黃小春，胡明輔，董福生

(昆明理工大學 化學工程學院，云南 昆明650500)

0 引言

在石油化工行業(yè)中，加熱爐是運用較廣泛的設(shè)備，在煉油生產(chǎn)中主要能耗產(chǎn)生在加熱爐中。以常壓裝置為例，其能耗占到全裝置綜合能耗的75%左右，因此提高加熱爐效率，降低燃料消耗，實現(xiàn)節(jié)能便具有重要的意義［1］。輻射室內(nèi)加熱體發(fā)出的熱射線，除了直接射向工件的少部分外，多數(shù)射線要在爐內(nèi)進行入射、反射、吸收等，結(jié)果導致部分熱量通過爐墻而損失了，到達工件的熱射線較少，熱效率不高。另外，隨著時間的延長，爐內(nèi)壁也逐漸腐化，壁面材料開始脫落，影響到傳熱效果。針對以上問題，為了提高加熱爐熱效率，實現(xiàn)節(jié)能，人們進行了大量的研究，找出了許多方式對加熱爐進行改進，取得了不錯的效果。然而，所提出的方法大都是針對特定的情況，不具有廣泛性。鑒于此，本文將加熱爐輻射傳熱節(jié)能的方法進行總結(jié)分析，便于進行查找與對比。

1 加熱爐內(nèi)裝強輻射元件

在工業(yè)加熱爐中，傳統(tǒng)的節(jié)能方式以加熱爐合理選擇爐墻材料，用輕質(zhì)磚代替重質(zhì)磚，在爐膛內(nèi)壁貼耐火纖維等方式，來實現(xiàn)減少蓄熱和散熱損失;這些措施起到一定的作用，但其目的都只是將熱量積聚在了爐膛里，并沒有解決熱射線是否集中到達加熱體的本質(zhì)問題，使得發(fā)熱體發(fā)出的熱量到達加熱體的仍然比較少，效率仍較低。

針對上述情況，李治岷等人［2］先對加熱爐熱效率低進行分析，得出其本質(zhì)原因在于爐膛內(nèi)熱射線呈漫反射狀態(tài)，最終部分熱射線通過爐壁散熱損失了。針對于此，提出了一種新的節(jié)能方式——黑體強化輻射傳熱。

從加熱爐內(nèi)工件獲得的熱量入手得到

式中 εM、εW——分別表示工件、爐墻的黑度;

FM、FW——分別表示工件、爐壁的面積;

tM、tW——分別表示工件、爐墻的溫度;

α0輻——εW=εM時的輻射換熱系數(shù)。

以式(1)為依據(jù)提出一種方式既可以實現(xiàn)增大黑度又可以增加面積的方法——啟用黑體元件，在不增加爐子的功率，不減少發(fā)射率的情況下，該黑體元件集增大爐膛面積、提高爐體黑度、增加輻照度三項功能于一體。根據(jù)蘭貝特定律，熱源空間各方向發(fā)射的輻射能，法線方向能量最多，將黑體元件安裝在爐內(nèi)頂部較佳。

該方法節(jié)能的效果較好，可使爐體黑度達到0.95，迅速吸收射向元件的漫反射狀熱射線，隨即將射線從無序到有序直接發(fā)射給工件，提高了射線的到位率，使工件吸收的能量增加，從本質(zhì)上改變爐內(nèi)射線呈漫反射的狀態(tài)。此方法比較適于大批量連續(xù)生產(chǎn)，黑體元件要安裝在爐內(nèi)頂部才可達到射向工件的能量最多，對于一些頂部不便于安裝的加熱爐，需要重新考慮安裝位置。此外元件是特別設(shè)計的，增加了實施的不便性。

2 輻射室出口裝新型反射板

加熱爐的傳熱方式主要為輻射傳熱，經(jīng)其輻射室出口的煙氣溫度較高，直接流出帶走了相當部分的熱量，使輻射室的熱效率較低;若能增加輻射室吸收的熱量，則整個加熱爐的效率就會提高，進而可以減少燃料的消耗，實現(xiàn)節(jié)能。

