高 妍，沈延順，張 帆，郭中山

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

FCC催化劑作為催化裂化的重要組成部分，幾十年來以其自身的不斷改進(jìn)推進(jìn)催化裂化技術(shù)向前發(fā)展，其在石油行業(yè)領(lǐng)域有著很重要的地位[1]。催化裂化催化劑一般采用半合成法生產(chǎn)[2]，制備過程主要包括凝膠化、噴霧干燥、焙燒、交換過濾洗滌、空氣干燥和成品包裝[3]。其中，焙燒的能源消耗占催化劑制備總能耗的30%以上，焙燒爐的熱效率直接影響催化劑產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研究焙燒爐的節(jié)能技術(shù)，提高催化劑的市場競爭力及經(jīng)濟(jì)效益，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，具有巨大的社會(huì)效益。

本文以某石化廠25 kt·a-1催化劑裝置電焙燒爐改造項(xiàng)目為依托，在現(xiàn)有的催化劑焙燒技術(shù)基礎(chǔ)上[4-5]，通過分析焙燒爐熱效率的影響因素，建立焙燒爐熱效率評(píng)價(jià)方法，研究電焙燒爐的節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)催化劑制備過程的節(jié)能增效。

1 電焙燒爐結(jié)構(gòu)

電焙燒爐示意圖如圖1所示，是采用電熱元件作為熱源進(jìn)行間接加熱的回轉(zhuǎn)設(shè)備，主要由筒體、保溫爐膛、進(jìn)出料箱、傳動(dòng)、支撐等組成。電熱元件在保溫爐膛內(nèi)主要依靠輻射傳熱加熱爐筒，通常采用金屬加熱元件制成螺旋形或帶狀發(fā)熱體。

圖1 電焙燒爐示意圖Figure 1 Schematic diagram of the electric heating furnace

2 熱效率計(jì)算模型

能量平衡是建立焙燒爐熱效率計(jì)算模型的基礎(chǔ)和依據(jù)，焙燒爐的熱效率等于有效能量(即焙燒需要的熱量)和供給能量(即電耗)的比值。通過已知的設(shè)計(jì)參數(shù)如物料量G1，水分蒸發(fā)量W，物料比熱cs、焙燒溫度T1、尾氣溫度tF、尾氣引風(fēng)量V1、風(fēng)壓P1等，對(duì)焙燒爐有效能量(即被加熱介質(zhì)從入口狀態(tài)加熱到出口狀態(tài)所吸收的熱量)及熱效率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下：

(1)物料升溫所需熱量(Q1)

Q1=GC·cS·(T2-T1)+(G2-GC)·cw·(T2-T1)

式中，cs為催化劑固體絕干比熱，kJ·(kg·℃)-1；cw為濕分比熱，kJ·(kg·℃)-1；T1為進(jìn)料溫度，℃；T2為焙燒溫度，℃；G2為焙燒產(chǎn)品量，kg·h-1；GC為絕干產(chǎn)品量，kg·h-1。

(2)蒸發(fā)水分所需熱量(Q2)

Q2=W·cw·(tw-T1)+W·Hw+W·cwg·(tF-tw)

式中，cwg為濕份在濕球溫度下的比熱，kJ·(kg·℃)-1；tF為焙燒尾氣的溫度，℃；tw為濕球溫度，℃；Hw為濕分在濕球溫度下的汽化潛熱,kJ·kg-1。

(3)焙燒爐漏入冷空氣帶走的熱量(Q3)

Q3=V·c0(tF-t0)

式中，V為外界漏入的空氣，kg·h-1；c0為空氣比熱,kJ·(kg·℃)-1；t0為環(huán)境溫度，℃。

(4)尾氣攜帶細(xì)粉帶走的熱量(Q4)

Q4=G夾·cs·(tF-T1)

式中，G夾尾氣夾帶催化劑量，kg·h-1；tF為焙燒尾氣的溫度，℃。

(5)設(shè)備外表面散熱損失(Q5)

設(shè)備外表面散熱損失計(jì)算參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6421-1999進(jìn)行計(jì)算。

Q5=α·F·(tb-t0)

式中，α為散熱系數(shù)，W·(m2·℃)-1，為自然對(duì)流放熱系數(shù)及強(qiáng)制對(duì)流放熱系數(shù)總和；F為設(shè)備散熱表面積，m2；tb為設(shè)備壁溫，℃。

(6)電阻絲熱損失(Q6)

Q6=(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5)·(1-η電)

式中，η電為電阻絲的熱效率。

(7)電焙燒爐熱效率(η)

3 熱效率影響因素分析及節(jié)能研究

由電焙燒爐熱效率計(jì)算公式可知，熱效率影響因素主要包括Q3(冷空氣漏入帶走熱量)、Q4(尾氣夾帶量帶走熱量)和Q5(設(shè)備外表面散熱)，其中電阻絲損失熱Q6受電阻絲材質(zhì)的限制，基本為定值，因此，要提高電焙燒爐熱效率，則需要減少以上三部分熱量的損失。

3.1 引風(fēng)系統(tǒng)影響

在焙燒爐密封結(jié)構(gòu)一定的情況下，為了排出焙燒尾氣，焙燒爐需在微負(fù)壓條件下操作，焙燒爐操作負(fù)壓越大，則冷空氣由密封結(jié)構(gòu)漏入量越大，夾帶量也隨之增加，相應(yīng)的Q3和Q4增大。在現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備上，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，焙燒爐操作負(fù)壓對(duì)漏氣量及熱量損失影響如圖2所示。

