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高温加热炉内壁采用多晶莫来石纤维棉

文章出处:未知责任编辑:admin作者:admin人气: 发表时间:2017-03-08 16:53 字体大小:【
高温加热炉内壁采用多晶莫来石纤维棉
节约能源是认识的误区
                日上(苏州)轻化纺高科技有限公司  林文豪   (苏州  215129
江阴兴澄特种钢铁有限公司   兰俊   许 辉  (江阴  214429)    
前言:
 
在钢铁、石化、陶瓷企业中遇见很多高温加热炉(步进式热轧加热炉、台车式加热炉、锻造加热炉、乙烯裂解炉、陶瓷生产加热炉等等)的内壁表面都流行使用多晶莫来石纤维棉毡(简称:多晶棉)做内衬。比如国内某特钢企业锻造厂,其加热炉几乎全部都采用多晶棉做内衬。有些钢铁热轧加热炉的浇注料内壁表面也采用多晶棉做内衬(如下图)。在石化行业乙烯裂解炉中使用多晶棉做内衬也是非常普遍的(如下图)。如广东、江苏等乙烯裂解炉的辐射段基本都采用了这种内衬结构(如下图)。陶瓷行业;如广东地区有很多台车式加热炉都是采用这种结构(如下图)。据了解采用这种结构的主要理由是多晶棉保温断热性能好、采用它做内衬非常节能;我们经过多年的反复调研、科学实验和现场生产实践,得出与此观点完全不同的科学结论:本文就是通过具体的真实的实例、通过实施、过程跟踪、分析、论证、统计来证明一种科学的节能技术及材料的良好应用,打破人们传统的认识误区,达到科学节能之目的。
Preface/Introduction
  Currently, more and more enterprises in different industries (especially steel industry, petrochemical industry and ceramic industry) are commonly utilizing Polycrystalline cotton (Poly cotton) as an inner lining surface protective device to protect their high-temperature heating furnaces. Typically, there are many kinds of heating furnaces that are protected by polycrystalline cotton, such as walking beam furnace, forge furnace, ethylene cracking furnace, etc. In the steel industry, a special steel enterprise forging plant which located in China introduces the polycrystalline cotton as an inner lining material. Through testing and inspecting the heating process, they realize that polycrystalline cotton is definitely a good substitution. In addition, polycrystalline cotton also can be widely used in some hot rolling reheating furnaces. Likewise, polycrystalline cotton has been used commonly in petrochemical industry (See the chart below). Actually, many petrochemical companies in Jiang Su province and Guangdong province have already utilized the poly cotton as inner lining protective material in the radiant sections of their ethylene cracking furnaces. (See the chart as below) In the ceramic industry, Polycrystalline cotton lining structure is also playing an important role. For example, many companies in Guangdong province use this structure on their Car heating furnaces.
Some people may say the reason that most corporations positively promote the polycrystalline cotton lining structure is just because it has good performance on thermal insulation and heat preservation. Thus they use this structure for energy saving. With constant investigation, we get completely different scientific viewpoint against this standpoint. In this article, we introduce a pretty much reasonable energy saving technology and material application. In order to achieve scientific energy saving goal and help those people get rid of the traditional misunderstanding, we will use couple methods (implementing, analyzing, tracking, etc) to prove the viewpoint that we present as below.
 

  • 问题的提出
    从上述前言中,我们看出,在高温的加热炉的内壁使用多晶莫来石纤维棉做内衬的做法弊大于利;从技术角度上看;这是个误区,是不科学,这种做法应该予以否定,我们的理由是:
专业人士和从事这项工作的人知道:多晶莫来石纤维棉是由氧化铝和氧化硅所组成,其质地像石棉一样轻软、由于具有优秀的隔热保温性能,使其价格昂贵。但是多晶莫来石纤维绵在高温热风蚀的作用下容易粉化、使用寿命短,最致命弱点是辐射性能极差,在高温加热炉内使用这种材料浪费财力,不仅不会节能,而且会浪费能源。
 
