林氏墻在工業(yè)高溫加熱爐中的應用及節(jié)能分析

林文豪 王家楣 王欣明 安俊來

（1日上（蘇州）輕化紡科技有限公司 江蘇蘇州 215129 2蘇州哈雅西節(jié)能科技有限公司 江蘇蘇州 215129 3遼陽石化有限公司烯烴廠 遼寧遼陽 111000 4卓尚金源（天津）節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?天津 300000）

引言

工業(yè)高溫加熱爐墻內(nèi)襯要求斷熱性能好，目前多采用陶纖棉、耐火磚、澆注料等材料。陶纖棉的斷熱性能優(yōu)秀，但其缺陷也突出，即析晶粉化和吸熱性能低（輻射性能差）。爐內(nèi)溫度達800度之上，傳熱以輻射為主，例如乙烯裂解爐內(nèi)傳熱以輻射為主導，因而若在保證斷熱性能條件下提高爐內(nèi)壁輻射傳熱性能，對爐子的熱效率起到積極作用，即可以實現(xiàn)節(jié)能。有關裂解爐的節(jié)能降耗問題，大量文獻給出從不同角度采用不同解決思路，不同節(jié)能技術，以及不同生產(chǎn)運行管理方法[1，2，3，4，5]。裂解爐燃燒熱中約42%在輻射段提供反應熱和升溫,約51.5%在對流段被回收,約1.5%為熱損失,其余為排煙損失[1]。文獻6指出輻射段襯里老化，爐膛襯里有脫落的現(xiàn)象，外表面溫度高，散熱損失大。在眾多節(jié)能技術中，節(jié)能涂料的應用始于三十多年前，目前仍有應用，用戶證實確有節(jié)能效果。崔俊華[7]在某裂解裝置輻射段墻體上實施了襯里表面涂覆層黑體涂料，可以強化爐膛內(nèi)的傳熱效果，是一種基于黑體技術的改進形式?？傮w上爐子改造后，爐外壁溫度變化較小，對流段及煙氣溫度有所下降，裂解爐橫跨溫度下降達39oC；相同負荷條件下，燃料氣消耗下降6.88%，SS產(chǎn)量下降4.1%，煙氣量下降也使風機負荷有所下降。輻射段的傳熱明顯得到了強化,上移對流段的熱量減少。按熱值折算，扣除SS產(chǎn)量下降的損失部分，節(jié)省的燃料用量可達4.65%。

盡管節(jié)能涂料被證實節(jié)能效果明顯，但涂層容易脫落。節(jié)能涂層脫落的根本原因是陶纖棉墻體粉化，導致粉化的墻體表層應力喪失殆盡，沒有應力支撐的涂層難免脫落。節(jié)能涂層大多只能維持幾個月不脫落，最好的情況維持一年左右，節(jié)能涂料的這一缺陷使得用戶逐漸減少。針對有效節(jié)能涂層容易脫落問題，設計一種工業(yè)高溫加熱爐的爐墻內(nèi)護襯，即林氏墻，模擬實驗結果以及工程使用案例的跟蹤檢測顯示節(jié)能效果明顯，克服了直接在陶纖棉前提上噴涂節(jié)能涂料容易脫落的弊病，延緩陶纖棉墻體的析晶粉化進程，有效延長爐墻使用壽命。

1 林氏墻的設計理念

陶纖棉的使用壽命較短。在980℃左右，陶纖棉析晶粉化出現(xiàn)。在1000-1300℃之間隨溫度上升及受熱時間的推移，陶纖棉析晶粉化逐漸往深部發(fā)展，5年以上粉化層可達5-10公分厚呈積雪狀（見圖1），進而陶纖棉的抗拉強度、彈性、斷熱等物性等都發(fā)生嚴重劣化；陶纖棉模塊受熱縮冷脹的影響模塊體產(chǎn)生龜裂、變形；甚至坍塌等現(xiàn)象，嚴重影響爐子的安全運行。

陶纖棉斷熱性能強，但熱輻射性能差。對于以輻射傳熱為主的高溫爐墻，若采用陶纖棉模塊結構，因其表面的熱輻射系數(shù)低，與高溫爐輻射傳熱的環(huán)境不相適應，因而爐內(nèi)傳熱效率不高。

陶纖棉的析晶粉化是一大難題，目前未見公開文獻報道延緩陶纖棉粉化問題的研究。因陶纖棉墻體長期暴露在爐內(nèi)高溫熱流環(huán)境中，特別是在爐內(nèi)1150℃以上析晶粉化加劇。因此，為攻克直接在陶纖棉墻體上噴涂節(jié)能涂層容易脫落問題，解決陶纖棉墻體析晶粉化問題便成為研究的主要問題之一。若要從改善陶纖棉材料本身性能上進行研究，難度不言而喻，只能另辟蹊徑——避免陶纖棉墻體直接暴露在爐內(nèi)高溫熱流環(huán)境中！林氏墻就是在這種背景下，在實踐中逐步摸索，研制出來的產(chǎn)品。它具有節(jié)能，同時可以避免陶纖棉墻體直接暴露在爐內(nèi)高溫熱流環(huán)境中，可以延緩陶纖棉墻體析晶粉化進程，保持節(jié)能涂層的功效，還可有效實現(xiàn)高溫加熱爐使用壽命延長。