圖2 焙燒爐操作壓力對(duì)漏氣量及熱損失率的影響Figure 2 Effect of operating pressure on air leakage and heat loss

由圖2可知，焙燒爐操作負(fù)壓越高，則漏入系統(tǒng)的空氣量越大，熱損失就越大，但過多的降低焙燒爐操作負(fù)壓，不利于焙燒物料中揮發(fā)分的析出，產(chǎn)品灼減量不達(dá)標(biāo)。因此，在焙燒爐密封結(jié)構(gòu)一定的條件下，考察操作壓力對(duì)產(chǎn)品灼減量的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 焙燒爐操作壓力對(duì)產(chǎn)品灼減量的影響Figure 3 Effect of operating pressure on ignition loss

由試驗(yàn)結(jié)果可知，焙燒爐操作負(fù)壓越大，筒體內(nèi)部漏入的空氣量越多，產(chǎn)品出口濕含量越小，也即灼減量越小。原因主要是漏入空氣作為載氣將物料中的濕分帶出。但是漏入空氣量越多，系統(tǒng)熱損失越大，能耗越高，在滿足產(chǎn)品灼減量要求的條件下，焙燒爐最佳操作壓力為(-300～-200) Pa，此時(shí)系統(tǒng)熱損失相對(duì)較小。

3.2 密封結(jié)構(gòu)的影響

焙燒爐操作壓力一定的情況下，通過試驗(yàn)室模擬計(jì)算焙燒爐填料密封間隙大小對(duì)漏氣量及熱損失率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 焙燒爐密封間隙對(duì)漏氣量及熱損失率的影響Figure 4 Effect of seal clearance on air leakage and heat loss

密封間隙越大，在引風(fēng)機(jī)的作用下漏入空氣量越多，則熱損失越大，但過小的密封間隙對(duì)設(shè)備的加工及裝配的精度是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)時(shí)，在原有密封段增加墊板，墊板在機(jī)床上進(jìn)行整體機(jī)加工，提高填料密封面光滑度和同心度，填料壓蓋與填料接觸部分采用錐形結(jié)構(gòu)，保證密封填料足夠的預(yù)緊力，以此增加填料密封效果和可靠度。優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 密封結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of the sealing structure

3.3 爐膛外表面節(jié)能優(yōu)化

焙燒爐為高溫設(shè)備，其外表面散熱損失是主要熱能損失之一，因此，提高爐膛保溫材料的性能，減少散熱是提高爐效的關(guān)鍵。

保溫爐膛外表面的溫度設(shè)計(jì)值為≤60 ℃，散熱損失為3%～5%，熱損失較大，有效的降低該熱損失，可進(jìn)一步提高焙燒爐熱效率。

近年發(fā)展起來的隔熱保溫涂料是一種從傳熱機(jī)理出發(fā)，有的放矢地降低熱量在基材中傳遞的新型功能涂料。與傳統(tǒng)保溫材料相比，隔熱保溫涂料保溫效果優(yōu)異，若干毫米的厚度就能達(dá)到傳統(tǒng)保溫層(100～200) mm厚度的保溫效果。阻隔型隔熱保溫涂料是一種具有高附著力、低熱導(dǎo)率的真空納米材料，其熱導(dǎo)率通?！?.035 W·(m·K)-1，甚至可達(dá)到0.001 2 W·(m·K)-1,參數(shù)如表1所示。

表1 阻隔型保溫涂層性能參數(shù)

在現(xiàn)有設(shè)備外表面噴涂阻隔型保溫涂料后，外表面溫度實(shí)測可降低至低于45 ℃，實(shí)施后照片如圖6所示。

圖6 隔熱保溫涂料現(xiàn)場實(shí)施照片F(xiàn)igure 6 Field application picture of heat insulation coating

4 運(yùn)行結(jié)果

裝置改造前后運(yùn)行結(jié)果對(duì)比見表2所示。由表2可以看出，建立的電焙燒爐熱效率計(jì)算模型，計(jì)算模型與運(yùn)行結(jié)果吻合，偏差不超過2.5%，通過操作參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，焙燒爐熱效率由原來的81.7%提高到85.7%，與舊爐相比，每年節(jié)約電能338 400 kW,年節(jié)約運(yùn)行成本21.05萬元，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 改造前后運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

①序號(hào)一：改造前焙燒爐熱效率；序號(hào)二：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改變操作條件后熱效率；序號(hào)三：增加外表面節(jié)能措施后熱效率；

②每年節(jié)約電能及節(jié)約運(yùn)行成本是將焙燒爐處理量折算到相同水平后進(jìn)行比較，年運(yùn)行時(shí)間8 000 h,電價(jià)按照0.622 元·kWh-1計(jì)算；

③計(jì)算模型與實(shí)測偏差=(計(jì)算功率-實(shí)測功率)÷實(shí)測功率

5 結(jié) 論

(1)本文建立了電熱式焙燒爐熱效率計(jì)算模型，計(jì)算模型與實(shí)測結(jié)果的偏差不超過2.5%，具有工業(yè)化指導(dǎo)意義。

(2)分析了電焙燒爐的引風(fēng)量、操作壓力、密封結(jié)構(gòu)等影響因素對(duì)熱效率的影響，優(yōu)化了焙燒系統(tǒng)操作參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)。

(3)通過在保溫爐膛外表面噴涂阻隔性保溫涂料，降低了熱導(dǎo)率，從而達(dá)到降低熱損失的目的。

(4)通過節(jié)能優(yōu)化手段，焙燒爐熱效率由原來的81.7%提高到85.7%，年節(jié)約運(yùn)行成本21.05萬元，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。