 国内某石化企业--石化乙烯裂解炉         国内某特钢企业--台车式锻造炉

台车式锻造炉内衬多晶纤维棉             常见的多晶纤维棉模块
 
二、原因分析
  高温加热炉内壁表面必须要选用高黑度的材质!  
传导、对流及辐射是热传导的三种方式。而在工业加热炉之中如:陶瓷生产用辊道窑、隧道窑;钢铁行业的热轧加热炉、锻造加热炉、石化行业的乙烯裂解炉等等。我们使用高温加热加工生产产品时,我们加热的对象首先是庞大的炉子,通常,我们是将炉子加热升温到一定的温度并稳定维持这一温度后才将要生产的产品投入到炉子当中。随着炉体结构的不同,热传递方式多少有些差异,但是高温加热炉的热传递方式基本都是以辐射传导热能为主,而其热辐射能的大小,随着温度上升所占比例会急剧增大;在进入1100度以上的高温段时,热辐射在传热中将起绝对的支配作用,占全体热传导能的90%以上。所以如何设法提高炉子内壁的热辐射能力才是解决提高高温加热炉热效应的关键。
 
 
很多人都有一个错觉;认为只要炉子的保温性能好、热能保持在炉内就自然会被产品所接受,炉子就一定节能、热效应就一定高。由于多晶棉保温性能优秀就成了在高温加热炉内壁被大量采用多晶棉做内衬的误导根源。
我们认为;使用性能好的保温材料做炉壁,主要目的是解决减少加热炉散热损失的问题。炉子本身在原设计上采用的是耐火砖或者浇注料这类较比硬质且保温隔热性能优秀的材料,基本上是可以满足炉子的隔熱保温要求的。这种炉子的炉外表面温度一般在80-120度左右。炉顶部外表面温度在100度--200度。如果我们在这样的炉子内部加贴一层多晶棉,它带来的效益仅仅是进一步减少炉子的散热损失,减少的这一点散热损失完全可以从测量一下炉外墙表面温度在追加使用了多晶棉做内衬后下降了多少就可以计算出散热损失的减少量。炉子外壁表面温度下降几度而且是在80度-200度的低温范围内下降了几度,计算出的节能效果是微乎其微的。这个减少量比多晶棉昂贵的成本首先是不划算的;而且它在高温段由于其辐射性能差带来的排放损失增加量要远大于减少的那点散热损失。
根据实践检验;凡是保温性能好的物质,它对热的辐射性能都比较差,这可以说是大自然的一个规律。使用多晶棉做内衬最大的弊端是在于;由此会造成炉内壁的热辐射系数(即黑度)明显下降,一般耐火砖、浇注料的热辐射系数在0.6-0.7,而多晶棉的辐射系数在0.5-0.58。在高温1200度前后多晶棉的纤维受高温热蚀影响,自身从外向里逐步被粉化,这种被粉化的微珠粉尘的辐射系数极低,只有0.5左右,这给高温炉内壁对产品的辐射传热带来极大的障碍抗阻,使产品不能有效的接受辐射热能;增加了热能排放损失,造成浪费,而且温度越高浪费能耗越严重。
如果物质是不吸收热能的,那么它的热辐射的效果肯定很小。所以在以辐射传热为主的炉段内就必须要选用辐射系数较高的材质做内壁表面。
  • 加热炉节能的理论支持(热工学的基本理论4次方原理)
     著名的热工学辐射热4次方原理即斯蒂芬-波尔兹曼公式(Stefan-Boatman’s Law of Radiation) :
Eβ=δ(T/100)4  kcal/m2h   δ=4.88 kcal/m2hk4
Eω= εω×4.88×(Tω/100)4 kcal/m2hk4Eω= εω× 4.88 ×{           }4    
Tω=                ×  100 – 273
 
注: Eβ:黑体的全辐射热能    Eω:炉壁全辐射热能   
εω:炉壁全辐射率        Tω:炉内壁面温度
从上公式中可以知道:
炉壁全辐射热能Eω 和炉壁全辐射率εω  成正比关系。换句话讲,炉壁材质的辐射率越高,炉壁的全辐射热能就越强。
在这里我们选用多晶棉、浇注料或多晶耐火砖、日上黑金属覆盖层(HIKAMI  BLACK METAL COVERING LAYER简称:HBC)这三种材料做内衬进行比较。我们知道多晶棉在800度-1350度之间黑度系数是0.5—0.58;浇注料、多晶耐火砖在800度-1350度之间 黑度系数是 0.6—0.7;而HBC在800度-1350度之间黑度系数是0.9—0.96。
从以上理论分析;可以清楚的知道,选择黑度系数极低且强度极差的多晶棉在高温加热炉作内衬本身在热工理论上是完全行不通的。
 
