石油焦煅燒高溫煙氣管道保溫結構分析

曹祥磊

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.河南華慧有色工程設計有限公司,河南 鄭州 450041)

石油焦煅燒是電解鋁用預焙陽極制備過程中的主要工序之一,目前,采用的煅燒設備主要有罐式煅燒爐、回轉窯和回轉床,其中國內主要采用罐式煅燒爐和回轉窯,回轉床在國外有應用[1～2]。罐式煅燒爐因其具有煅燒質量高、碳質燒損低、生產連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點, 以及在生產運行成本和投資成本上的優(yōu)勢, 越來越多的國內外業(yè)主采用罐式爐煅燒工藝生產煅燒焦[3～4]。

石油焦罐式煅燒爐煅燒帶溫度為1250～1350℃,爐體排出的煙氣溫度高達700～900℃[5]。根據(jù)石油焦罐式煅燒爐煙氣溫度及成分等特點,為了防止高溫煙氣直接接觸金屬管壁,導致金屬管道長期運行后發(fā)生碳化和變形,影響系統(tǒng)安全,高溫煙氣管道保溫通常采用內保溫,即將保溫材料敷設在金屬管內,起到耐火和隔熱的作用。

本文以石油焦罐式煅燒爐高溫煙氣管道為研究對象,介紹了石油焦煅燒余熱利用設備前高溫煙氣管道各種不同的保溫結構,分析了各種保溫結構的性能特點以及對煙氣管道外表面散熱損失和煙氣溫降的影響,為石油焦罐式煅燒爐煙氣管道保溫結構設計提供了參考和借鑒。

1 石油焦煅燒高溫煙道保溫結構

為回收石油焦罐式煅燒爐高溫煙氣的余熱,同時也滿足煙氣凈化對溫度的要求,目前國內炭素廠通常在煅燒爐出口煙道后設置余熱有機熱載體加熱爐、余熱鍋爐等吸收煙氣余熱并加以利用,煙氣溫度越高,余熱利用設備的效率越高。因此,需要采取有效措施,提高余熱利用設備進口煙氣溫度,煙氣管道進行保溫是減少散熱損失的最有效的方式之一[6]。高溫煙道采用內保溫結構,由外向內依次為煙氣管道、隔熱層、耐火層,采用不同的內保溫材料,其結構形式也有所不同,下面介紹在工程中經常使用的幾種內保溫結構。

1.1 高溫煙道采用耐火磚的內保溫結構

高溫煙道采用保溫棉+保溫磚+耐火磚的內保溫結構,保溫結構如圖1所示。其中,煙氣管道采用厚度為12 mm的Q235B鋼板卷制,與煙氣直接接觸部分采用厚度為230 mm的黏土質耐火磚,粘土質耐火磚屬于弱酸性耐火制品,能抵抗酸性熔渣和酸性氣體的侵蝕,熱性能好,耐急冷急熱。然后砌筑厚度為230 mm的黏土質保溫磚,粘土質保溫磚是氣孔率高、體積密度低、導熱率低的隔熱耐火材料,在保證一定強度的情況下,能夠有效減少煙道散熱量。緊貼煙氣管道內壁是一層厚度為50 mm的硅酸鋁棉氈,硅酸鋁棉氈具有質輕、耐高溫、熱容量小、隔熱性好、抗熱震性能好、質地柔軟等優(yōu)點,用于隔熱保溫結構時節(jié)能效果顯著。

圖1 保溫棉+保溫磚+耐火磚內保溫結構

1.2 高溫煙道采用耐火澆注料的內保溫結構

高溫煙道采用保溫板+耐火澆注料的內保溫結構,保溫結構如圖2所示。其中,煙氣管道采用厚度為12 mm的Q235B鋼板卷制,與煙氣直接接觸部分采用厚度為250 mm的黏土質致密耐火澆注料,黏土質耐火澆注料具有中溫強度高、熱態(tài)強度高、高溫下體積穩(wěn)定性好和耐剝落性強等特點。緊貼煙氣管道內壁是一層厚度為100 mm的耐火陶瓷纖維板,耐火陶瓷纖維板質地堅韌、耐壓強度高,具有優(yōu)越的耐高溫性能和優(yōu)良的支撐力。澆注料和耐火陶瓷纖維板通過錨固件固定在煙氣管道上,錨固件材質為Cr25Ni20,長度290～310 mm,布置間距200 mm。

圖2 保溫板+耐火澆注料內保溫結構

1.3 高溫煙道采用全纖維的內保溫結構

高溫煙道采用纖維毯+纖維模塊的內保溫結構,保溫結構如圖3所示。其中,煙氣管道采用厚度為8 mm的Q235B鋼板卷制,緊貼煙氣管道是一層厚度為50 mm的陶瓷纖維毯,然后是厚度為250 mm的陶瓷纖維折疊模塊,最后在修整平整的模塊表面噴涂一層厚度為3 mm的高溫熱防護涂料。高溫熱防護涂料是山東某公司生產的一種耐高溫、抗風蝕、防開裂的新型耐高溫涂料,陶瓷纖維折疊模塊導熱系數(shù)低、施工周期短、便于維護。

