曹祥磊

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.河南華慧有色工程設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450041)

石油焦煅燒是電解鋁用預(yù)焙陽(yáng)極制備過程中的主要工序之一,目前,采用的煅燒設(shè)備主要有罐式煅燒爐、回轉(zhuǎn)窯和回轉(zhuǎn)床,其中國(guó)內(nèi)主要采用罐式煅燒爐和回轉(zhuǎn)窯,回轉(zhuǎn)床在國(guó)外有應(yīng)用[1～2]。罐式煅燒爐因其具有煅燒質(zhì)量高、碳質(zhì)燒損低、生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 以及在生產(chǎn)運(yùn)行成本和投資成本上的優(yōu)勢(shì), 越來越多的國(guó)內(nèi)外業(yè)主采用罐式爐煅燒工藝生產(chǎn)煅燒焦[3～4]。

石油焦罐式煅燒爐煅燒帶溫度為1250～1350℃,爐體排出的煙氣溫度高達(dá)700～900℃[5]。根據(jù)石油焦罐式煅燒爐煙氣溫度及成分等特點(diǎn),為了防止高溫?zé)煔庵苯咏佑|金屬管壁,導(dǎo)致金屬管道長(zhǎng)期運(yùn)行后發(fā)生碳化和變形,影響系統(tǒng)安全,高溫?zé)煔夤艿辣赝ǔ２捎脙?nèi)保溫,即將保溫材料敷設(shè)在金屬管內(nèi),起到耐火和隔熱的作用。

本文以石油焦罐式煅燒爐高溫?zé)煔夤艿罏檠芯繉?duì)象,介紹了石油焦煅燒余熱利用設(shè)備前高溫?zé)煔夤艿栏鞣N不同的保溫結(jié)構(gòu),分析了各種保溫結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)以及對(duì)煙氣管道外表面散熱損失和煙氣溫降的影響,為石油焦罐式煅燒爐煙氣管道保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

1 石油焦煅燒高溫?zé)煹辣亟Y(jié)構(gòu)

為回收石油焦罐式煅燒爐高溫?zé)煔獾挠酂?同時(shí)也滿足煙氣凈化對(duì)溫度的要求,目前國(guó)內(nèi)炭素廠通常在煅燒爐出口煙道后設(shè)置余熱有機(jī)熱載體加熱爐、余熱鍋爐等吸收煙氣余熱并加以利用,煙氣溫度越高,余熱利用設(shè)備的效率越高。因此,需要采取有效措施,提高余熱利用設(shè)備進(jìn)口煙氣溫度,煙氣管道進(jìn)行保溫是減少散熱損失的最有效的方式之一[6]。高溫?zé)煹啦捎脙?nèi)保溫結(jié)構(gòu),由外向內(nèi)依次為煙氣管道、隔熱層、耐火層,采用不同的內(nèi)保溫材料,其結(jié)構(gòu)形式也有所不同,下面介紹在工程中經(jīng)常使用的幾種內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。

1.1 高溫?zé)煹啦捎媚突鸫u的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

高溫?zé)煹啦捎帽孛?保溫磚+耐火磚的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu),保溫結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,煙氣管道采用厚度為12 mm的Q235B鋼板卷制,與煙氣直接接觸部分采用厚度為230 mm的黏土質(zhì)耐火磚,粘土質(zhì)耐火磚屬于弱酸性耐火制品,能抵抗酸性熔渣和酸性氣體的侵蝕,熱性能好,耐急冷急熱。然后砌筑厚度為230 mm的黏土質(zhì)保溫磚,粘土質(zhì)保溫磚是氣孔率高、體積密度低、導(dǎo)熱率低的隔熱耐火材料,在保證一定強(qiáng)度的情況下,能夠有效減少煙道散熱量。緊貼煙氣管道內(nèi)壁是一層厚度為50 mm的硅酸鋁棉氈,硅酸鋁棉氈具有質(zhì)輕、耐高溫、熱容量小、隔熱性好、抗熱震性能好、質(zhì)地柔軟等優(yōu)點(diǎn),用于隔熱保溫結(jié)構(gòu)時(shí)節(jié)能效果顯著。

圖1 保溫棉+保溫磚+耐火磚內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

1.2 高溫?zé)煹啦捎媚突饾沧⒘系膬?nèi)保溫結(jié)構(gòu)