針對于此，竇從從等［3］提出了在輻射室內(nèi)出口處安裝反射板，在煙氣流出輻射室之前，讓其先進行回流增加了煙氣在室內(nèi)的停留時間。利用數(shù)值模擬的方法對輻射室設(shè)置不同反射板的圓筒式加熱爐進行燃燒及傳熱的三維計算，得到了如下四種工況下的流場、溫度場、輻射傳熱及熱效率的詳細結(jié)果:不加反射板(工況1)、直徑較小的反射板(工況2)、直徑大的反射板(工況3)、新型反射板即兩邊帶有傾斜度(工況4)。

研究結(jié)果表明，工況2和工況3延長了煙氣在輻射室內(nèi)的停留時間，與工況1相比，氣流循環(huán)得到了加強，工況4室內(nèi)煙氣回流明顯增強，向上流動的煙氣在板的兩側(cè)形成渦旋，進一步延長了煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間，較大程度的改善了傳熱。工況2和工況3對溫度場產(chǎn)生的影響較小，工況4使爐膛內(nèi)溫度分布更加扁平，徑向溫度隨著反射板在爐膛內(nèi)的高度增加而趨于均勻，改善了爐上部受熱情況。工況2和工況3對流場、溫度均勻分布的影響較小，但增加了部分輻射熱量，隨反射板直徑的增大反射熱量增加，使輻射室輻射傳遞的熱量增加。對于工況4，改善了爐上部的受熱情況，煙氣出口溫度降低，提高了輻射熱效率。這種在輻射室內(nèi)加裝新型反射板的方式，有一定的節(jié)能效果，操作起來也比較方便，不需要在加熱爐中做過多的改動，只需要將反射板安裝在爐膛內(nèi)，另外反射板的結(jié)構(gòu)設(shè)計也較簡單。該方法是在圓筒式加熱爐內(nèi)進行的，可對其他形式加熱爐的節(jié)能改造提供參考借鑒。

3 加熱爐襯里涂裝高輻射涂料

在大多數(shù)鍋爐、加熱爐中，輻射室爐墻襯里采用的都是耐火材料，但隨著運行周期的延長，爐管積灰日益嚴重，導致傳熱率下降。事實上，加熱爐的結(jié)構(gòu)及爐管的表面熱強度分布是不均勻的，靠近火焰一側(cè)，其表面熱強度較高，而另一側(cè)較低，如此降低了整個爐的表面熱強度，傳熱效率降低。為了達到要求的加熱溫度，就需要大幅度的提高爐膛溫度，但這樣便導致了燃料消耗的增加。于是很多人提出在爐內(nèi)襯里涂高輻射涂料。對以輻射傳熱為主的工業(yè)加熱爐，高輻射涂料可以提高爐內(nèi)參與輻射傳熱的物體表面輻射系數(shù)，達到節(jié)能的目的。

3.1 高溫紅外輻射涂料

涂紅外輻射涂料能增加基體表面黑度，增強基體表面對熱源熱量吸收后的輻射傳熱，改變了傳熱區(qū)內(nèi)輻射的波譜分布，將熱源間斷式的波譜轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)形式的波譜，進而促進被加熱物熱量的吸收。紅外線通常是指波長在2.5～1 000 μm范圍內(nèi)的電磁波，通過被物體吸收使物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點產(chǎn)生共振，從而使物體溫度上升。通常情況下，高紅外輻射涂料由輻射粉體基料、粘接劑、載液組成。

英國在1988年研制出的以氧化鋯、氧化硅、氧化鋁為基料，膠體懸浮液為粘接劑的ET－4紅外輻射涂料［4］，能與基體牢固粘合。隨后Herbert Beven公司推出的主要由碳化硅和化學添加劑組成的涂料，通過燒結(jié)后化學添加劑在碳化硅表面形成保護膜，防止高溫氧化，使用壽命較長［5］。

