?zé)煔庠斐傻膿p耗占熱負(fù)荷的比例高達(dá)20%～30%。另外，傳統(tǒng)的管道保溫材料性能不佳，加熱介質(zhì)在輸送過(guò)程中管道表面的熱流密度過(guò)大，也造成了大量熱能的浪費(fèi)。

2 先進(jìn)絕熱及防腐技術(shù)應(yīng)用分析

為了解決加熱爐和輸送管道的高能耗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)采用保溫隔熱領(lǐng)域最新技術(shù)和節(jié)能科技新成果對(duì)加熱爐及輸送管道進(jìn)行了改造，提高了加熱爐的熱效率，降低了管道輸送過(guò)程中的熱損耗，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2.1 防結(jié)焦納米陶瓷涂層技術(shù)

高溫?zé)煔庠斐傻臒釗p耗占加熱爐全部熱損耗的70%～90%，因此，對(duì)煙氣溫度進(jìn)行控制可有效提高加熱爐熱效率。加強(qiáng)爐管的換熱效率是降低煙氣溫度的有效方法之一，而加熱爐爐管的腐蝕和結(jié)焦是普遍存在的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其換熱效率。目前，廣泛使用的吹灰器雖然可緩解爐管結(jié)焦現(xiàn)象，但是，并不能從根本上避免結(jié)焦的發(fā)生，并且，吹灰器對(duì)爐管的腐蝕幾乎沒(méi)有抑制作用。21世紀(jì)初，美國(guó)AEP（美國(guó)電力公司）和 NRG能源公司采用 MQK（美橋科）鍋爐增效防結(jié)焦納米陶瓷涂層技術(shù)，對(duì)其所擁有的加熱爐和鍋爐進(jìn)行改造，從根本上解決了爐管結(jié)焦和腐蝕問(wèn)題，不僅節(jié)約了大量的能源，同時(shí)，還消除了由腐蝕和結(jié)焦引起的安全隱患。

該技術(shù)采用的納米涂層在高溫下可與爐管金屬發(fā)生鍵合，形成無(wú)機(jī)氧化物保護(hù)層以隔斷所有腐蝕和結(jié)焦物質(zhì)與爐管的接觸，不僅提高了爐管的吸熱性能，而且降低了排煙溫度，提高了熱效率。僅0.05mm厚的涂層可顯著改善爐管的熱傳導(dǎo)，爐管的熱輻射值從 0.8提高至 0.94，同時(shí)，煙氣溫度可下降23.9℃。

AEP公司對(duì)鍋爐改造前，輻射室爐管吸熱量為266200W/m2，改造后為 290100W/m2，增加了 23900 W/m2；改造前，對(duì)流室爐管吸熱量為83000W/m2，改造后為99000W/m2，增加了16000W/m2。改造后，加熱爐輻射室及對(duì)流室的傳熱效率增加了28%，該部分的熱損失降低了約50%，單位面積爐管節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約336.5kg/d，節(jié)約煤炭費(fèi)用約212元/d（煤炭折標(biāo)系數(shù)為0.7143，煤炭單價(jià)按450元/t計(jì)）。鍋爐改造費(fèi)用約6000元/m2，投資回收期約為28d。

2.2 耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫技術(shù)

2009年，新疆某油田公司分別采用傳統(tǒng)保溫材料及 MQK耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫材料對(duì)注汽管道（管徑為114mm）實(shí)施了改造。傳統(tǒng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，為0.03～0.14W/（m·K），且在高溫條件下粉化嚴(yán)重，而耐高溫納米氣凝膠毛氈不僅耐高溫性好（最高設(shè)計(jì)使用溫度為650℃），且保溫性能優(yōu)異，導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下為0.016W/（m·K），其保溫性能是傳統(tǒng)保溫材料的2～8倍［6］。改造前，管道線熱流密度約為 350W/m，采用傳統(tǒng)保溫材料改造后，管道線熱流密度降為200～300W/m，而采用耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫技術(shù)改造后，管道線熱流密度降至 96.2W/m，每千米管道節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1600kg/d，節(jié)約煤炭費(fèi)用約1008元/d。采用耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫材料的改造費(fèi)用約30萬(wàn)元/km，投資回收期約為300d。

2009年，華北油田采用耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫技術(shù)對(duì)蒸汽管道進(jìn)行了改造。改造后，蒸汽管道的熱流密度約為改造前的30%，顯著降低了輸送過(guò)程中的能耗。

2.3 復(fù)合型納米陶瓷絕熱、防水及防腐涂層技術(shù)

2009年，華北油田某采油廠采用MQK復(fù)合型納米陶瓷絕熱、防水及防腐涂層技術(shù)對(duì)加熱爐外表面進(jìn)行了改造。該涂層材料適用溫度為-20～160℃，紫外線反射率為 99.6%，輻射率為 88%，對(duì)入射太陽(yáng)光的最大反射率為97%。改造前，加熱爐的外表面溫度高達(dá)72℃，改造后下降至35℃，加熱爐外表面溫度大大降低［5］，爐外壁每平方米面積散熱損耗減少了1493kJ/h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.36kg/d（標(biāo)準(zhǔn)煤在工業(yè)中的利用效率約為 35%），節(jié)約煤炭費(fèi)用 2.3元/d。改造費(fèi)用約為 230元/m2，投資回收期約為100d。

由于該涂層材料同時(shí)具有防腐及防水性能，改造后，加熱爐的腐蝕現(xiàn)象得到了很好的抑制，提高了生產(chǎn)的安全性。目前，該技術(shù)被列為我國(guó)十二五計(jì)劃重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣項(xiàng)目之一。

3 結(jié)語(yǔ)

防結(jié)焦納米陶瓷涂層技術(shù)、耐高溫納米氣凝膠毛氈復(fù)合保溫技術(shù)以及復(fù)合型納米陶瓷絕熱、防水及防腐涂層技術(shù)的應(yīng)用，提高了加熱爐的熱效率、降低了管道輸送過(guò)程中的熱損耗，不僅節(jié)能效果良好，同時(shí)，還消除了爐管結(jié)焦、腐蝕及爐外墻溫度過(guò)高引起的安全隱患。雖然一次性投資較高，但是，通過(guò)節(jié)能所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。在我國(guó)節(jié)能減排壓力越來(lái)越大的形勢(shì)下，這些節(jié)能技術(shù)勢(shì)必會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

[1]任剛.煉油企業(yè)設(shè)備節(jié)能技術(shù)新進(jìn)展[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2009,30(4): 1797-1805.

[2]陳穎,張靜偉,梁宏寶,等.管式加熱爐節(jié)能的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2011,30(5): 936-941.

[3]梁俊.加熱爐節(jié)能改造技術(shù)的綜合應(yīng)用[J].油田節(jié)能,2005,16(2): 38-40.

[4]錢(qián)家麟.管式加熱爐[M].北京: 中國(guó)石化出版社,2003.

[5]朱健,金紹輝,李思,等.復(fù)合型絕熱保溫材料在華北油田的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2011,1(6):28-30.

[6]新疆油田公司.注汽管線散熱損失測(cè)試報(bào)告2010-165[Z].新疆: 新疆油田公司,2010.