高溫?zé)煹啦捎帽匕?耐火澆注料的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu),保溫結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,煙氣管道采用厚度為12 mm的Q235B鋼板卷制,與煙氣直接接觸部分采用厚度為250 mm的黏土質(zhì)致密耐火澆注料,黏土質(zhì)耐火澆注料具有中溫強(qiáng)度高、熱態(tài)強(qiáng)度高、高溫下體積穩(wěn)定性好和耐剝落性強(qiáng)等特點(diǎn)。緊貼煙氣管道內(nèi)壁是一層厚度為100 mm的耐火陶瓷纖維板,耐火陶瓷纖維板質(zhì)地堅(jiān)韌、耐壓強(qiáng)度高,具有優(yōu)越的耐高溫性能和優(yōu)良的支撐力。澆注料和耐火陶瓷纖維板通過錨固件固定在煙氣管道上,錨固件材質(zhì)為Cr25Ni20,長(zhǎng)度290～310 mm,布置間距200 mm。

圖2 保溫板+耐火澆注料內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

1.3 高溫?zé)煹啦捎萌w維的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

高溫?zé)煹啦捎美w維毯+纖維模塊的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu),保溫結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,煙氣管道采用厚度為8 mm的Q235B鋼板卷制,緊貼煙氣管道是一層厚度為50 mm的陶瓷纖維毯,然后是厚度為250 mm的陶瓷纖維折疊模塊,最后在修整平整的模塊表面噴涂一層厚度為3 mm的高溫?zé)岱雷o(hù)涂料。高溫?zé)岱雷o(hù)涂料是山東某公司生產(chǎn)的一種耐高溫、抗風(fēng)蝕、防開裂的新型耐高溫涂料,陶瓷纖維折疊模塊導(dǎo)熱系數(shù)低、施工周期短、便于維護(hù)。

圖3 纖維毯+纖維模塊內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)

2 石油焦煅燒高溫?zé)煹罒煔鉁亟档睦碚撚?jì)算

以某項(xiàng)目40罐石油焦罐式煅燒爐出口高溫?zé)煔鉃槔?分析高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)的保溫性能。煅燒爐出口煙氣量約17,000 Nm3/h,煙氣溫度取850℃。煙氣成分:～5.9%CO2、～12%H2O、～9%O2、～72.9%N2、～5000 mg/Nm3SO2,～200 mg/Nm3顆粒物。石油焦煅燒煙氣與硅鐵礦熱爐煙氣(煙氣量約150,000 Nm3/h,煙氣溫度350～580℃,煙氣成分:～3%CO2、1%～2%H2O、5%～18%O2、75%～78%N2[6])相比,煙氣溫度已經(jīng)超過普通碳鋼和高合金鋼的使用溫度限值,必須采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。同時(shí),由于近幾年我國(guó)進(jìn)口石油多為高硫原油,導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)供應(yīng)的石油焦硫含量均偏高[7],石油焦煅燒煙氣SO2含量高,需要采用耐酸腐蝕的內(nèi)保溫材料,并確保內(nèi)保溫材料的整體性和完整性,以防煙氣通過裂縫等滲漏至煙道外壁附近對(duì)鋼煙道及錨固件造成腐蝕,影響保溫材料壽命和煙道的安全運(yùn)行。

項(xiàng)目所在地歷年最熱月平均氣溫取25.5℃,全年平均風(fēng)速取2.7 m/s。高溫?zé)煹罒煔饬魉僖话闳≈禐?3～16 m/s,高溫?zé)煹纼?nèi)徑取值為Φ1300 mm,高溫?zé)煹劳獗诜罓C傷溫度限值為60℃,煙氣管道可采用普通碳鋼材料,本文煙氣管道材質(zhì)均采用Q235B鋼板。

2.1 煙氣溫降計(jì)算方法

石油焦煅燒高溫?zé)煹罒煔鉁亟档睦碚撚?jì)算采用《發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T5072-2019)中相關(guān)公式[8],根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算出煙氣管道外表面散熱損失和外表面溫度,在外表面溫度滿足防燙傷要求的前提下,根據(jù)外表面散熱量推算出煙氣溫降。

煙氣管道外表面散熱損失計(jì)算:

(1)

煙氣管道外表面溫度計(jì)算:

