石油焦煅烧高温烟气管道保温结构分析

曹祥磊

(1.中铝郑州有色金属研究院有限公司,河南 郑州 450041;2.河南华慧有色工程设计有限公司,河南 郑州 450041)

石油焦煅烧是电解铝用预焙阳极制备过程中的主要工序之一,目前,采用的煅烧设备主要有罐式煅烧炉、回转窑和回转床,其中国内主要采用罐式煅烧炉和回转窑,回转床在国外有应用[1～2]。罐式煅烧炉因其具有煅烧质量高、碳质烧损低、生产连续稳定等优点, 以及在生产运行成本和投资成本上的优势, 越来越多的国内外业主采用罐式炉煅烧工艺生产煅烧焦[3～4]。

石油焦罐式煅烧炉煅烧带温度为1250～1350℃,炉体排出的烟气温度高达700～900℃[5]。根据石油焦罐式煅烧炉烟气温度及成分等特点,为了防止高温烟气直接接触金属管壁,导致金属管道长期运行后发生碳化和变形,影响系统安全,高温烟气管道保温通常采用内保温,即将保温材料敷设在金属管内,起到耐火和隔热的作用。

本文以石油焦罐式煅烧炉高温烟气管道为研究对象,介绍了石油焦煅烧余热利用设备前高温烟气管道各种不同的保温结构,分析了各种保温结构的性能特点以及对烟气管道外表面散热损失和烟气温降的影响,为石油焦罐式煅烧炉烟气管道保温结构设计提供了参考和借鉴。

1 石油焦煅烧高温烟道保温结构

为回收石油焦罐式煅烧炉高温烟气的余热,同时也满足烟气净化对温度的要求,目前国内炭素厂通常在煅烧炉出口烟道后设置余热有机热载体加热炉、余热锅炉等吸收烟气余热并加以利用,烟气温度越高,余热利用设备的效率越高。因此,需要采取有效措施,提高余热利用设备进口烟气温度,烟气管道进行保温是减少散热损失的最有效的方式之一[6]。高温烟道采用内保温结构,由外向内依次为烟气管道、隔热层、耐火层,采用不同的内保温材料,其结构形式也有所不同,下面介绍在工程中经常使用的几种内保温结构。

1.1 高温烟道采用耐火砖的内保温结构

高温烟道采用保温棉+保温砖+耐火砖的内保温结构,保温结构如图1所示。其中,烟气管道采用厚度为12 mm的Q235B钢板卷制,与烟气直接接触部分采用厚度为230 mm的黏土质耐火砖,粘土质耐火砖属于弱酸性耐火制品,能抵抗酸性熔渣和酸性气体的侵蚀,热性能好,耐急冷急热。然后砌筑厚度为230 mm的黏土质保温砖,粘土质保温砖是气孔率高、体积密度低、导热率低的隔热耐火材料,在保证一定强度的情况下,能够有效减少烟道散热量。紧贴烟气管道内壁是一层厚度为50 mm的硅酸铝棉毡,硅酸铝棉毡具有质轻、耐高温、热容量小、隔热性好、抗热震性能好、质地柔软等优点,用于隔热保温结构时节能效果显著。

图1 保温棉+保温砖+耐火砖内保温结构

1.2 高温烟道采用耐火浇注料的内保温结构

高温烟道采用保温板+耐火浇注料的内保温结构,保温结构如图2所示。其中,烟气管道采用厚度为12 mm的Q235B钢板卷制,与烟气直接接触部分采用厚度为250 mm的黏土质致密耐火浇注料,黏土质耐火浇注料具有中温强度高、热态强度高、高温下体积稳定性好和耐剥落性强等特点。紧贴烟气管道内壁是一层厚度为100 mm的耐火陶瓷纤维板,耐火陶瓷纤维板质地坚韧、耐压强度高,具有优越的耐高温性能和优良的支撑力。浇注料和耐火陶瓷纤维板通过锚固件固定在烟气管道上,锚固件材质为Cr25Ni20,长度290～310 mm,布置间距200 mm。

图2 保温板+耐火浇注料内保温结构

1.3 高温烟道采用全纤维的内保温结构

高温烟道采用纤维毯+纤维模块的内保温结构,保温结构如图3所示。其中,烟气管道采用厚度为8 mm的Q235B钢板卷制,紧贴烟气管道是一层厚度为50 mm的陶瓷纤维毯,然后是厚度为250 mm的陶瓷纤维折叠模块,最后在修整平整的模块表面喷涂一层厚度为3 mm的高温热防护涂料。高温热防护涂料是山东某公司生产的一种耐高温、抗风蚀、防开裂的新型耐高温涂料,陶瓷纤维折叠模块导热系数低、施工周期短、便于维护。

