高溫納米陶瓷涂層在加熱爐爐管上的應(yīng)用

(中化泉州石化有限公司設(shè)備部,福建 泉州 362103)

石油化工行業(yè)屬于高能耗企業(yè)，而加熱爐則是石化企業(yè)中消耗燃料的主要設(shè)備，其能耗約占一半以上[1]，因此，提高加熱爐熱效率，對(duì)降低石化企業(yè)總能耗具有非常重要的意義。提高熱效率最直接有效的辦法就是提高爐管及預(yù)熱器的傳熱效率。目前加熱爐一般都是按照共用聯(lián)合煙道來(lái)設(shè)計(jì)，單臺(tái)加熱爐停工其聯(lián)合煙道上的預(yù)熱器是無(wú)法切出檢修改造的。借鑒了其他煉化企業(yè)的加熱爐節(jié)能經(jīng)驗(yàn)后，在2018年8月渣油加氫裝置Ⅱ系列停工換劑檢修期間，反應(yīng)加熱爐F101-Ⅱ爐管采用了高溫納米陶瓷涂層的噴涂技術(shù)，以提高爐管表面黑度和傳熱效率，進(jìn)而提高加熱爐熱效率。

1 陶瓷涂層技術(shù)

噴涂技術(shù)是一種表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，通過(guò)在金屬基體表面噴涂一層涂層，使金屬具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。采用陶瓷涂層噴涂技術(shù)，在金屬基體上制備陶瓷涂層，能把金屬材料的特點(diǎn)和陶瓷材料的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的綜合性能，從而使得噴涂技術(shù)迅速?gòu)母呒舛祟I(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用到能源、石化和機(jī)械等領(lǐng)域[2]。

F101-Ⅱ陶瓷涂層技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

高溫陶瓷涂層的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)抗沾污結(jié)渣，即減少受熱面表面燃燒副產(chǎn)物的積聚；

(2)耐高溫腐蝕;

(3)提高傳熱能力；

(4)降低高溫下的金屬基材氧化；

(5)改善受熱面溫度均勻性；

(6)降低飛灰對(duì)爐管的沖刷；

(7)減少氮氧化物等污染物的排放。

表1 高溫納米陶瓷涂層技術(shù)參數(shù)

陶瓷涂層與金屬基材通過(guò)機(jī)械與化學(xué)鍵的方式進(jìn)行結(jié)合，見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)：截面上部為陶瓷涂層，下部為金屬基材，過(guò)渡部位為硅-氧-鐵。陶瓷涂層具有可調(diào)膨脹系數(shù)的特性，使其擁有接近金屬基材的熱膨脹系數(shù)。所以，陶瓷涂層具有更好的抗熱震能力，附著力強(qiáng)而不易開裂。

圖1 陶瓷涂層與基材結(jié)合截面圖

2 參數(shù)對(duì)比和分析

2.1 燃料氣消耗量

在渣油加氫Ⅱ系列換劑結(jié)束且運(yùn)行正常后，在中控操作臺(tái)上對(duì)加熱爐F101-Ⅱ噴涂前和噴涂后的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行在線取值，并進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。為方便比較，取值時(shí)特意要求F101-Ⅱ在噴涂前和噴涂后其爐進(jìn)、出口溫度和進(jìn)料量(包括原料油和混氫量)基本保持一致，以保證加熱爐的運(yùn)行熱負(fù)荷在噴涂前后基本保持一致，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 F101-Ⅱ噴涂前、后DCS相關(guān)參數(shù)對(duì)比

從表2可以看出，在加熱爐進(jìn)、出口溫度及進(jìn)料量(包括原料油和混氫量)基本保持一致的情況下，F(xiàn)101-Ⅱ噴涂后所消耗的燃料氣量與噴涂前相比有較為明顯的降低(由642 m3/h降低約為572 m3/h)。

2.2 噴涂前后爐膛溫度對(duì)比

噴涂前后爐膛溫度對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 F101-Ⅱ噴涂前、后爐膛溫度對(duì)比

從圖2可以看出，噴涂后F101-Ⅱ爐膛溫度有較為明顯的降低，4個(gè)爐膛溫度點(diǎn)均有不同程度的降低，其中B爐膛最大溫度降幅達(dá)到了38 ℃。

2.3 爐管外壁溫度對(duì)比

噴涂前后爐管外壁溫度對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，噴涂后F101-Ⅱ爐管外壁溫度較噴涂前有不同程度的升高，說(shuō)明爐管外壁涂層的傳熱效率有所提高。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加熱爐F101-Ⅱ在基本相同的熱負(fù)荷(進(jìn)出口溫度及進(jìn)料量基本一致情況)下，噴涂后與噴涂前相比，加熱爐爐膛溫度有較為明顯的降低(最大降幅38 ℃左右)，而爐管外壁溫度則有不同程度的升高，所消耗的燃料氣量也有比較明顯的降低。這說(shuō)明爐管外壁涂層的傳熱效率有較大提高。而這還是在噴涂后加熱爐的進(jìn)料量205 t/h高于噴涂前200 t/h的情況下。

圖3 F101-Ⅱ噴涂前、后爐管外壁溫度對(duì)比

2.4 排煙溫度及熱效率

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還邀請(qǐng)專業(yè)加熱爐檢測(cè)公司對(duì)F101-Ⅱ的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和復(fù)核，主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

噴涂后(2018年9月)空氣預(yù)熱器出口測(cè)試排煙溫度為121.3 ℃，DCS顯示排煙溫度為120.9 ℃，排煙溫度的實(shí)測(cè)值與DCS顯示基本一致。噴涂前(2017年9月)2315-F101-Ⅱ加熱爐的排煙溫度為131.3 ℃，DCS顯示排煙溫度為129.4 ℃。噴涂后比噴涂前2315-F101Ⅱ加熱爐的排煙溫度有明顯下降(同期對(duì)比下降了約10 ℃)。噴涂后實(shí)際檢測(cè)計(jì)算得出的熱效率為93.10%,噴涂前2017年9月份F101-Ⅱ熱效率為92.12%，同期的熱效率提高0.98個(gè)百分點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。

表3 F101-Ⅱ噴涂前后排煙溫度、熱效率對(duì)比

圖4 F101-Ⅱ噴涂前、后熱效率對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)加熱爐F101-Ⅱ爐管外壁噴涂高溫納米陶瓷涂層后，排煙溫度有顯著下降，與同期對(duì)比下降了約10 ℃左右，爐子的熱效率提高了0.98個(gè)百分點(diǎn)。

(2)F101-Ⅱ爐管材質(zhì)為TP347H，屬奧氏體不銹鋼，停工期間爐管容易產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。爐管噴涂高溫陶瓷納米涂層后，就可以起到爐管外壁隔離和防護(hù)作用，可有效防止?fàn)t管連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，也節(jié)省了停工爐管中和清洗的費(fèi)用。