(2)

煙氣管道外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算:

α=αn+αc

(3)

輻射傳熱系數(shù)計(jì)算:

(4)

對(duì)流傳熱系統(tǒng)計(jì)算:

(5)

式中:qL——煙氣管道線散熱損失,W/m;

ts——煙氣管道外表面溫度,取60℃;

t——高溫?zé)煔鉁囟?取850℃;

ta——環(huán)境溫度,取歷年最熱月平均氣溫,值為25.5℃;

α——煙氣管道外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);

αn——輻射傳熱系數(shù),αn=6.1W/(W2·K);

αc——對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);

D0——高溫?zé)煹纼?nèi)徑,mm;

D1——高溫?zé)煹赖谝粚觾?nèi)襯外徑,mm;

D2——高溫?zé)煹赖诙觾?nèi)襯外徑,mm,以此類推;

Dw——高溫?zé)煹劳鈴?mm;

λ1——高溫?zé)煹赖谝粚觾?nèi)襯導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

λ2——高溫?zé)煹赖诙觾?nèi)襯導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

ε——煙氣管道黑度,ε=0.85;

W——室外全年平均風(fēng)速,取值為2.7m/s;

2.2 煙道采用耐火磚的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí)煙氣溫降

計(jì)算

保溫棉采用硅酸鋁棉氈,導(dǎo)熱系數(shù)取0.056 W/(m·K),密度為128 kg/m3;保溫磚采用黏土質(zhì)保溫磚,導(dǎo)熱系數(shù)取0.4 W/(m·K),密度為1000 kg/m3;耐火磚采用黏土質(zhì)耐火磚,導(dǎo)熱系數(shù)取1.0 W/(m·K),密度為2000 kg/m3。

經(jīng)過計(jì)算,煙道采用保溫棉(50 mm)+保溫磚(230 mm)+耐火磚(230 mm)的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí),煙道外徑為2344 mm,外表面散熱損失2993.0 W/m,外表面溫度53.3℃,每10 m煙道煙氣溫降約4℃,管道總熱阻0.275 m·℃/W。

2.3 煙道采用耐火澆注料的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí)煙氣溫降計(jì)算

保溫板采用耐火陶瓷纖維板,導(dǎo)熱系數(shù)取0.065W/(m·K),密度為300 kg/m3;耐火澆注料采用黏土質(zhì)致密耐火澆注料,最高使用溫度為1300 ℃,導(dǎo)熱系數(shù)取0.75 W/(m·K),密度為2100 kg/m3。

經(jīng)過計(jì)算,煙道采用保溫板(100 mm)+耐火澆注料(250 mm)的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí),煙道外徑為2024 mm,外表面散熱損失2442.4 W/m,外表面溫度51.3℃,每10 m煙道煙氣溫降約3℃,管道總熱阻0.338 m·℃/W。

2.4 煙道采用全纖維內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí)煙氣溫降計(jì)算

纖維毯采用陶瓷纖維毯,正常使用溫度為1100℃,導(dǎo)熱系數(shù)取0.065 W/(m·K),密度為130 kg/m3;纖維模塊采用陶瓷纖維折疊模塊,正常使用溫度為1100℃,導(dǎo)熱系數(shù)取0.175 W/(m·K),密度為220 kg/m3;高溫?zé)岱雷o(hù)涂料導(dǎo)熱系數(shù)取0.16 W/(m·K),密度為1300 kg/m3。

經(jīng)過計(jì)算,煙道采用纖維毯(50 mm)+纖維模塊(250 mm)的內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí),煙道外徑為1922 mm,外表面散熱損失1862.5 W/m,外表面溫度46.1℃,每10 m煙道煙氣溫降約2.5℃,管道總熱阻0.443 m·℃/W。

3 石油焦煅燒高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)的選擇

3.1 高溫?zé)煹辣亟Y(jié)構(gòu)的選取原則

《發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T5072-2019)中給出了保溫層材料的選擇原則:① 保溫材料及其制品的推薦使用溫度應(yīng)高于設(shè)備和管道的設(shè)計(jì)溫度或介質(zhì)的最高溫度;② 在保溫材料物理化學(xué)性能滿足工藝要求的前提下,應(yīng)優(yōu)先選用熱導(dǎo)率小、密度小、造價(jià)合理、施工方便的保溫材料[8]?；谠撛瓌t,煙氣管道保溫結(jié)構(gòu)選擇,應(yīng)綜合考慮保溫材料理化性能、材料使用壽命、保溫材料價(jià)格、施工方式、煙氣管道支架及基礎(chǔ)荷載等各種因素。

