高 妍，張 帆，董清生，譚永鵬

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

煉油催化劑的活性組元中應用最廣泛的是Y型分子篩。目前，Y型分子篩生產(chǎn)多采用“二交一焙”工藝[1-2]，分子篩經(jīng)過一次交換、洗滌后成為含水量約30%的漿液狀態(tài)，需要進行旋閃預干燥和高溫焙燒處理[3-4]。其中干燥和焙燒是整個分子篩生產(chǎn)裝置中能耗較大的裝備，焙燒爐的熱效率直接影響催化劑產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，因此，建立爐效分析計算方法，研究焙燒爐的節(jié)能技術(shù)，對提高催化劑的市場競爭力及經(jīng)濟效益意義重大。

本文以某石化廠9 000 t·a-1的Y型分子篩裝置燃氣焙燒爐改造項目為依托，在現(xiàn)有燃氣焙燒技術(shù)基礎上，通過分析焙燒爐熱效率的影響因素，建立燃氣焙燒爐爐效分析方法，研究分子篩焙燒爐的節(jié)能技術(shù)。

1 焙燒爐爐效分析計算模型的建立

分子篩制備單元通常為旋閃干燥機與焙燒爐連用，即2臺焙燒爐尾氣以及爐膛熱煙氣作為一臺旋閃干燥機的熱源。因此，燃氣式焙燒爐熱效率需要與干燥單元綜合考慮，分別對整個系統(tǒng)、焙燒爐及旋閃干燥分別進行質(zhì)量和熱量衡算，由于計算過程繁瑣，參變量多，需要假設變量，反復試算，流程示意圖如圖1所示。

圖1 燃氣焙燒爐流程示意圖Figure 1 Flow chart ofgas-fired furnace

1.1 焙燒爐質(zhì)量衡算

焙燒爐質(zhì)量衡算為：

G1·(1-ω1)=Gc

W=G1-G2

式中，G1為焙燒爐進料量，kg·h-1；G2為焙燒爐出料量，kg·h-1；Gc為干基物料量，kg·h-1；W為焙燒揮發(fā)量，kg·h-1；ω1為焙燒爐進料濕含量，%；ω2為焙燒爐出料濕含量，%。

1.2 旋轉(zhuǎn)干燥機質(zhì)量衡算

旋轉(zhuǎn)干燥機質(zhì)量衡算為：

G’1·(1-ω’1)=Gc

G’2=G1

W’=G’1-G’2

式中，G1’為旋閃干燥進料量，kg·h-1；G2’為旋閃干燥出料量，kg·h-1；Gc為干基物料量，kg·h-1；W’為旋閃干燥揮發(fā)量，kg·h-1；ω1’為旋閃進料濕含量，%。

1.3 干燥-焙燒系統(tǒng)熱量衡算

干燥-焙燒系統(tǒng)熱平衡計算模型如圖2所示。

圖2 干燥-焙燒系統(tǒng)熱平衡計算模型Figure 2 Calculation mechanism for drying-calcination system

其中，公式(1)為：

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q損=ΔHc·(LR/ρR)·(1-ηR)·4.187+Q9

公式(2)為：

Q52+Q4+Q6+Q損2=(Lm1+LR+Lk)·ca(t2-t4)+(V+W+L蒸氣)·cF·(tF-t4)

公式(3)為：

Q1+Q2+(Lm1+LR+Lk)·ca·(t2-t0)+(V+W)·cF·(tF-t0)+L蒸氣·c蒸氣·(t2-t蒸氣)+Q損1=ΔHc·(LR/ρR)·(1-ηR)·4.187

