高 妍，沈延順，張 帆，郭中山

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，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推進催化裂化技術向前發(fā)展，其在石油行業(yè)領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[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品的經濟效益和社會效益。研究焙燒爐的節(jié)能技術，提高催化劑的市場競爭力及經濟效益，符合國家產業(yè)政策，具有巨大的社會效益。

本文以某石化廠25 kt·a-1催化劑裝置電焙燒爐改造項目為依托，在現有的催化劑焙燒技術基礎上[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價方法，研究電焙燒爐的節(jié)能措施，實現催化劑制備過程的節(jié)能增效。

1 電焙燒爐結構

電焙燒爐示意圖如圖1所示，是采用電熱元件作為熱源進行間接加熱的回轉設備，主要由筒體、保溫爐膛、進出料箱、傳動、支撐等組成。電熱元件在保溫爐膛內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 熱效率計算模型

能量平衡是建立焙燒爐熱效率計算模型的基礎和依據，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。通過已知的設計參數如物料量G1，水分蒸發(fā)量W，物料比熱cs、焙燒溫度T1、尾氣溫度tF、尾氣引風量V1、風壓P1等，對焙燒爐有效能量(即被加熱介質從入口狀態(tài)加熱到出口狀態(tài)所吸收的熱量)及熱效率進行計算，計算過程如下：

(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為進料溫度，℃；T2為焙燒溫度，℃；G2為焙燒產品量，kg·h-1；GC為絕干產品量，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)設備外表面散熱損失(Q5)

設備外表面散熱損失計算參考標準SY/T 6421-1999進行計算。

Q5=α·F·(tb-t0)

式中，α為散熱系數，W·(m2·℃)-1，為自然對流放熱系數及強制對流放熱系數總和；F為設備散熱表面積，m2；tb為設備壁溫，℃。

(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(設備外表面散熱)，其中電阻絲損失熱Q6受電阻絲材質的限制，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 引風系統(tǒng)影響

在焙燒爐密封結構一定的情況下，為了排出焙燒尾氣，焙燒爐需在微負壓條件下操作，焙燒爐操作負壓越大，則冷空氣由密封結構漏入量越大，夾帶量也隨之增加，相應的Q3和Q4增大。在現有運行設備上，通過現場試驗測得數據，焙燒爐操作負壓對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壓，不利于焙燒物料中揮發(fā)分的析出，產品灼減量不達標。因此，在焙燒爐密封結構一定的條件下，考察操作壓力對產品灼減量的影響，結果如圖3所示。

圖3 焙燒爐操作壓力對產品灼減量的影響Figure 3 Effect of operating pressure on ignition loss

由試驗結果可知，焙燒爐操作負壓越大，筒體內部漏入的空氣量越多，產品出口濕含量越小，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，此時系統(tǒng)熱損失相對較小。

3.2 密封結構的影響

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

圖4 焙燒爐密封間隙對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，在引風機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設備的加工及裝配的精度是一個很大的挑戰(zhàn)。本文設計時，在原有密封段增加墊板，墊板在機床上進行整體機加工，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構，保證密封填料足夠的預緊力，以此增加填料密封效果和可靠度。優(yōu)化后的密封結構如圖5所示。

圖5 密封結構示意圖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鍵。

保溫爐膛外表面的溫度設計值為≤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、低熱導率的真空納米材料，其熱導率通常≤0.035 W·(m·K)-1，甚至可達到0.001 2 W·(m·K)-1,參數如表1所示。

表1 阻隔型保溫涂層性能參數

在現有設備外表面噴涂阻隔型保溫涂料后，外表面溫度實測可降低至低于45 ℃，實施后照片如圖6所示。

圖6 隔熱保溫涂料現場實施照片Figure 6 Field application picture of heat insulation coating

4 運行結果

裝置改造前后運行結果對比見表2所示。由表2可以看出，建立的電焙燒爐熱效率計算模型，計算模型與運行結果吻合，偏差不超過2.5%，通過操作參數及設備結構的優(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)約運行成本21.05萬元，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益。

表2 改造前后運行結果對比

①序號一：改造前焙燒爐熱效率；序號二：結構優(yōu)化、改變操作條件后熱效率；序號三：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)約運行成本是將焙燒爐處理量折算到相同水平后進行比較，年運行時間8 000 h,電價按照0.622 元·kWh-1計算；

③計算模型與實測偏差=(計算功率-實測功率)÷實測功率

5 結 論

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

(2)分析了電焙燒爐的引風量、操作壓力、密封結構等影響因素對熱效率的影響，優(yōu)化了焙燒系統(tǒng)操作參數及設備結構。

(3)通過在保溫爐膛外表面噴涂阻隔性保溫涂料，降低了熱導率，從而達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)約運行成本21.05萬元，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益。