在我國，1974年上海硅酸鹽研究所研制出的涂料運用到金屬上，適用溫度范圍為60～1800℃，平均節(jié)能達5%左右［6］。90年代初南京航空航天大學以Fe2O3和MnO2為輻射基體，比例從20%～80%變化，以CuO、CoO、Co2O3為助燒劑［7］，研制出了一類高紅外涂料;由于Co2O3價格高，隨后又研制出以主要成分為SiO2的礦石粉末為基礎(chǔ)，摻雜Fe2O3的新型低成本紅外涂料。在這之后進行了許多研究，到21世紀初山東淄博市新材料研究所研制生產(chǎn)的以Al2O3等優(yōu)質(zhì)遠紅外輻射復(fù)合粉料為基料的ZGW、ZYT遠紅外輻射涂料［8］，其抗沖擊性、抗震性好，節(jié)能率達15%～30%。吉林市綠源節(jié)能材料制造有限公司等單位聯(lián)合開發(fā)了FHC和FRS－DQ遠紅外節(jié)能涂料［9］，其中FHC是一種在高溫時具有較高輻射率的新型水性無機涂料，主要由高溫輻射材料、高溫粘接劑及懸浮劑、稀釋劑等組成。FHC可以涂在各種高溫加熱爐的爐膛表面，經(jīng)使用表明涂層具有較好的理化性能，使用壽命較長。紅外輻射涂料施工便利，在工業(yè)爐窯運用較多，但是許多材料與其基體的結(jié)合力不強，鑒于此，武漢鋼鐵集團等單位研制出一種與自制紅外輻射涂料粉料相適應(yīng)的涂料粘接劑，其結(jié)合力達6次水淬而不至脫落［10］，這為紅外輻射涂料在爐窯熱工設(shè)備的基體上的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。

3.2 高輻射陶瓷涂料

在國外，1997年美國Cressie E Holcombe等人［11］研制出了以稀土氧化物CeO2或TeO2為基料，以Al(H2PO4)3、磷酸為粘接劑的輻射涂料，使用溫度高達1 100℃以上。Wessex［12］把獲得專利許可的NASA高發(fā)射率技術(shù)合并產(chǎn)生了EMISSHIELD高發(fā)射率涂料族。將該涂料噴涂到熱處理高合金鑄件的加熱爐室內(nèi)時，其節(jié)能率達15%;運用于高溫隧道煤窯，經(jīng)使用第一年的節(jié)能率達到了16%。Cockeram等人［13］提出用真空等離子噴霧(ZrO2+18%TiO2+10% Y2O3，Cr2O3，ZrC，F(xiàn)e2TiO5，ZrTiO4，ZrO2+8%Y2O3+2% HfO2，TiC，TiC+5% Al2O3+5%TiO2，ZrB2，ZrB2+10% MoSi2，Al2O3+TiO2)，弧變形(C和SiC電極)，泥漿融合(SiO2+C)，激光燒蝕變形，錸晶體化學汽相沉積等方式增大鉬、鈮、Haynes230(鎳基合金)的發(fā)射率。熱循環(huán)試驗結(jié)果表明，六種等離子噴霧涂層(ZrO2+18% TiO2+10% Y2O3，ZrC，F(xiàn)e2TiO5，ZrTiO4，ZrO2+8% Y2O3+2% HfO2，Al2O3－TiO2)和錸晶體化學汽相沉積可使鉬、鈮、Haynes230的發(fā)射率達到0.8左右，效果較好。B.Rousseau等［14］結(jié)合噴霧熱解法與快速熱退火，得到一種摻雜鐠氧化鎳(Pr2NiO4)的厚膜，通過遠紅外到中紅外區(qū)域光譜發(fā)射率的測量結(jié)果表明該膜具有強黑體的特征，比較符合工業(yè)紅外陶瓷輻射板的熱效率。

在我國，最早于1994年研制出了高輻射陶瓷涂料。1997年，王志發(fā)等人［15］采用鋯英砂、鉻鐵礦、耐火粘土、軋鋼氧化鈹以及少量稀土氧化物作為配料，按比例在耐火度測量錐及粘土表面，進行1 300℃的比較試驗后，確定各組分為:ZrO210%～20%，SiO210%～20%，Cr2O315%～20%，F(xiàn)e2O325%～30%，Al2O35%～10%，MgO 5%～10%，La2O31%－5%，運用結(jié)果表明，該涂料隔熱效果好，節(jié)能效果達14%。1998年黑龍江科學院石油化學研究所的耿慶生等［16］，采用以復(fù)合氧化物為主，采用我國特有的資源－稀土氧化物，經(jīng)過活化處理，按比例混合，研制了GJT－高輻射陶瓷涂料。哈爾濱石化公司引進了該輻射涂料，使用結(jié)果表明GJT使爐墻襯里的熱輻射系數(shù)由0.30～0.40提高到0.90～0.95，輻射系數(shù)隨著溫度的升高而增大。該涂料輻射率高，粘接性強，抗高溫氧化和腐蝕，在石油化工、機械等行業(yè)的加熱設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用前景。

