高溫遠(yuǎn)紅外涂料在合成氨甲醇裝置中的應(yīng)用

周良軍，宋 根，杜 程，徐成滿，徐 波

（1.四川美青氰胺有限責(zé)任公司，四川射洪 629000；2.成都考特科技發(fā)展有限公司，四川成都 610041；3.四川高宇化工有限公司，四川邛崍 611535）

在以天然氣為原料生產(chǎn)化肥及甲醇的裝置，燃料消耗約占整個(gè)天然氣消耗的三分之一左右。由于近年來天然氣漲價(jià)趨勢明顯，化肥及甲醇生產(chǎn)成本不斷提高，節(jié)能降耗更顯重要。目前，由北京考特公司開發(fā)的一種高溫遠(yuǎn)紅外線節(jié)能涂料—— “KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”已用于眾多化肥及甲醇生產(chǎn)企業(yè)的一段轉(zhuǎn)化爐中，達(dá)到了很好的節(jié)能減排效果。該材料直接噴涂在一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)壁的耐火材料表面，可滲入耐火材料1～3mm，經(jīng)高溫處理，形成一層堅(jiān)硬的陶瓷釉面硬殼，避免耐火材料表面與燃燒氣流直接接觸，使耐火材料免遭氣流的沖刷和腐蝕，從而起到保護(hù)爐體和延長保溫材料壽命的作用。并且，在一段爐輻射室內(nèi)壁涂刷該材料，可強(qiáng)化爐膛內(nèi)的輻射傳熱，提高一段爐的熱效率，從而達(dá)到節(jié)省燃料的目的。

1 節(jié)能原理

1.1 高溫遠(yuǎn)紅外線涂料的節(jié)能原理

遠(yuǎn)紅外線是一種具有強(qiáng)熱作用的熱感應(yīng)能。它具有熱感應(yīng)、反射、穿透及磁核共振等功能。被遠(yuǎn)紅外線加熱的物體，一部分在物體表面反射，另一部分則穿過物體，再進(jìn)行磁核共振。若紅外線波長與被加熱材料的分子振蕩相匹配，被吸收轉(zhuǎn)化成熱能，其余波長的紅外線則經(jīng)透射或被反射。

高溫遠(yuǎn)紅外涂料是由強(qiáng)輻射材料組成的。高溫下輻射遠(yuǎn)紅外波，這些遠(yuǎn)紅外波的穿透能力極強(qiáng)，能穿透被加熱物體和燃料本身，使被加熱物體里外同時(shí)受熱。同時(shí)遠(yuǎn)紅外波穿透燃料時(shí)，使燃料分子吸收遠(yuǎn)紅外波而產(chǎn)生能級躍遷，釋放能量，改變?nèi)剂系娜紵隣顟B(tài)，使燃料充分燃燒。

遠(yuǎn)紅外線輻射涂料節(jié)能的基本原理就是提高被加熱介質(zhì)表面吸收率，增大輻射能傳遞比例。為此，通常的做法是在被加熱介質(zhì)表面涂刷一層高吸收率材料或在爐壁涂刷一層高發(fā)射率材料。

高溫遠(yuǎn)紅外輻射涂料的節(jié)能機(jī)理體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）增加爐內(nèi)壁黑度（即增加發(fā)熱率），增強(qiáng)加熱爐內(nèi)壁對熱源傳來熱量吸收后的輻射傳熱，而反射部分相應(yīng)減少，這部分熱量很容易被燃燒產(chǎn)物（CO2和H2O等）吸收而隨煙氣排出爐外。加熱爐內(nèi)襯用耐火材料常溫下的黑度一般為0.6～0.8，而一段爐內(nèi)壁常用的耐火纖維，黑度僅0.3～0.4，隨著爐溫的升高黑度一般大幅度下降，而遠(yuǎn)紅外輻射涂料能減緩這種下降，有時(shí)甚至可以使其升高。

（2）由于內(nèi)壁的吸收和輻射作用，改變了爐內(nèi)熱輻射的波譜分布，將熱源發(fā)出的間斷式波譜轉(zhuǎn)變成連續(xù)波譜，從而利于被加熱物體吸收，減少被燃燒產(chǎn)物帶走的熱量。

（3）據(jù)維恩位移定律，隨著溫度的升高，輻射峰值波長會(huì)向短波段移動(dòng)。又據(jù)普朗克定律計(jì)算可知，高溫輻射能量大多集中在1～5μm波段，如1 000℃和1 300℃時(shí)，分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內(nèi)，而一般的耐火材料在這一波段的發(fā)射率很低，對高溫輻射不利，高溫遠(yuǎn)紅外輻射涂料可以彌補(bǔ)這一不足。由于被加熱物體在不同加熱溫度下所輻射的頻率不一樣，因此，選用與被加熱物體相匹配的遠(yuǎn)紅外輻射頻率加熱，可大大提高其加熱效率，并能保證加熱質(zhì)量。

1.2 高溫遠(yuǎn)紅外線涂料在一段轉(zhuǎn)化爐的節(jié)能作用

化肥及甲醇裝置中為了加快一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度，一般采取改善催化劑化學(xué)活性的辦法（在這方面目前已經(jīng)取得很大的進(jìn)展）。但這還不夠，為了充分發(fā)揮催化劑的能力，還必須提供轉(zhuǎn)化反應(yīng)的熱量，催化劑的活性越高，這方面的要求越突出。怎樣才能加快傳熱速度呢？根據(jù)傳熱的基本方程式：

