景喜中

（天津渤化永利化工有限公司，天津 300452）

在聯(lián)堿生產(chǎn)中，煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)的蒸汽消耗占生產(chǎn)能耗的大部分，如果降低煅燒爐及附屬系統(tǒng)的汽耗，也就有效地降低了聯(lián)堿生產(chǎn)的能耗。煅燒爐蒸汽消耗中，重堿化學(xué)分解和重堿水分干燥占了約70%，要降低這部分消耗，需要在操作和工藝改進(jìn)上花費(fèi)物力財(cái)力，才能取得降低2%到3%的效果。其實(shí)，強(qiáng)化高溫設(shè)備保溫工作，可以取得同樣節(jié)能效果，花費(fèi)不高但效果好，從煅燒爐的能量消耗的數(shù)據(jù)可以看出，即使設(shè)備保溫完好，設(shè)備熱損失也占到總量的6%。通過(guò)散熱速率計(jì)算可以知道，如果加強(qiáng)高溫設(shè)備的絕熱保溫工作，采用絕熱好的保溫材料，把保溫層加厚到200mm，這部分完全可再降低約2%，折合每噸純堿降低4.5元。

1 高溫設(shè)備散熱的估算原理

設(shè)備沒(méi)有保溫時(shí)，熱先從設(shè)備內(nèi)壁傳導(dǎo)到外層，然后輻射到空氣，傳導(dǎo)與輻射是串聯(lián)散熱的，傳導(dǎo)熱與輻射熱相等，輻射過(guò)程成為限制熱量散失主要阻力，散熱速率由輻射過(guò)程決定，輻射速率與輻射表面積、設(shè)備溫度與空氣溫度四次方之差、灰黑體校正因數(shù)、幾何因數(shù)這四個(gè)因數(shù)成正比，散熱速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有保溫時(shí)的散熱速率。從理論上講，設(shè)備沒(méi)做保溫時(shí)，按熱傳導(dǎo)速率方程，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)壁與外壁的溫差，也可以算出散熱速率，但設(shè)備壁內(nèi)外溫差很小，一般的測(cè)量和估算不準(zhǔn)確，所以這里不做無(wú)保溫層的散熱估算。

設(shè)備做了保溫后，熱量經(jīng)設(shè)備壁和保溫層，傳導(dǎo)到保溫最外層，再輻射到大氣中，輻射要快得多，輻射熱量等于保溫層傳導(dǎo)出來(lái)的熱量，熱散失的主要阻力就在保溫層，所以，保溫層的熱傳導(dǎo)速率也就是設(shè)備散熱速率。這種情況下，估算散熱速率時(shí)，先測(cè)量?jī)?nèi)層、外層溫度，算出溫度梯度，計(jì)算熱阻，溫度梯度除于傳導(dǎo)熱阻等于傳熱速率。因此，測(cè)量保溫內(nèi)外層溫度，了解相關(guān)熱傳導(dǎo)參數(shù)后，就可以比較準(zhǔn)確地估算設(shè)備熱損失。設(shè)備做了保溫后，傳導(dǎo)散熱速率減小，保溫外層溫度一定降低了，所以保溫外層溫度降低是熱損失減少的標(biāo)志，如果相互比較，條件是必須處在相同的環(huán)境。如果同樣的設(shè)備，處在室內(nèi)和室外相比較，在室內(nèi)，其外層溫度高一些，是不是說(shuō)明熱損失大了，恰恰相反。處在室內(nèi)，設(shè)備傳導(dǎo)熱的溫度梯度（設(shè)備內(nèi)溫度與外層溫度之差）小，熱阻不變，傳熱速率變小了，實(shí)際情況是，處在室內(nèi)，相當(dāng)于為設(shè)備添加了一層保溫。同樣的設(shè)備處在冬季和夏季相比較，在冬季，設(shè)備保溫層外層溫度低了，其傳導(dǎo)熱的溫度梯度變大了，其熱損失也變大了。

2 保溫工作的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

有關(guān)高溫設(shè)備絕熱保溫工作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50264－97《工業(yè)設(shè)備及管道熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)規(guī)定。比如，設(shè)備及管道外表溫度在50～850℃時(shí)，除工藝有散熱要求外，均應(yīng)設(shè)保溫絕熱層；在有人員接觸防止人長(zhǎng)身燙傷時(shí)，應(yīng)按表面溫度低于60℃計(jì)算厚度；無(wú)特殊工藝要求應(yīng)采用“經(jīng)濟(jì)厚度”法計(jì)算；對(duì)圓筒型設(shè)備絕熱“經(jīng)濟(jì)厚度”和絕熱結(jié)構(gòu)單位造價(jià)給出了計(jì)算公式，公式不按化工能量傳遞技術(shù)理論計(jì)算，而偏重于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，運(yùn)行能量?jī)r(jià)格越高，要求保溫材料越厚；在規(guī)范的附錄中規(guī)定，常年運(yùn)行的設(shè)備管道最大允許熱損失，50℃時(shí)低于58W／m2，100℃時(shí)低于93W／m2，150℃時(shí)低于116W／m2，200℃時(shí)低于140W／m2等等。在實(shí)際運(yùn)行中，各家企業(yè)出于自身利益考慮，保溫工作做得更好，熱損耗要低于規(guī)定中損耗數(shù)值。