3.2 高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)比較

高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)在管道材料價(jià)格、保溫性能、施工性能等方面具有較大差別。高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)綜合性能比較見表1,不同保溫結(jié)構(gòu)的煙氣管道每米造價(jià)見表2。

表1 高溫?zé)煹啦煌亟Y(jié)構(gòu)綜合性能比較(表中數(shù)據(jù)僅供參考)

表2 不同保溫結(jié)構(gòu)的煙氣管道每米造價(jià)(均為含稅價(jià),表中數(shù)據(jù)僅供參考)

從表1、表2中可以看出,雖然煙氣管道采用不同保溫材料的單價(jià)差別較大,但每米造價(jià)差別不大,這是因?yàn)椴煌牧系哪突鸶魺嵝阅懿煌?為滿足防燙傷要求,材料用量相差較大。

耐火磚保溫結(jié)構(gòu)是最早用于高溫?zé)煹纼?nèi)襯的結(jié)構(gòu),因其材料導(dǎo)熱系數(shù)高,導(dǎo)致耐火隔熱材料用量及煙道外徑大,管道荷載也最大,施工周期長(zhǎng),給管道布置和施工均帶來困難。但耐火磚保溫結(jié)構(gòu)使用壽命長(zhǎng),目前主要用在罐式煅燒爐本體集合煙道和出口煙道閘板附近的高溫?zé)煹馈?/p>

耐火澆注料保溫結(jié)構(gòu)與耐火磚保溫結(jié)構(gòu)相比,可采用機(jī)械化施工,對(duì)施工人員技術(shù)水平要求相對(duì)較低,施工比較便捷,目前廣泛用在罐式煅燒爐出口后的高溫?zé)煹?。但是其體積密度較大、絕熱性能較差、施工周期較長(zhǎng)、使用壽命較短、維修更換難度較大。此外,管道荷載和管道直徑較大,管道布置和施工也比較困難。

全纖維保溫結(jié)構(gòu)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),用于高溫?zé)煹纼?nèi)襯可以減少煙道散熱,有較好的節(jié)能效果,同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和整體性。此外,因其密度小、重量輕、可預(yù)制,支撐結(jié)構(gòu)及土建基礎(chǔ)均較小,從而使其施工高效便捷,施工周期短,施工費(fèi)用低。目前在罐式煅燒爐出口至余熱利用設(shè)備入口間的高溫?zé)煹郎弦延胁簧俪晒?yīng)用案例,總體運(yùn)行狀況良好。

4 結(jié) 語

石油焦煅燒高溫?zé)煹辣亟Y(jié)構(gòu)直接影響煙道的沿程散熱損失和安全運(yùn)行,目前高溫?zé)煹辣卦O(shè)計(jì)受到了炭素行業(yè)各參與方的普遍重視。煙道內(nèi)襯總體上是朝著模塊化、輕量化發(fā)展的,針對(duì)傳統(tǒng)保溫材料的缺點(diǎn),保溫材料廠家也相繼開發(fā)、應(yīng)用了一些新型保溫材料和保溫技術(shù),在減少散熱損失的同時(shí)達(dá)到了較好的整體性和穩(wěn)定性。

高溫?zé)煹赖谋卦O(shè)計(jì)需要綜合多方面因素來考慮,不僅僅是保溫材料選擇和保溫厚度的計(jì)算,還要考慮保溫材料的安全穩(wěn)定性能、使用壽命、材料采購(gòu)和工程實(shí)施的難易程度、工程工期等方面因素。由于每項(xiàng)工程條件不盡相同,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中還需要根據(jù)工程實(shí)際情況,結(jié)合一定的工程經(jīng)驗(yàn)或者是參考設(shè)計(jì)手冊(cè)來選擇保溫材料、確定保溫結(jié)構(gòu)和保溫厚度,以此達(dá)到高溫?zé)煹琅c主體設(shè)備匹配性好、散熱少、造價(jià)低、運(yùn)行安全穩(wěn)定等目的。