2 林氏墻的組件，性能及驗證

林氏墻是一種高溫加熱爐的爐墻內(nèi)護襯，由具有高輻射和強斷熱性能的耐高溫復合陶瓷片和陶瓷釘組成（見圖2），復合陶瓷片由陶瓷基底和高熱輻射涂層（HBC）組成，陶瓷基體和陶瓷釘本身是由固化劑和斷熱材料粉末混合后制成型再高溫燒結，然后在陶瓷基底上單面噴涂輻射層。再進行高溫燒結成為復合陶瓷片。

復合陶瓷片的基底和陶瓷釘可耐1500℃的高溫，具有很強的耐熱震性能；覆蓋在陶瓷片表面的黑金屬高熱輻射涂層（HBC）在1150℃以上輻射率超過0.9，且可耐1660℃高溫。耐高溫陶瓷釘將復合陶瓷片固定在高溫加熱爐原有的墻體（陶纖棉、耐火磚等材料）上，鱗片樣分布在爐墻內(nèi)壁面上，形成爐墻內(nèi)護襯。合理的化學結構和力學設計使得林氏墻在爐內(nèi)高溫環(huán)境下融成整體，無法自行脫落，克服了直接在高溫加熱爐墻體上噴涂節(jié)能涂料而容易脫落的缺陷，為節(jié)能涂料的有效應用解決了重要的難題，參見圖3。

圖1 陶纖棉粉化

圖2 林氏墻組件

圖3 林氏墻安裝示意圖

（1）實驗室模擬驗證結果

為了解黑金屬涂層（HBC）以及林氏墻組件的性能，在實驗室制作小尺度加熱爐，分別進行了對比性模擬實驗。

黑金屬涂層（HBC）在實驗室模擬驗證結果:

模擬實驗爐的內(nèi)凈空為0.15m×0.15m×0.30m，爐墻材料采用1400#陶纖棉，爐內(nèi)升溫采用電阻加熱。爐內(nèi)布置兩個熱電偶測量爐內(nèi)溫度。涂料HBC直接噴涂在1400#陶纖棉墻體內(nèi)壁上形成金屬涂層HBC，分別對爐墻內(nèi)壁有、無黑金屬涂層HBC的對比性模擬實驗，實驗結果見圖3。圖中顯示當爐內(nèi)達到1400oC時，有、無HBC涂層升溫總耗時分別為65.08分和87.35分，即在電壓、電阻等條件不變，當爐溫達到相同時耗時減少，也就是耗電量減少，表明HBC涂層能實現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)計算，當爐內(nèi)工作溫度為1200℃時，節(jié)能率可達到12%。圖中顯示：有、無黑金屬涂層HBC的耗電曲線在溫度為1000℃附近形成交叉，這表明1000℃以上爐內(nèi)以輻射傳熱為主，HBC涂層發(fā)揮其高輻射性能的優(yōu)勢。圖中表明在爐內(nèi)溫度相同條件下，有黑金屬涂層HBC時耗電減少，即HBC涂層能實現(xiàn)節(jié)能。HBC涂層可以節(jié)能的根本原因是黑金屬涂層具有高輻射性能，HBC涂層恰好彌補了陶纖棉材料低輻射性能的弱點。經(jīng)多次重復實驗，實驗結果重復性很好，HBC涂層黑度也沒發(fā)生變化，表明HBC涂層的穩(wěn)定性也很好。

林氏墻組件在實驗室的模擬驗證結果：

實驗模擬爐的內(nèi)凈空0.38m×0.42m×0.52m，爐墻材料為1400#陶纖棉，在陶纖棉爐墻內(nèi)側安裝林氏墻組件，采用電加熱方式升溫，分別在爐內(nèi)和復合陶瓷片背面布置熱電偶，用于測量溫度，進行爐墻內(nèi)壁有、無復合內(nèi)護襯的對比性模擬實驗，參見圖4。實驗結果顯示當250℃＜爐內(nèi)溫度＜1250℃時，陶瓷片背面溫度低于爐內(nèi)溫度100～300℃，此溫差為延緩陶纖棉的老化作出了貢獻，同時陶瓷片的隔絕作用避免了陶纖棉爐墻直接暴露于高溫燃氣氛圍下，為延緩陶纖棉的老化作出的又一貢獻。經(jīng)多次重復試驗，實驗結果重復性很好，未見HBC涂層開裂或從陶瓷基體上脫落，黑度也沒發(fā)生變化。

圖4 有、無黑金屬涂層耗電對比實驗結果

圖5 林氏墻熱阻抗實驗

（2）林氏墻的應用案例簡介

林氏墻已有多個應用實施案例，現(xiàn)以中石化旗下某H-112裂解爐為例：

2013年1月底，該爐輻射段墻體嚴重粉化，急需更換陶纖棉墻體。在對H-112裂解爐

爐輻射段內(nèi)壁進行了維修（未更換陶纖棉墻）后，進行了節(jié)能涂料施工，運行半年后發(fā)現(xiàn)有脫落現(xiàn)象又加裝了林氏墻投入運行生產(chǎn)。節(jié)能涂料施工后大幅度改善了裂解爐的運行狀態(tài)，施工前爐外壁溫度在95℃左右，施工后該處溫度下降至87℃；橫跨段溫度由630℃下降至590℃；排煙溫度由145℃下降至127℃（參見表1）。