 
我们再从热工学四次方计算公式中得知:
高/低温段在不同黑度的炉壁全辐射热能。
  炉壁全辐射热能Eω 炉墙表面黑度εω 炉内壁面温度Tω
(℃)
(kcal/m2h) (kJ/m2h)
 
高温段A
160816 672468 0.70(浇注料) 1200
110463 461912 0.52(多晶棉) 1200
220541 922214 0.96(HBC) 1200
160816 672468 0.96(HBC) 1088
110463 491912 0.96(HBC) 966
117206 490109 0.70(浇注料) 1088
低温段 B 19841 82967 0.70(浇注料) 600
14739 61633 0.52(多晶棉) 600
25794 197860 0.91(HBC) 600
19841 82967 0.91(HBC) 545
14739 61633 0.91(HBC) 486
(1300度   209137    874531KJ  1184  153941  475大卡/度  1986KJ/度)
⑴ 加热炉内壁为浇铸料时 :其辐射率为0.7,炉壁温度在1200℃时炉壁全辐射热能672,468 kJ/m2h。但在炉壁上施工HBC后,辐射率上升为0.96,炉壁全辐射热能升为922,214 kJ/m2h,被加工钢锭所要求的热能可以认定为是常数,即其时的炉壁全辐射热能为672,468 kJ/m2h,那么当辐射率升为0.96时,炉壁温度达到1088℃时向炉内的炉壁全辐射热能已经为672,468 kJ/m2h。
⑵ 在高温段A表中可知,施工HBC后由于辐射率从0.7→0.96,炉壁温度可以从1200℃降至1088℃,温度相差112℃。每平米每小时节能为即672468-490109=182359 kJ(平均每降低1℃可节能1628 kJ/m2h)。389大卡/度
在低温段 B表中可知,施工HBC由于炉壁辐射率从0.7→0.91时,炉壁温度从600℃降到545℃,下降温度55℃,每平米每小时节能为82967-63953=19014 kJ(平均每降低1℃可节能345 kJ/m2h)。82.5大卡/度
从上述计算可以很清楚的知道:炉子内壁温度从1300度下降1度和炉子外壁从100多度下降1度,虽然都是1度其能量差相差10倍以上。
 
四、在电炉中选用三种材料作内衬进行实证试验
我们在同一台电炉中分别对耐火砖和多晶棉以及HBC三种材料作炉内壁内衬在相同的条件下进行了多次的升温能耗模拟实证试验,得到大量实证数据,现举一组数据对比如下:
 
 
 
 
 
① 多晶莫来石纤维棉内衬电炉升温实验(2012年3月5日)
 
电压 电流 时  间 温  度 耗电 评比
220 20 6:30开始 常温   0.0794
220 20 65秒 200 0.0794 0.068
220 20 121/56 400 0.068 0.045
220 20 168/37 500 0.045 0.045
220 19 207/39 600 0.045 0.109
220 19 301/94 700 0.109 0.201
220 19 474/173 800 0.201 0.403
220 19 821/374 900 0.403 0.579
220 18 1347/526 1000 0.579 至1000度用1.53度电23分钟
220 18 1888/541 1100 0.595 0.595
220 18 2632/744 1200 0.818 0.818
220 18 3632/1000 1300 1.1 1.1
          再升1300度用2.51度43分钟
220 17 5241/1609 1400 1.672 再升1400度用1.67度29分半
    87分   5.712  
 