Q＝KF△t

式中，Q是傳熱量，K是傳熱系數(shù)，F(xiàn)是傳熱面積，△t是冷熱流體的溫差。

由于爐管材質(zhì)的限制，最好不用加大溫差的辦法來加速傳熱。剩下的兩個(gè)因素是傳熱面積和傳熱系數(shù)。

傳熱面積 采用較小的爐管，對于同樣數(shù)量的催化劑來說，其傳熱面積就增加了。如果爐管內(nèi)徑由100mm改為71mm，相當(dāng)于同樣的催化，傳熱面積增加了40%，但離心澆注技術(shù)又限制爐管的下限為60mm。爐管的內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)和操作條件并在全面評比最佳經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上選擇。

傳熱系數(shù) 管外主要依靠輻射傳熱，管內(nèi)是氣體強(qiáng)制流動(dòng)給熱。采用小直徑管，管子和火焰的距離可以縮短，從而有利于輻射傳熱。另一方面，凱洛格爐管數(shù)雖多，但管徑細(xì)，因此流通截面小，流速大，有利于傳熱?？偟恼f來，凱洛格爐型采用小直徑、高空速、高溫度這幾個(gè)特點(diǎn)，是互相依存的。

如前所述，“KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外波穿透能力極強(qiáng)，能穿透被加熱物體，使被加熱物體里外同時(shí)受熱，使受熱物體溫度更加均衡。這樣，在不提升轉(zhuǎn)化管溫度和同樣的傳熱面積的情況下，轉(zhuǎn)化管將會(huì)得到更多的輻射熱量，滿足為催化反應(yīng)提供更多熱量的要求，有利于加快轉(zhuǎn)化反應(yīng)速度，同時(shí)節(jié)省燃料。

2 高溫遠(yuǎn)紅外輻射涂料

“KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”是由北京考特公司開發(fā)的一種納米多功能熱輻射強(qiáng)化劑，這種納米多功能強(qiáng)化劑具有如下特點(diǎn)。

（1）通過材料的復(fù)合化、超細(xì)化，產(chǎn)品具有超高的吸收率和發(fā)射率，高達(dá)0.93以上，處于世界領(lǐng)先水平。

（2）具有顯著的節(jié)能效果，保護(hù)爐體，延長工業(yè)爐窯的使用壽命。

（3）加快制品的加熱速度，提高制品加熱的均勻性，降低產(chǎn)品燒損，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）多功能熱輻射強(qiáng)化劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后不脫落，具有很強(qiáng)的粘結(jié)性，能夠長期使用。

（5）產(chǎn)品無毒無味，對人體無害，在使用和生產(chǎn)過程中無任何污染物質(zhì)。

（6）由于減少了燃料的消耗，降低了爐內(nèi)廢氣的排放量，具有顯著的環(huán)保效益。

（7）使用方便、范圍廣，不改變爐膛結(jié)構(gòu)，也無須改變用戶操作工藝。

（8）采用獨(dú)特的工藝技術(shù)，施工周期短，并可以長期（6個(gè)月以上）存放不分層。

該高溫輻射涂料主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

“KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”于2012年1月應(yīng)用于四川美青氰胺有限責(zé)任公司的200kt／a合成氨系統(tǒng)的一段轉(zhuǎn)化爐中。經(jīng)過噴涂前后的考核對比，取得的效果主要如下。

表1 KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑主要技術(shù)性能指標(biāo)

3.1 爐外壁溫度下降

表2 噴涂前后外壁溫度變化情況 ℃

表2為一段轉(zhuǎn)化爐輻射室內(nèi)壁爐墻噴涂“KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”前后外壁溫度變化情況。

從表2可以看出，在生產(chǎn)負(fù)荷及環(huán)境溫度相同或相近的條件下，一段轉(zhuǎn)化爐噴涂KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑后，爐墻外壁溫度有明顯的下降，爐外壁溫度總體平均下降了7.1℃。

3.2 燃料消耗降低

表3為一段轉(zhuǎn)化爐輻射室內(nèi)壁爐墻噴涂“KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑”前后工藝參數(shù)對比。

表3 一段轉(zhuǎn)化爐輻射室爐墻噴涂前后工藝參數(shù)對比

從表3可看出，一段轉(zhuǎn)化爐噴涂KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑后，噸氨燃料消耗量降低了26.03m3。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

四川美青氰胺有限責(zé)任公司一段轉(zhuǎn)化爐使用KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑后，噸氨燃料消耗量平均下降26.03m3，按年產(chǎn)150kt合成氨計(jì)，可節(jié)省天然氣390×104m3左右。由于這部分節(jié)省的天然氣用作原料氣，在用氣量與以前相同的條件下可多產(chǎn)合成氨約4 200t／a，同時(shí)可減少8 000t／a左右的二氧化碳排放，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

4 結(jié) 語

KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑的主要技術(shù)要點(diǎn)是，提高一段轉(zhuǎn)化爐墻內(nèi)壁表面的黑度，噴涂后黑度由0.3～0.4增至0.93以上，并且能強(qiáng)化輻射傳熱，使被加熱體受熱均勻。在以天然氣為原料生產(chǎn)化肥及甲醇裝置的一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)應(yīng)用，可以節(jié)省燃料氣，將這部分燃料氣用作原料氣，可以增加合成氨或甲醇的產(chǎn)量，同時(shí)減少二氧化碳的排放。迄今，KT高效節(jié)能強(qiáng)化劑已用于川化、天華化工、赤天化、建峰化工、建滔化工、江北化工、高宇化工等化肥及甲醇生產(chǎn)企業(yè)的一段轉(zhuǎn)化爐，取得了良好的節(jié)能減排效果。