表1 節(jié)能施工前后裝置運行參數(shù)對照表

節(jié)能效果的驗證：

節(jié)能效果的計算采用如下公式：

節(jié)能率 =（B2-B1）/B1×100%

式中：B2為施工前的燃氣投放量（噸單耗），B1為施工后的燃氣投放量（噸單耗）。

條件是：施工前、后，裝置的工況相同，即同原料、同投料量、同工藝，進行對比考核計算節(jié)能率。

從加裝林氏墻前的2012年和之后的3年運行數(shù)據(jù)中，找出同工況條件下連續(xù)運行60天數(shù)據(jù)進行對比，如表2。表中顯示：節(jié)能率達4%以上。

表2 加裝雛形林氏墻前和施工后3年中60天同工況條件下考核節(jié)能率

裝置熱負荷改善的驗證：

H-112裝置加裝林氏墻后，跟蹤該裝置運行4年以上，用戶提供了施工前2年730天和施工后3年1100天的全部運行數(shù)據(jù)（經(jīng)簽字蓋章確認、計137頁），對大量數(shù)據(jù)進行總結分析，林氏墻施工不僅僅是節(jié)約燃氣，延長了墻體使用壽命，由于降低了裝置整體的熱負荷，改善了設備運行狀態(tài)，明顯減少了故障發(fā)生次數(shù)和天數(shù)、提高了在線運行率，間接增加了乙烯年產(chǎn)量。

圖6、圖7，圖8和圖9分別表示加裝林氏墻前后該裝置的燃氣負荷對比，加裝前投料NAP的3個長周期運行中有多處熱負荷超過設計允許值2.68T/h（達2.8T/h以上），周期后裝置出現(xiàn)故障大修；而加裝后，同樣投料NAP的5個長周期中最高熱負荷基本都在2.68t/h以下，設備故障率明顯減少。

圖6 加裝林氏墻前，3個NAP長周期燃氣熱負荷變化

圖7 加裝林氏墻后，5個65天以上NAP長周期燃氣量變化

圖8 H-112裝置加裝林氏墻前2年中燃氣投放量變化

圖9 H-112裝置加裝林氏墻后3年中燃氣投放量變化

經(jīng)統(tǒng)計加裝林氏墻的前2年和后3年中設備故障大修、在線運行率和平均年產(chǎn)量統(tǒng)計如下表3。

加裝林氏墻后，H-112裝置年均產(chǎn)量增加了，這只是一個間接結果。原因是加裝林氏墻后乙烯噸單耗以及裝置的燃料熱負荷下降，從而裝置的故障率下降，即便有故障發(fā)生，相比加裝林氏墻之前，年總維修天數(shù)下降了，也就是裝置的年有效運行天數(shù)相比增加了，即年在線運行率增加了，從而年產(chǎn)量增加了。簡言之，H-112裝置加裝林氏墻后，年均產(chǎn)量增加的原因是相比加裝前，年均有效運行天數(shù)增加所致。

表3 施工前后故障大修非投料運行對比

下列表4和表5是H-112裝置2011年-2015年每年的在線運行率和年產(chǎn)量比較。表明：從2013年節(jié)能施工后，在線運行率和年產(chǎn)量明顯上升。

結語

經(jīng)實驗室模擬實驗和應用案例分析驗證，得出林氏墻具有如下技術優(yōu)勢：

（1）林氏墻的節(jié)能優(yōu)勢：黑金屬HBC涂層因其輻射系數(shù)高，在高溫加熱爐中以輻射傳熱為主的環(huán)境中，有助于提升爐內(nèi)傳熱效果，模擬實驗結果顯示節(jié)能效果顯著；工程應用案例跟蹤顯示：在裝置運行工況相同條件下，加裝林氏墻前、后對比分析得出節(jié)能率3%～8%。

（2）林氏墻延緩陶纖棉墻體老化，增加高溫加熱爐使用壽命的優(yōu)勢：林氏墻鱗片樣分布在陶纖棉墻體內(nèi)壁上，實驗室模擬實驗顯示能有效降低陶纖棉墻體所處的環(huán)境溫度，避免陶纖棉墻體直接暴露在爐內(nèi)高溫熱流環(huán)境中，延緩陶纖棉墻體析晶粉化進程，有效實現(xiàn)高溫加熱爐使用壽命延長。另一方面，黑金屬HBC涂層覆蓋在不易粉化的耐高溫陶瓷片上，能有效保持節(jié)能涂層的長時間附著，解決了直接在陶纖棉墻體上噴涂節(jié)能涂層易脫落的難題。

該工程施工后已經(jīng)運行5年的結果顯示：陶纖棉墻體的使用壽命確實延長了，間接獲得墻體維修、更新所花費用和時間。