臥式回轉(zhuǎn)圓筒爐熱媒選擇與研究

羅金蓮

（長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南岳陽 414000）

在催化劑制備過程中，常采用先制備載體、焙燒成形、然后進(jìn)行改性、再焙燒干燥的工藝路線。制備的載體或催化劑如果不經(jīng)焙燒直接進(jìn)入下一工序，其強(qiáng)度、外觀尺寸、比表面及活性等物理化學(xué)性能均達(dá)不到產(chǎn)品要求。例如，在催化裂化催化劑制備過程中，經(jīng)噴霧干燥成型的催化劑顆粒中含有大量水分，直接進(jìn)行水洗會使催化劑發(fā)生“膠溶”現(xiàn)象，降低帶式濾機(jī)過濾效果，同時，催化劑的“膠溶”導(dǎo)致催化劑顆粒破損、收率降低、也影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，焙燒工序是催化劑制備中必不可少的重要一環(huán)。

焙燒單元設(shè)備依據(jù)其不同的工藝操作條件、不同的產(chǎn)品質(zhì)量要求所選的單元設(shè)備也不一樣，其相應(yīng)的系統(tǒng)配置情況也各不相同，本文重點(diǎn)對臥式回轉(zhuǎn)圓筒焙燒爐的熱媒選擇方式進(jìn)行研究。

1 基本原理及作用

將催化劑在不低于其使用溫度下，在空氣或惰性氣體氛圍中進(jìn)行熱處理，使其在熱處理過程中發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，從而得到理化性能符合要求的催化劑。

2 結(jié)構(gòu)形式

臥式回轉(zhuǎn)圓筒焙燒爐結(jié)構(gòu)形式及工作流程示意見圖1：

圖1 臥式回轉(zhuǎn)圓筒焙燒爐結(jié)構(gòu)圖（燃?xì)馐剑?/p>

臥式回轉(zhuǎn)圓筒焙燒爐主要由焙燒爐主體、加熱系統(tǒng)、爐膛保溫系統(tǒng)等三部分組成。

焙燒爐主體由稍作傾斜而轉(zhuǎn)動的長筒構(gòu)成，包括爐體、傳動系統(tǒng)、支承裝置、密封裝置、進(jìn)出料箱等組成。

加熱系統(tǒng)與熱媒種類有關(guān)，常用熱媒有燃料（包括水煤氣、天然氣、煉廠干氣等）和電。燃?xì)馐郊訜嵯到y(tǒng)由煙氣室、煙道、燃燒系統(tǒng)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，電爐加熱系統(tǒng)由電發(fā)熱管、開關(guān)柜、變壓器、配電室及溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，爐膛保溫系統(tǒng)隨爐型加熱方式不同而不同。

3 熱媒選擇與研究

3.1 熱媒選擇原則

熱媒選擇要滿足：方便易得、經(jīng)濟(jì)實用、清潔環(huán)保等原則。

由于可供選擇的焙燒爐熱媒種類較多，在設(shè)計時往往通過多方案比較來決定。

目前，在眾多的熱媒中，電是最方便易得且清潔環(huán)保的熱媒，其次是天然氣，本文以這兩種典型熱媒為代表，通過一個實例來說明如何對其進(jìn)行研究并選擇。

3.2 研究的前提

某催化劑制備企業(yè)焙燒爐進(jìn)出物料的基礎(chǔ)條件見表1。

表1 焙燒物料基礎(chǔ)條件

根據(jù)該催化劑的性能要求，其物料焙燒溫度在500～550℃，焙燒時間不得低于60min。對該單元工藝及設(shè)備進(jìn)行工藝計算、設(shè)備計算，并結(jié)合工程經(jīng)驗，得知該工藝過程所需有效熱負(fù)荷為81×104kcal/h、確定該爐設(shè)計尺寸為φ2 200×22 000，分為預(yù)熱段、升溫段、焙燒段、冷卻段共4段，各段長度視物料所需停留時間不同而不同，物料在爐內(nèi)總停留時間約為4h。

3.3 方案研究與比選

3.3.1 以天然氣為熱媒

（1）天然氣耗量確定

依據(jù)項目所在天然氣公司測得的天然氣組成數(shù)據(jù)可知天然氣的組成如表2所示。

表2 天然氣組成

天然氣低熱值：HL=8 083kcal/m3（標(biāo)）

經(jīng)工藝計算得出的有效熱負(fù)荷Q及天然氣的低熱值HL可求得天然氣理論耗量為G1。

實際上，由于天然氣的熱效率受如下因素的影響，其有效熱效率η通常在50%左右。影響天然氣熱效率的因素有：①燃燒時需要配置過量的助燃空氣，助燃空氣由環(huán)境溫度升到煙氣溫度需要消耗熱量；②離開焙燒爐煙道的煙氣溫度較高、會帶走大量的熱；③焙燒尾氣帶走的熱量；④焙燒爐及煙道外表面散熱損失。