式中，Q1為焙燒爐物料帶走熱量，kJ·h-1；Q2為焙燒爐濕分蒸發(fā)排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q3為漏入冷空氣及夾帶粉塵排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q4為旋閃干燥物料帶走熱量及濕份排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q5為混溫空氣排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q6為尾氣排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q7為天然氣升溫至尾氣溫度所需熱量，kJ·h-1；Q8為助燃空氣升溫至尾氣溫度所需熱量，kJ·h-1；Q9為過熱蒸氣降溫至尾氣溫度所放熱量，kJ·h-1；ρR為天然氣標況密度，kg·m-3；△Hc為天然氣熱值，一般為8 500 kCal·m-3；ηR為天然氣不完全燃燒率；Q損為系統(tǒng)總散熱損失，kJ·h-1；Q52為旋閃入口混溫空氣排出系統(tǒng)帶走熱量，kJ·h-1；Q損2為旋閃干燥部分散熱損失，kJ·h-1；Q損1為焙燒部分散熱損失，kJ·h-1；Lk為燃燒計算得到的助燃空氣消耗量，kJ·h-1，過剩系數(shù)取1.05；ca為煙氣比熱，kJ·(kg·℃)-1；t2為爐膛排煙溫度，℃；tF為焙燒爐尾氣出口溫度，℃；t4為系統(tǒng)尾氣排放溫度，℃；V為系統(tǒng)漏入冷空氣量，kg·h-1；L蒸氣為過熱蒸氣加入量，kg·h-1；cF為焙燒爐尾氣比熱，kJ·(kg·℃)-1。

其中，焙燒部分散熱損失包括：焙燒爐本體及煙道氣管線的散熱損失；旋閃干燥系統(tǒng)熱量損失包括：旋閃干燥機、布袋除塵器以及進出口管道的散熱損失，管道截至于布袋除塵器入口。

按照標準[6-7]計算散熱損失，一級測試計算。計算公式為：Q損=α·F·(tb-t0)

其中，F(xiàn)為設備或管道散熱表面積，m2；α為散熱系數(shù)，W·m-2·℃-1，為自然對流放熱系數(shù)及輻射對流放熱系數(shù)總和(由于焙燒爐在室內(nèi)，不考慮強制對流放熱系數(shù))；tb為設備或管道外壁溫，℃。

2 熱效率影響及節(jié)能優(yōu)化

2.1 焙燒爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改造

原焙燒爐使用10年以上，密封結(jié)構(gòu)老化，漏氣量嚴重，保溫材料失效導致熱損失量增加，同時燒嘴燃燒系統(tǒng)老舊，沒有燃燒控制系統(tǒng)，導致焙燒爐熱效率低。改造后的焙燒爐優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)，空氣漏入量大幅度降低，燃燒系統(tǒng)采用目前較為先進的氣調(diào)風比例控制方式，保證燃燒充分，提高了焙燒爐的熱效率。

2.2 爐膛混溫空氣量的影響

干燥焙燒系統(tǒng)的最終尾氣排放量中空氣量等于焙燒爐爐膛吸入的新鮮空氣量與旋閃干燥機入口混溫空氣量的總和，焙燒爐爐膛吸入空氣量等于焙燒爐所需的助燃風量時，焙燒過程不需要額外加熱冷空氣至焙燒所需溫度，此時最為節(jié)能，但此時爐膛煙道氣的溫度為～1 240 ℃，由于設備及管道材料使用溫度的限制以及分子篩焙燒溫度的要求，該溫度不適用于實際生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中通過爐膛補充冷空氣將爐膛溫度降低至700 ℃以下，補充空氣量多，爐膛溫度太低，排放煙氣量增加，熱量損失增加。

旋閃干燥為氣流干燥的一種，氣流干燥對進氣量有一定要求，在產(chǎn)能一定的情況下，進氣量太小，不能將物料充分干燥并帶出設備，因此干燥機入口也需要補充一定空氣，保證旋閃干燥的總進氣量。在總補充空氣量一定的情況下，排煙溫度越低熱效率越高，但排煙溫度低于110 ℃時不能達到干燥要求，因此，排煙溫度一般控制在約120 ℃，通過計算，當焙燒爐爐膛排煙溫度約600 ℃時，可滿足旋閃干燥機熱量需要，此時旋閃干燥排煙溫度(120～130) ℃。