高輻射陶瓷涂料能較大幅度的增加爐墻的輻射系數(shù)，節(jié)能效果明顯，不需要對加熱爐原來的結(jié)構(gòu)形式做任何的改變，實施方便;對于任何能進行噴涂輻射涂料的加熱爐都能運用，范圍較廣;該技術(shù)運用到實際中使爐膛溫度降低100℃左右，加熱爐效率顯著提高;但為了減少爐管和爐墻積灰，用燃料氣效果最好;涂層與內(nèi)壁要保持高度的粘性，否則涂層易脫落，影響傳熱，同時還需要加強清灰。

4 優(yōu)化管式加熱爐結(jié)構(gòu)形式

管式加熱爐輻射室中主要通過煙氣及爐墻向爐管進行輻射傳熱;目前煉油廠及石油化工廠所使用的加熱爐均為水平管雙面輻射管箱式爐型［17］，根據(jù)其爐子的特點，在輻射室頂部拐角處不可避免地存在煙氣內(nèi)回流區(qū)，而造成輻射室內(nèi)煙氣溫度及輻射管熱強度分布不均勻，所以導致其能耗大，熱效率低。

針對上述問題，北京拓首科技發(fā)展有限公司研發(fā)了一種新型加熱爐［18］。該爐輻射室側(cè)墻設(shè)置為傾斜狀，側(cè)墻底部有一段垂直墻，垂直墻高度在側(cè)墻總高度的1/10～7/10之間，側(cè)墻的傾斜角度為10°時最佳。這種新型管式加熱爐輻射室內(nèi)避免了煙氣回流，輻射室兩側(cè)的傾斜度縮小了輻射室內(nèi)部與輻射管之間的距離。此后為了進一步提高傳熱效率，中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院李明等［19］研制了一種中間爐管座吊組合結(jié)構(gòu)的管式加熱爐，其由輻射室中間爐管、爐管支座結(jié)構(gòu)、爐管聯(lián)排結(jié)構(gòu)、爐管吊架結(jié)構(gòu)組成的以座為主吊座組合結(jié)構(gòu)，解決了加熱爐增設(shè)輻射室中間爐管困難的技術(shù)缺陷。在新型加熱爐的基礎(chǔ)上，上?；萆すこ逃邢薰纠畋Ｓ械热耍?0］從增大換熱管的表面積出發(fā)，提出了一種傳熱效率得到大幅度提高的輻射爐管，該輻射爐管由外管、空心內(nèi)管、定位塊組成，外管與內(nèi)管之間設(shè)有環(huán)形間隙，其定位塊在環(huán)形間隙內(nèi);用于乙烯裂解爐，增大了管比表面積，提高了傳熱效率，在內(nèi)、外管間的環(huán)形間隙設(shè)置的螺旋形狀的定位塊，使間隙內(nèi)的流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，減薄了管內(nèi)流體的邊界層，減小了熱阻，進而提高了輻射傳熱效率。

新型結(jié)構(gòu)加熱爐輻射室內(nèi)沿輻射管高度方向的熱強度分布更為均勻，降低了輻射管管壁最高溫度，減少了燃料的消耗，降低裝置操作費用;它使輻射室內(nèi)煙氣溫度場及輻射管熱強度分布更為均勻，提高了輻射管的輻射及對流傳熱效率;由于傾斜度的設(shè)置，縮短了輻射室內(nèi)部與輻射管之間的距離，提高了煙氣流動速度，從而提高輻射室上部輻射管的輻射傳熱及對流傳熱。這種通過結(jié)構(gòu)改造的方法，提高了生產(chǎn)經(jīng)濟效益，節(jié)能效果較明顯。由于側(cè)墻傾斜的設(shè)置和底部還有一段垂直高度，加大設(shè)計時候的難度，外側(cè)墻的傾斜角度也需要謹慎設(shè)置，不同的角度達到的節(jié)能效果不同。