3 聯(lián)堿煅燒爐的散熱和保溫工作

聯(lián)堿純堿干燥一般采用內(nèi)熱式煅燒爐，這種煅燒爐用過(guò)熱中壓蒸汽做為熱源，蒸汽管道內(nèi)溫度一般在300℃以上。蒸汽進(jìn)入煅燒爐后，把過(guò)熱部分和蒸汽變凝水的潛熱釋放出來(lái)，變?yōu)橄嗤瑝毫Φ哪?，?jīng)過(guò)閃發(fā)和凝水管道回到熱電廠，完成一次循環(huán)。煅燒爐體及附屬設(shè)備內(nèi)溫度低一些，但其爐內(nèi)也在200℃以上，附屬設(shè)備內(nèi)也在200℃左右。中壓蒸汽在管道輸送過(guò)程中，少量散熱后，因?yàn)檫^(guò)熱，會(huì)降低少部分焓值，仍然是過(guò)熱蒸汽，一般來(lái)不會(huì)有凝水產(chǎn)生。但降低了熱焓值，進(jìn)入煅燒爐后，變成同樣壓力的凝水，等同于消耗了蒸汽。同樣，其它高溫設(shè)備所散發(fā)熱量，也等同于消耗了蒸汽。

判斷設(shè)備保溫工作是不是有效益，根本思路是，年節(jié)能效益要大于投入資本的年攤費(fèi)用，包括每年維護(hù)和管理費(fèi)。如果在一兩年就補(bǔ)平投資費(fèi)用，效益分析就簡(jiǎn)單了。本文對(duì)煅燒爐及附屬設(shè)備傳導(dǎo)散熱進(jìn)行估算。對(duì)采用不同厚度保溫材料導(dǎo)致的相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行估算，與節(jié)汽效益進(jìn)行比較分析。對(duì)節(jié)能保溫工作效果，有一個(gè)比較直觀的說(shuō)明。

4 高溫設(shè)備保溫后的熱損失估算

聯(lián)堿煅燒爐系統(tǒng)主要有三種散熱設(shè)備：中壓汽管線，煅燒爐爐體，煅燒爐返堿刮板（采用內(nèi)返堿式的爐沒(méi)有返堿設(shè)備）。

4.1 中壓蒸汽管線保溫散熱損失估算（保溫層材質(zhì)巖棉100mm）

普通中壓蒸汽管線散熱阻力主要分為三層：鋼管層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)保溫層熱阻是鋼管熱阻的一萬(wàn)倍以上，是外層鐵皮加固層熱阻的一百萬(wàn)倍以上，所以可以忽略鋼管和外層鐵皮的保溫?zé)嶙?，這樣，估算就簡(jiǎn)化了許多。

蒸汽管保溫巖棉層熱阻計(jì)算：

管線參數(shù)：

保溫層材質(zhì)巖棉100mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ2＝0.04 W／（m·K）（不計(jì)溫度對(duì)系數(shù)影響）。中壓蒸汽管線長(zhǎng)220m。

工藝參數(shù)：中壓過(guò)熱蒸汽4.0MPa，溫度330℃，中壓汽管線保溫外層溫度（鐵皮外層溫度）40℃。

解：管線保溫巖棉內(nèi)層r3＝r2＝185mm

外徑r4＝185＋100＝285mm

r4／r3＜2

故可以按半徑算術(shù)平均值來(lái)計(jì)算傳熱面積，半徑平均值rm2＝（r3＋r4）／2

蒸汽管巖棉層管線保溫層傳熱總面積：

中壓蒸汽管線散熱速率37 620W。

4.2 煅燒爐的散熱損失估算（石棉保溫層厚100mm）

煅燒爐散熱阻力主要分為三層：碳鋼管層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。保溫層熱阻是爐金屬殼和保溫層外鐵皮熱阻的一萬(wàn)倍和一百萬(wàn)倍以上，所爐金屬壁和外層鐵皮熱阻忽略。