2.3 爐膛內(nèi)表面節(jié)能

不同材料的光譜發(fā)射率如圖3所示。

圖3 不同材料的光譜發(fā)射率Figure 3 Spectral emissivity of different material

由圖3可知，高溫輻射能量大多數(shù)集中在(1～5) μm，一般的耐火材料在這一波段的發(fā)射率很低，而高發(fā)射率涂料(即高輻射率涂料)在(1～15) μm均具有穩(wěn)定的發(fā)射率，且均高于一般耐材的發(fā)射率。

通過對國內(nèi)外節(jié)能新技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，新型高輻射覆層材料可以提高爐膛內(nèi)表面發(fā)射率，從而提高爐膛輻射傳熱效率[8-9]。使用該類型的高輻射覆層材料可以起到提高爐膛向筒體側(cè)輻射傳熱的效率，減少煙氣帶走熱量，延長爐膛壽命的作用，同時，該覆層材料具有低的導熱系數(shù)，可降低散熱損失。從性能和成本方面綜合考察，最終確定適用于焙燒爐爐膛內(nèi)表面的覆層材料，性能如表1所示。

表1 爐膛內(nèi)表面覆層材料性能指標

2.4 內(nèi)筒體外表面節(jié)能

焙燒爐爐膛的熱量通過金屬內(nèi)筒體傳導給物料，但是高溫下的鋼鐵往往會出現(xiàn)氧化、腐蝕和結(jié)渣等問題，從而阻止熱量的傳遞，因此鋼鐵傳熱浪費是源頭浪費，是節(jié)能增效的根本[10-12]。在高溫金屬爐筒內(nèi)筒體外表面噴涂高發(fā)射率納米覆層后，筒體具有防氧化和防高溫腐蝕等優(yōu)異表現(xiàn)，是提高焙燒爐傳熱能力的有效途徑。選取適用于焙燒爐內(nèi)筒體的覆層材料，性能指標如表2所示。

表2 內(nèi)筒體覆層材料性能指標

續(xù)表

2.5 爐膛外表面節(jié)能

為減少焙燒爐外表面散熱損失，在爐膛外表面實施了阻隔性隔熱保溫型覆層，進一步降低爐膛外表面的溫度，減少散熱損失[13]。阻隔型隔熱覆層性能指標如表3所示。

表3 阻隔型隔熱覆層性能指標

3 運行結(jié)果

裝置改造前、改造后以及實施覆層技術(shù)后的運行結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，改造后分子篩焙燒爐熱效率由80.6%提高至84.1%，年節(jié)約運行成本33萬元。在此基礎上實施覆層技術(shù)，熱效率進一步提高至85.7%，較改造前，年節(jié)約運行成本41.54萬元。

表4 焙燒爐改造前后及實施覆層技術(shù)后的運行結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié) 論

(1) 建立了燃氣焙燒爐爐效分析計算模型，計算結(jié)果與運行結(jié)果偏差不超過±2.5%，具有工業(yè)化指導意義。

(2) 分析了爐膛混溫空氣量對熱效率的影響，優(yōu)化了焙燒爐密封結(jié)構(gòu)及工藝操作參數(shù)，提高了焙燒爐熱效率。

(3) 通過在保溫爐膛內(nèi)表面以及爐筒外表面噴涂不同性能納米高輻射覆層材料進一步達到提高焙燒爐熱效率的目的。

(4) 通過在保溫爐膛外表面噴涂阻隔性納米材料，降低了熱導率，從而達到降低熱損失的目的。

(5) 通過節(jié)能優(yōu)化手段，焙燒爐熱效率由原來的80.6%提高到85.7%，年節(jié)約運行成本41.54萬元，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。