图3 纤维毯+纤维模块内保温结构

2 石油焦煅烧高温烟道烟气温降的理论计算

以某项目40罐石油焦罐式煅烧炉出口高温烟气为例,分析高温烟道不同保温结构的保温性能。煅烧炉出口烟气量约17,000 Nm3/h,烟气温度取850℃。烟气成分:～5.9%CO2、～12%H2O、～9%O2、～72.9%N2、～5000 mg/Nm3SO2,～200 mg/Nm3颗粒物。石油焦煅烧烟气与硅铁矿热炉烟气(烟气量约150,000 Nm3/h,烟气温度350～580℃,烟气成分:～3%CO2、1%～2%H2O、5%～18%O2、75%～78%N2[6])相比,烟气温度已经超过普通碳钢和高合金钢的使用温度限值,必须采用内保温结构。同时,由于近几年我国进口石油多为高硫原油,导致目前国内市场供应的石油焦硫含量均偏高[7],石油焦煅烧烟气SO2含量高,需要采用耐酸腐蚀的内保温材料,并确保内保温材料的整体性和完整性,以防烟气通过裂缝等渗漏至烟道外壁附近对钢烟道及锚固件造成腐蚀,影响保温材料寿命和烟道的安全运行。

项目所在地历年最热月平均气温取25.5℃,全年平均风速取2.7 m/s。高温烟道烟气流速一般取值为13～16 m/s,高温烟道内径取值为Φ1300 mm,高温烟道外壁防烫伤温度限值为60℃,烟气管道可采用普通碳钢材料,本文烟气管道材质均采用Q235B钢板。

2.1 烟气温降计算方法

石油焦煅烧高温烟道烟气温降的理论计算采用《发电厂保温油漆设计规程》(DL/T5072-2019)中相关公式[8],根据公式(1)～(5)计算出烟气管道外表面散热损失和外表面温度,在外表面温度满足防烫伤要求的前提下,根据外表面散热量推算出烟气温降。

烟气管道外表面散热损失计算:

(1)

烟气管道外表面温度计算:

(2)

烟气管道外表面传热系数计算:

α=αn+αc

(3)

辐射传热系数计算:

(4)

对流传热系统计算:

(5)

式中:qL——烟气管道线散热损失,W/m;

ts——烟气管道外表面温度,取60℃;

t——高温烟气温度,取850℃;

ta——环境温度,取历年最热月平均气温,值为25.5℃;

α——烟气管道外表面传热系数,W/(m2·K);

αn——辐射传热系数,αn=6.1W/(W2·K);

αc——对流传热系数,W/(m2·K);

D0——高温烟道内径,mm;

D1——高温烟道第一层内衬外径,mm;

D2——高温烟道第二层内衬外径,mm,以此类推;

Dw——高温烟道外径,mm;

λ1——高温烟道第一层内衬导热系数,W/(m·K);

λ2——高温烟道第二层内衬导热系数,W/(m·K);

ε——烟气管道黑度,ε=0.85;

W——室外全年平均风速,取值为2.7m/s;

2.2 烟道采用耐火砖的内保温结构时烟气温降

计算

保温棉采用硅酸铝棉毡,导热系数取0.056 W/(m·K),密度为128 kg/m3;保温砖采用黏土质保温砖,导热系数取0.4 W/(m·K),密度为1000 kg/m3;耐火砖采用黏土质耐火砖,导热系数取1.0 W/(m·K),密度为2000 kg/m3。

经过计算,烟道采用保温棉(50 mm)+保温砖(230 mm)+耐火砖(230 mm)的内保温结构时,烟道外径为2344 mm,外表面散热损失2993.0 W/m,外表面温度53.3℃,每10 m烟道烟气温降约4℃,管道总热阻0.275 m·℃/W。

2.3 烟道采用耐火浇注料的内保温结构时烟气温降计算

保温板采用耐火陶瓷纤维板,导热系数取0.065W/(m·K),密度为300 kg/m3;耐火浇注料采用黏土质致密耐火浇注料,最高使用温度为1300 ℃,导热系数取0.75 W/(m·K),密度为2100 kg/m3。