工藝設(shè)備參數(shù)：

煅燒爐爐體尺寸φ3600×30000。

爐體壁厚平均數(shù)15mm。

石棉保溫層厚100mm。

石棉保溫層導(dǎo)熱系數(shù)0.05W／（m·K）。

生產(chǎn)時(shí)煅燒爐內(nèi)溫度200℃。

煅燒爐爐體保溫鐵皮外層溫度45℃。

解：煅燒爐爐體石棉層內(nèi)徑r3＝r2＝1 815mm

外徑r4＝1 815＋100＝1 915mm

r4／r3＜2，故可以按半徑算術(shù)平均值來(lái)計(jì)算傳熱面積，半徑平均值rm2＝（r3＋r4）／2

巖棉層每1米爐體保溫層傳熱面積：

每臺(tái)30m，爐散熱速率2 7210W。四臺(tái)爐總散熱速率108 840W。

4.3 爐返堿刮板的散熱損失估算（巖棉保溫層厚100mm）

返堿刮板散熱阻力主要分為三層：刮板殼體層，巖棉保溫層，外層鐵皮加固層。其中以保溫層熱阻最大。同樣忽略設(shè)備金屬殼體和外層鐵皮的熱阻。

工藝設(shè)備參數(shù)：

返堿刮板外殼外形尺寸1 000×350mm。

壁厚平均數(shù)4mm。

單爐返堿刮板長(zhǎng)度80m。

巖棉保溫層厚100mm。

巖棉保溫層導(dǎo)熱系數(shù)0.04W／（m·K）。

生產(chǎn)時(shí)返堿刮板殼體內(nèi)溫度200℃。

返堿刮板保溫外層溫度20℃。

解：以返堿刮板殼體長(zhǎng)每米的面積為計(jì)算基準(zhǔn)。

返堿刮板保溫層熱阻：

返堿刮板保溫層實(shí)際上為四個(gè)矩形面拼接成方桶形通道，來(lái)回共80m長(zhǎng)，單爐返堿刮板巖棉保溫層每一米散熱面積：

Am2＝周長(zhǎng)×長(zhǎng)度＝2.7×1＝2.7m2／m

返堿刮板每米散熱損失：

每臺(tái)刮板80m，每臺(tái)散熱速率1 5520W。四臺(tái)刮板總散熱速率62 080W。

以上估算保溫厚度為100mm時(shí)散熱損失，用同樣的方法可估算出在50mm和150mm厚度時(shí)的散熱損失。

5 不同保溫層厚度情況下散熱比較

表1 不同保溫層厚度時(shí)散熱損失

表2 不同保溫層厚度時(shí)中壓蒸汽的損失

6 保溫施工投資估算

6.1 面積估算

參考以上數(shù)據(jù)，煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)：

1）中壓蒸汽管線：

1.1304 m2／m×220m＝248.7m2

2）煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)：

爐體：11.3511m2／m×30m×4＝1 362.1m2

返堿刮板箱體：2.7m2／m×80m×4＝864.0m2

合計(jì)：1 362.1m2＋864.0m2＝2 226.1m2

煅燒爐及附屬蒸汽系統(tǒng)散熱面積：

248.7 m2＋2 226.1m2＝2 474.8m2

6.2 保溫投資估算

表3 保溫投資估算

7 效益估算

估算效益有兩種方法，一種是做保溫層的投資與節(jié)汽效益相比較，計(jì)算節(jié)約的資金，多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能補(bǔ)平投資增額。另一種是考慮到保溫材料使用周期，估算在使用周期內(nèi)，總投資中每年攤?cè)氲某杀竞途S護(hù)管理費(fèi)與每年保溫節(jié)能效益相比較。下面按第一種方法比較分析見(jiàn)表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，在不到一年時(shí)間內(nèi)，節(jié)約蒸汽所帶來(lái)的效益要大于做厚保溫層所增加的花費(fèi)?？梢怨浪愠觯绻貙蛹雍竦?00mm，要從節(jié)能方面收回投資，則需要三年以上。一般情況下，無(wú)機(jī)物巖棉石棉使用壽命至少也在十年以上，也就是說(shuō)，加強(qiáng)保溫節(jié)能工作，與保溫差的情況相比較，在三年就能收回投資，劃算。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總

建議將中壓蒸汽管線，或高于300℃的高溫設(shè)備保溫絕熱材料厚度加到150mm到200mm。

另外需要說(shuō)明的是，一般保溫性能較好的保溫材料，如泡沫石棉、巖棉，其密度小，約100kg／m3，管道和其它高溫設(shè)備保溫層加厚100mm后，設(shè)備承重增加量很小，一般設(shè)備都能承受。比如，煅燒爐保溫層增加100mm后，其承重增加了約3t，煅燒爐本身重量是280t，正常生產(chǎn)使用時(shí)，其負(fù)荷變化范圍是0至40t，保溫層重量的微小增加基本上不影響它的運(yùn)行。

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［3］ 王紹亭，陳濤.動(dòng)量熱量與質(zhì)量傳遞［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1986

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