②多晶耐火砖内衬电炉升温实验(2012年3月4日)
电压 电流 时  间 温  度 总耗电 评    比
220 20 16:35开始 常温   0.141
220 20 115 200 0.141 0.096
220 20 193/78 400 0.096 0.071
220 19 254/61 500 0.071 0.0488
220 19 335/84 600 0.097 0.097
220 19 478/143 700 0.166 0.225
220 19 672/194 800 0.225 0.44
220 18 1027/355 900 0.39 0.478
220 18 1462/435 1000 0.478 至1000度用1.664度电24分22秒
220 18 2005/543 1100 0.597 0.597
220 18 2680/675 1200 0.742 0.742
220 17 3557/877 1300 0.911 0.911
220 17 5083/1526 1400 1.586 再升1300度2.25度电 用34分55秒
    84分43秒   5.5 再升1400度用1.586度25分26秒
 
 
 
 
③HBC内衬电炉升温实验(2012年3月5日)
电压 电流 时  间 温  度 总耗电 评比
220 20 22:00 常温   0.134
220 20 110 200 0.134 0.098
220 20 190/80 400 0.098         0.064
220 19 245/55 500 0.064 0.087
220 19 320/75 600 0.087 0.145
220 19 445/125 700 0.145 0.209
220 19 625/180 800 0.209 0.341
220 18 935/310 900 0.341 0.407
220 18 1305/370 1000 0.407 至1000度1.49度电 用21分45秒
220 18 1755/450 1100 0.495 0.495
220 18 2295/540 1200 0.594 0.594
220 17 2975/680 1300 0.706 0.706
220 17 3905/930 1400 0.966 再升1300度1.79 度电 27分50秒
    65分5秒   4.246 再升1400度用0.966度15分半
三种材料能耗分析对比表  

分析  从上表证实了如下的观点:
  1.    多晶莫来石纤维棉具有优秀的保温断热性能,因此在从常温升至600度比耐火砖和HBC都快,耗电也最低。
在钢铁加热炉预热段温度从常温升至600度左右 ,这段炉内的热量主要来自高温段热气流带来的热能,传热方式以对流传热和辐射传熱混杂,从低温向高温升温过程中对流传热由强至弱、而辐射传热由弱至强。在这个加热段内,多晶棉的保温性能发挥了优势,短时间内可以使炉温迅速上升。 所以在600度以下温度的炉内区域(如退火炉、热轧加热炉预热段不同分段区域中使用多晶棉应该讲比较合适。
  1. 进入600度以上温度段时,炉内的热传导以辐射传热为主,而多晶棉在1000度以上时其辐射系数随着温度的上升急剧下降0.56-0.52,比多晶耐火砖的辐射系数(在1000度左右时辐射系数在0.6—0.7前后)还要低,因此在600度以上高温区域中多晶棉耗电极大、费时也相当长。
我们知道乙烯裂解炉辐射段;钢铁热轧加热炉高温段、均热锻;高温锻造炉以及陶瓷辊道窑烧成段、隧道窑台车窑等高温炉中的大部分区域和运作时间都是在1100- 1330度左右的高温氛围气中进行,多晶棉在这段高温区域内只能起负面作用 。另外它本身使用寿命短暂(最多2年就要更换)、价格昂贵;又大量浪费热能还不如采用多晶莫来石耐火砖经济划算,因为这两种材料相比有近似的保温断热性能,但是耐火砖耐高温热腐蚀强度高、辐射系数也相对高一些、使用寿命显然也相对长一些。
在使用多晶棉作内衬的炉子其尾气排烟温度一般都相当高, 因此、炉子的热效率低,热能会大量的无效排放。炉壁受热形成高温同时要将热量辐射给被加工物,可是我们却给炉壁贴上了一层既不能吸受收热能也不能辐射热能的多晶棉,犹如给炉壁盖上一层棉被一样,严重的阻碍了辐射热能的传递,产品无法高效率的接受辐射热能,大量热能当然被白白的顺着排烟排放出去,这绝对是得不偿失、违背科学的做法!
3.     从三种内衬材料中可以看出HBC无论从升温时间和电耗都是最佳。 HBC本身具有极高的辐射系数。(在1100度—1350度高温区域内热辐射系数高达0.93-0.96)。所以如果从常温升到1300度,以多晶棉做内衬的电能耗为基数1, 则:多晶耐火砖内衬相对节能3.17%;HBC内衬相对节能 18.85%。
4.     采用HBC做内衬除了可以明显节能之外,由于HBC本身是重黑金属氧化铬铁镁粉为基础,添加特殊固化剂稀释剂等调制出来覆盖层(厚度在0.6-0.7MM)。炉温在1100℃时,被烧结成坚固的金属瓷釉状,和墙体断热保温材料紧密结合融为一体犹如金属盔甲保护层无法剥离。其金属般坚硬的质地,具有较高的强度 ,可有效地抗阻炉内高温热气流对断热材料及炉壳直接侵害,大幅度地延长了各种炉内壁的使用寿命。另外由于大幅度的提高了幅射热能,在投入相同热能的情况下可以利用过剩的热能,加快生产速度,提高产量,以获取更大的产出利润。 
五、 实际生产实例
①.在2010年12月中旬在某石化乙烯裂解炉XX号炉的辐射段进行了HBC的施工。
 乙烯裂解炉辐射段内壁3米以下采用多晶莫来石耐火砖3米以上部分采用多晶纤维棉