经过计算,烟道采用保温板(100 mm)+耐火浇注料(250 mm)的内保温结构时,烟道外径为2024 mm,外表面散热损失2442.4 W/m,外表面温度51.3℃,每10 m烟道烟气温降约3℃,管道总热阻0.338 m·℃/W。

2.4 烟道采用全纤维内保温结构时烟气温降计算

纤维毯采用陶瓷纤维毯,正常使用温度为1100℃,导热系数取0.065 W/(m·K),密度为130 kg/m3;纤维模块采用陶瓷纤维折叠模块,正常使用温度为1100℃,导热系数取0.175 W/(m·K),密度为220 kg/m3;高温热防护涂料导热系数取0.16 W/(m·K),密度为1300 kg/m3。

经过计算,烟道采用纤维毯(50 mm)+纤维模块(250 mm)的内保温结构时,烟道外径为1922 mm,外表面散热损失1862.5 W/m,外表面温度46.1℃,每10 m烟道烟气温降约2.5℃,管道总热阻0.443 m·℃/W。

3 石油焦煅烧高温烟道不同保温结构的选择

3.1 高温烟道保温结构的选取原则

《发电厂保温油漆设计规程》(DL/T5072-2019)中给出了保温层材料的选择原则:① 保温材料及其制品的推荐使用温度应高于设备和管道的设计温度或介质的最高温度;② 在保温材料物理化学性能满足工艺要求的前提下,应优先选用热导率小、密度小、造价合理、施工方便的保温材料[8]。基于该原则,烟气管道保温结构选择,应综合考虑保温材料理化性能、材料使用寿命、保温材料价格、施工方式、烟气管道支架及基础荷载等各种因素。

3.2 高温烟道不同保温结构比较

高温烟道不同保温结构在管道材料价格、保温性能、施工性能等方面具有较大差别。高温烟道不同保温结构综合性能比较见表1,不同保温结构的烟气管道每米造价见表2。

表1 高温烟道不同保温结构综合性能比较(表中数据仅供参考)

表2 不同保温结构的烟气管道每米造价(均为含税价,表中数据仅供参考)

从表1、表2中可以看出,虽然烟气管道采用不同保温材料的单价差别较大,但每米造价差别不大,这是因为不同材料的耐火隔热性能不同,为满足防烫伤要求,材料用量相差较大。

耐火砖保温结构是最早用于高温烟道内衬的结构,因其材料导热系数高,导致耐火隔热材料用量及烟道外径大,管道荷载也最大,施工周期长,给管道布置和施工均带来困难。但耐火砖保温结构使用寿命长,目前主要用在罐式煅烧炉本体集合烟道和出口烟道闸板附近的高温烟道。

耐火浇注料保温结构与耐火砖保温结构相比,可采用机械化施工,对施工人员技术水平要求相对较低,施工比较便捷,目前广泛用在罐式煅烧炉出口后的高温烟道。但是其体积密度较大、绝热性能较差、施工周期较长、使用寿命较短、维修更换难度较大。此外,管道荷载和管道直径较大,管道布置和施工也比较困难。

全纤维保温结构具有较低的导热系数,用于高温烟道内衬可以减少烟道散热,有较好的节能效果,同时具有较好的稳定性和整体性。此外,因其密度小、重量轻、可预制,支撑结构及土建基础均较小,从而使其施工高效便捷,施工周期短,施工费用低。目前在罐式煅烧炉出口至余热利用设备入口间的高温烟道上已有不少成功应用案例,总体运行状况良好。

4 结 语

石油焦煅烧高温烟道保温结构直接影响烟道的沿程散热损失和安全运行,目前高温烟道保温设计受到了炭素行业各参与方的普遍重视。烟道内衬总体上是朝着模块化、轻量化发展的,针对传统保温材料的缺点,保温材料厂家也相继开发、应用了一些新型保温材料和保温技术,在减少散热损失的同时达到了较好的整体性和稳定性。

高温烟道的保温设计需要综合多方面因素来考虑,不仅仅是保温材料选择和保温厚度的计算,还要考虑保温材料的安全稳定性能、使用寿命、材料采购和工程实施的难易程度、工程工期等方面因素。由于每项工程条件不尽相同,在实际工程设计过程中还需要根据工程实际情况,结合一定的工程经验或者是参考设计手册来选择保温材料、确定保温结构和保温厚度,以此达到高温烟道与主体设备匹配性好、散热少、造价低、运行安全稳定等目的。