5 輻射傳熱節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢

綜上所述，加熱爐內(nèi)最主要的傳熱方式是輻射傳熱，其節(jié)能技術(shù)的研究發(fā)展也主要圍繞輻射傳熱的理論與特點展開。根據(jù)其技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和存在的問題，輻射傳熱節(jié)能技術(shù)研究的重點與發(fā)展趨勢總結(jié)如下。

(1)加強研究爐內(nèi)強輻射元件安裝位置的普適性;

(2)著力改善高溫輻射涂料的粘結(jié)劑，提高粘結(jié)劑與基體間的結(jié)合力，避免涂層脫落，延長涂層的使用周期;

(3)深入加強紅外輻射涂料節(jié)能機理的研究，為高溫紅外輻射涂料的研制開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ);

(4)進一步優(yōu)化加熱爐的結(jié)構(gòu)，使爐內(nèi)溫度分布更為均勻;

(5)輻射涂料超細超薄化、成分復(fù)合化、功能多元化;

(6)延長易損元件和涂料的使用壽命，維修方便、維修成本更低。

［1］胡小平，曹祖賓.有效提高加熱爐熱負荷的幾項改造措施［J］.當代化工，2005，34(3):221－222.

［2］李治岷，魏玉文.黑體強化輻射傳熱節(jié)能新機理:加熱爐再節(jié)能的新途徑［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2008(2):495－501.

［3］竇從從，毛羽，王娟，等.新型結(jié)構(gòu)反射板對圓筒爐輻射室流動及傳熱的影響［J］.工業(yè)爐，2009，31(6):9－12.

［4］Clements J G.High－emissivity coatings－a major advance in furnace technology［J］.Heat Treatment of Metals，1986(3):76－79.

［5］Herbert Beven＆Co Ltd.Enecoat high emissivity furnace coating［J］.Ceramic Industries Journal，1988(6):26－27.

［6］胡仲寅.紅外節(jié)能涂料的研制和應(yīng)用［J］.上海涂料，2002，40(2):26－30.

［7］周建初，陳建康，屠平亮.優(yōu)質(zhì)高溫紅外涂料的研制與應(yīng)用［J］.紅外技術(shù)，1992，14(1):34－40.

［8］高學峰，郭瑩.優(yōu)質(zhì)中高溫遠紅外涂料的研制與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2000(1):22－25.

［9］張輝.遠紅外輻射涂料節(jié)能原理與應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2003(6):25－26.

［10］歐陽德剛，周明石，張奇光.紅外輻射涂料粘接劑的試驗研究［J］.鋼鐵研究，1999(6):41－43.

［11］Cressie E Holcombe，Jr.，Lloyd R.Chapman et al.High emissivity coating composition and method of use:US Pat，USP6007873［P］.1999－12－28.

［12］Kleeb，Thomas;Olver，John.High－Emissivity Coatings for Energy Savings in Industrial Furnaces.Industrial Heating，2007:57－61.

［13］B.V.Cockeram，D.P.Measures，A.J.Mueller.The development and testing of emissivity enhancement coatings for themophotovoltaic(TPV)radiator applications.Thin Solid Films，1999(355－356):17－25.

［14］B.Rousseau，M.Chabin，and P.Echegut，A.Sin，F(xiàn).Weiss et al.High emissivity of a rough Pr2NiO4coating.Applied Physics Letters，2001(79):3632－3635.

［15］王志發(fā)，李茹春，郝俊杰.高溫節(jié)能復(fù)合陶瓷涂料的研制［J］.耐火材料，1997，31(3):143－146.

［16］耿慶生，常立春，李均海，等.GJT－高輻射陶瓷涂料在工業(yè)加熱爐上的應(yīng)用［J］.化學與粘合，1998(1):56－58.

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

［18］北京拓首科技開發(fā)有限公司.新型水平管雙面輻射管式加熱爐:中國，ZL200820123535［P］.2009－08－19.

［19］李明，江航，丁桂平.圓筒形管式加熱爐中間爐管座吊組合結(jié)構(gòu):中國，ZL200520084780.9［P］.2007－03－07.

［20］李保有，涂國華，劉海軍，等.一種輻射爐管及其應(yīng)用:中國，IO1575255A［P］.2009－11－11.