圖3 纖維毯+纖維模塊內保溫結構

2 石油焦煅燒高溫煙道煙氣溫降的理論計算

以某項目40罐石油焦罐式煅燒爐出口高溫煙氣為例,分析高溫煙道不同保溫結構的保溫性能。煅燒爐出口煙氣量約17,000 Nm3/h,煙氣溫度取850℃。煙氣成分:～5.9%CO2、～12%H2O、～9%O2、～72.9%N2、～5000 mg/Nm3SO2,～200 mg/Nm3顆粒物。石油焦煅燒煙氣與硅鐵礦熱爐煙氣(煙氣量約150,000 Nm3/h,煙氣溫度350～580℃,煙氣成分:～3%CO2、1%～2%H2O、5%～18%O2、75%～78%N2[6])相比,煙氣溫度已經超過普通碳鋼和高合金鋼的使用溫度限值,必須采用內保溫結構。同時,由于近幾年我國進口石油多為高硫原油,導致目前國內市場供應的石油焦硫含量均偏高[7],石油焦煅燒煙氣SO2含量高,需要采用耐酸腐蝕的內保溫材料,并確保內保溫材料的整體性和完整性,以防煙氣通過裂縫等滲漏至煙道外壁附近對鋼煙道及錨固件造成腐蝕,影響保溫材料壽命和煙道的安全運行。

項目所在地歷年最熱月平均氣溫取25.5℃,全年平均風速取2.7 m/s。高溫煙道煙氣流速一般取值為13～16 m/s,高溫煙道內徑取值為Φ1300 mm,高溫煙道外壁防燙傷溫度限值為60℃,煙氣管道可采用普通碳鋼材料,本文煙氣管道材質均采用Q235B鋼板。

2.1 煙氣溫降計算方法

石油焦煅燒高溫煙道煙氣溫降的理論計算采用《發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》(DL/T5072-2019)中相關公式[8],根據(jù)公式(1)～(5)計算出煙氣管道外表面散熱損失和外表面溫度,在外表面溫度滿足防燙傷要求的前提下,根據(jù)外表面散熱量推算出煙氣溫降。

煙氣管道外表面散熱損失計算:

(1)

煙氣管道外表面溫度計算:

(2)

煙氣管道外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算:

α=αn+αc

(3)

輻射傳熱系數(shù)計算:

(4)

對流傳熱系統(tǒng)計算:

(5)

式中:qL——煙氣管道線散熱損失,W/m;

ts——煙氣管道外表面溫度,取60℃;

t——高溫煙氣溫度,取850℃;

ta——環(huán)境溫度,取歷年最熱月平均氣溫,值為25.5℃;

α——煙氣管道外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);

αn——輻射傳熱系數(shù),αn=6.1W/(W2·K);

αc——對流傳熱系數(shù),W/(m2·K);

D0——高溫煙道內徑,mm;

D1——高溫煙道第一層內襯外徑,mm;

D2——高溫煙道第二層內襯外徑,mm,以此類推;

Dw——高溫煙道外徑,mm;

λ1——高溫煙道第一層內襯導熱系數(shù),W/(m·K);

λ2——高溫煙道第二層內襯導熱系數(shù),W/(m·K);

ε——煙氣管道黑度,ε=0.85;

W——室外全年平均風速,取值為2.7m/s;

2.2 煙道采用耐火磚的內保溫結構時煙氣溫降

計算

保溫棉采用硅酸鋁棉氈,導熱系數(shù)取0.056 W/(m·K),密度為128 kg/m3;保溫磚采用黏土質保溫磚,導熱系數(shù)取0.4 W/(m·K),密度為1000 kg/m3;耐火磚采用黏土質耐火磚,導熱系數(shù)取1.0 W/(m·K),密度為2000 kg/m3。

經過計算,煙道采用保溫棉(50 mm)+保溫磚(230 mm)+耐火磚(230 mm)的內保溫結構時,煙道外徑為2344 mm,外表面散熱損失2993.0 W/m,外表面溫度53.3℃,每10 m煙道煙氣溫降約4℃,管道總熱阻0.275 m·℃/W。

2.3 煙道采用耐火澆注料的內保溫結構時煙氣溫降計算

保溫板采用耐火陶瓷纖維板,導熱系數(shù)取0.065W/(m·K),密度為300 kg/m3;耐火澆注料采用黏土質致密耐火澆注料,最高使用溫度為1300 ℃,導熱系數(shù)取0.75 W/(m·K),密度為2100 kg/m3。