故天然氣的實際耗量G2為：

（2）天然氣完全燃燒體積變化率確定

烴類完全燃燒反應(yīng)式為：

其中，n、m分別為烴類中C、H原子個數(shù)。

取100m3（標(biāo)）天然氣進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)計算，結(jié)果見表3。

表3 天然氣完全燃燒數(shù)據(jù)表

上表計算得知，每100m3（標(biāo)）天然氣進(jìn)行完全燃燒消耗200.988m3（標(biāo)）氧氣，生成301.46m3（標(biāo)）的水蒸氣和二氧化碳，其體積變化率△V為0.16%，可以認(rèn)為是等體積反應(yīng)，反應(yīng)前后標(biāo)準(zhǔn)體積不變。

（3）助燃空氣耗量G3確定

空氣中氧含量為21%，每100m3（標(biāo)）的天然氣完全燃燒需配置的助燃空氣量為：200.98/0.21=957m3（標(biāo)）

為保證天然氣完全燃燒，根據(jù)經(jīng)驗，取空氣過剩系統(tǒng)1.33，因此，

（4）燃燒煙氣體積確定

按焙燒時物料料溫550℃考慮，煙氣與爐筒內(nèi)物料之間為間壁傳熱，為保證焙燒效果，煙氣與物料之間必須有足夠的溫度差，如大于100～150℃，據(jù)此確定煙氣排出溫度為650～700℃，取700℃作為計算溫度。完全燃燒為等體積反應(yīng)，進(jìn)入燃燒室的天然氣與空氣的總標(biāo)準(zhǔn)體積即出燃燒室煙氣的標(biāo)準(zhǔn)體積，由理想氣體狀態(tài)方程PV/T=C（常數(shù)）即可推理出煙氣體積V（700℃、-200Pa）

（5）系統(tǒng)配置

以天然氣作熱媒時，焙燒爐相應(yīng)系統(tǒng)配置見表4。

表4 燃?xì)獗簾隣t系統(tǒng)主要配置表

3.3.2 以電為熱媒

（1）用電負(fù)荷確定

根據(jù)工藝計算得出的有效熱負(fù)荷Q及電的熱值換算關(guān)系θ可求得電的理論負(fù)荷W1：

實際上，采用電作熱媒時同樣存在熱損失，只是其損失量不如天然氣熱媒大，其有效熱效率η通常在75%左右。影響電熱效率的因素有：①電發(fā)熱元器件自身的發(fā)熱效率；②焙燒尾氣帶走的熱量；③焙燒爐及煙道外表面散熱損失；④電力輸送線路產(chǎn)生的損失。

故電的實際耗量W2為：

由于催化劑品種與所加工油品種類緊密相關(guān)，執(zhí)行一廠一劑的營銷模式，而催化劑制備采用零庫存生產(chǎn)管理，因此需要提高企業(yè)短時供貨能力，關(guān)鍵設(shè)備選型時需考慮足夠的富裕能力，設(shè)備選型時實際按1 900kW進(jìn)行配置。

（2）電源選擇

由于焙燒爐用電負(fù)荷較大，電源選擇時，優(yōu)先考慮自工業(yè)園區(qū)10kV高壓電網(wǎng)直接引接。經(jīng)高壓變電所（即總變）變換到6.3kV后送至低壓變電所（即區(qū)變），經(jīng)低壓變電所變換為0.4kV供電焙燒爐使用。

（3）系統(tǒng)配置

以電作熱媒時，焙燒爐相應(yīng)系統(tǒng)配置見表5。

表5 電焙燒爐系統(tǒng)主要配置表

3.3.3 方案比較

方案比較見表6。

表6 焙燒爐加熱方案比較

從表69可以看出，無論初始投資還是運(yùn)行費(fèi)用，燃?xì)馐奖簾隣t都比電焙燒爐經(jīng)濟(jì)。

3.3.4 研究結(jié)果

綜合考慮技術(shù)的成熟、可靠，生產(chǎn)的靈活、方便程度，以及設(shè)備的初始投入及運(yùn)行費(fèi)用，本項目選用一臺規(guī)格為φ2 200×22 000、以天然氣作為熱媒的臥式回轉(zhuǎn)焙燒爐。由于采用304SS作為爐筒材質(zhì)的使用極限溫度為815℃，天然氣燃燒后煙氣溫度可能超過這一溫度。隨著操作溫度的升高，材料的許用應(yīng)力急劇下降，作為轉(zhuǎn)動部件的爐筒剛度顯著減小，設(shè)備變形會影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此焙燒爐爐筒材質(zhì)選用耐高溫鋼Cr25Ni20。

5 結(jié)束語

對于焙燒爐熱媒的選擇，經(jīng)濟(jì)性是一個重要指標(biāo)，但不是唯一指標(biāo)，如采用天然氣作熱媒但燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉄o法利用而只能直接排空時，不但損失大量熱能，會造成大量熱污染；又或者項目所在地?zé)o法足量提供所需燃?xì)?、企業(yè)又沒有足夠渠道解決時，只好犧牲經(jīng)濟(jì)性采用更方便易得的電作熱媒了。