                                                                                            
 耐火砖表面施工HBC                            多晶棉表面施工HB
 
  这次我们是在多晶莫来石耐火砖(裂解炉内高3米以下部分)和多晶莫来石纤维棉表面(裂解炉高3米-16米部分)直接施工的HBC,结果出现了非常好的效果。在和相同工况条件的H-115进行对比考核得知节能高达3.48%,计算当年的节能投资回报率高达5倍左右。能够出现这样高的节能效果,其主要原因是裂解炉高温辐射段在3米以上至16米的高度大部分面积采用的是多晶莫来石纤维棉毡做内衬。在施工前进行炉内壁清理时,由于长时间抵抗热气流冲刷热蚀,纤维棉表面自身已经形成厚厚的一层微珠粉尘(以氧化硅成分为主)用手一摸像下雪一样纷纷飘落下来。就是这层微珠状粉尘,其辐射性能极差(高温时只在0.52左右),严重影响着炉子的热辐射传导。由于炉子的排烟温度很高相对炉子的热效率较低。而在多晶棉毡表面施工了日上黑金属覆盖层,就彻底改变炉内壁表面的辐射率,大幅度提高炉子的热效率取得了非常高的节能效果。但是我们十分担心多晶棉本身的内部连接强度太差,即多晶棉的层和层之间附着拉力非常小容易剥离分开,会影响HBC的使用寿命。
建议:现有的裂解炉辐射段的内壁全面取消多晶纤维棉,改用用多晶莫来石耐火砖作保温断热层,再在其表面施工HBC,这样的炉子内壁保温结构合理,使用寿命长;维修简单,炉子的热效率可以得到大幅度的提高。
② 2011年9月份在某钢厂第X轧钢分厂n#线加热炉进行了HBC的施工。
    这个加热炉浇注料炉墙的表面在一年前已经粘贴了十五公分厚的多晶棉内衬,损坏严重。打算在大修时侯重新更新多晶棉。在与我们技术交流后,客户接受了我们的建议,决定全面铲除掉多晶棉内衬,在浇注表面直接施工HBC.
 
铲除了多晶莫来石纤维棉后的浇注料                       施工了HBC的浇注料表面
施工后半年中,双方技术人员对炉子的生产状况进行了彻底全面记录跟踪,对施工后前一年和施工后4个月生产的三个品种(扁钢、圆钢、钢)的大量数据选择出相同工况条件下的可比能耗数据进行综合对比考核,得到的节能效果都是非常明显:
1 .扁钢节能 7%  
2. 圆钢节能 9.9%
3 .方钢节能 8.5%
总平均节能率:7.9% 一年节约231.3万元。工程施工费用不到50万元,当年的回报率接近5倍。
 
  • 结轮
  1. 消耗能源总量比较少,炉温最高温度在600℃以下,对节能效果要求不严格的炉子可以选用多晶莫来石纤维棉做内衬来实现保温功能。
  2. 消耗能源总量比较大,炉温最高温度在600℃以上,对节能效果要求严格的炉子,不能选用多晶莫来石纤维棉做内衬来实现节能效果,只能用新型的、辐射效果好的材料做内衬来实现节能效果。
  3. 任何宣传良好的节能材料都要经过现场实际应用、统计对比、试验的检验才能得出最终准确的结论!