經過計算,煙道采用保溫板(100 mm)+耐火澆注料(250 mm)的內保溫結構時,煙道外徑為2024 mm,外表面散熱損失2442.4 W/m,外表面溫度51.3℃,每10 m煙道煙氣溫降約3℃,管道總熱阻0.338 m·℃/W。

2.4 煙道采用全纖維內保溫結構時煙氣溫降計算

纖維毯采用陶瓷纖維毯,正常使用溫度為1100℃,導熱系數(shù)取0.065 W/(m·K),密度為130 kg/m3;纖維模塊采用陶瓷纖維折疊模塊,正常使用溫度為1100℃,導熱系數(shù)取0.175 W/(m·K),密度為220 kg/m3;高溫熱防護涂料導熱系數(shù)取0.16 W/(m·K),密度為1300 kg/m3。

經過計算,煙道采用纖維毯(50 mm)+纖維模塊(250 mm)的內保溫結構時,煙道外徑為1922 mm,外表面散熱損失1862.5 W/m,外表面溫度46.1℃,每10 m煙道煙氣溫降約2.5℃,管道總熱阻0.443 m·℃/W。

3 石油焦煅燒高溫煙道不同保溫結構的選擇

3.1 高溫煙道保溫結構的選取原則

《發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》(DL/T5072-2019)中給出了保溫層材料的選擇原則:① 保溫材料及其制品的推薦使用溫度應高于設備和管道的設計溫度或介質的最高溫度;② 在保溫材料物理化學性能滿足工藝要求的前提下,應優(yōu)先選用熱導率小、密度小、造價合理、施工方便的保溫材料[8]?；谠撛瓌t,煙氣管道保溫結構選擇,應綜合考慮保溫材料理化性能、材料使用壽命、保溫材料價格、施工方式、煙氣管道支架及基礎荷載等各種因素。

3.2 高溫煙道不同保溫結構比較

高溫煙道不同保溫結構在管道材料價格、保溫性能、施工性能等方面具有較大差別。高溫煙道不同保溫結構綜合性能比較見表1,不同保溫結構的煙氣管道每米造價見表2。

表1 高溫煙道不同保溫結構綜合性能比較(表中數(shù)據(jù)僅供參考)

表2 不同保溫結構的煙氣管道每米造價(均為含稅價,表中數(shù)據(jù)僅供參考)

從表1、表2中可以看出,雖然煙氣管道采用不同保溫材料的單價差別較大,但每米造價差別不大,這是因為不同材料的耐火隔熱性能不同,為滿足防燙傷要求,材料用量相差較大。

耐火磚保溫結構是最早用于高溫煙道內襯的結構,因其材料導熱系數(shù)高,導致耐火隔熱材料用量及煙道外徑大,管道荷載也最大,施工周期長,給管道布置和施工均帶來困難。但耐火磚保溫結構使用壽命長,目前主要用在罐式煅燒爐本體集合煙道和出口煙道閘板附近的高溫煙道。

耐火澆注料保溫結構與耐火磚保溫結構相比,可采用機械化施工,對施工人員技術水平要求相對較低,施工比較便捷,目前廣泛用在罐式煅燒爐出口后的高溫煙道。但是其體積密度較大、絕熱性能較差、施工周期較長、使用壽命較短、維修更換難度較大。此外,管道荷載和管道直徑較大,管道布置和施工也比較困難。

全纖維保溫結構具有較低的導熱系數(shù),用于高溫煙道內襯可以減少煙道散熱,有較好的節(jié)能效果,同時具有較好的穩(wěn)定性和整體性。此外,因其密度小、重量輕、可預制,支撐結構及土建基礎均較小,從而使其施工高效便捷,施工周期短,施工費用低。目前在罐式煅燒爐出口至余熱利用設備入口間的高溫煙道上已有不少成功應用案例,總體運行狀況良好。

4 結 語

石油焦煅燒高溫煙道保溫結構直接影響煙道的沿程散熱損失和安全運行,目前高溫煙道保溫設計受到了炭素行業(yè)各參與方的普遍重視。煙道內襯總體上是朝著模塊化、輕量化發(fā)展的,針對傳統(tǒng)保溫材料的缺點,保溫材料廠家也相繼開發(fā)、應用了一些新型保溫材料和保溫技術,在減少散熱損失的同時達到了較好的整體性和穩(wěn)定性。

高溫煙道的保溫設計需要綜合多方面因素來考慮,不僅僅是保溫材料選擇和保溫厚度的計算,還要考慮保溫材料的安全穩(wěn)定性能、使用壽命、材料采購和工程實施的難易程度、工程工期等方面因素。由于每項工程條件不盡相同,在實際工程設計過程中還需要根據(jù)工程實際情況,結合一定的工程經驗或者是參考設計手冊來選擇保溫材料、確定保溫結構和保溫厚度,以此達到高溫煙道與主體設備匹配性好、散熱少、造價低、運行安全穩(wěn)定等目的。