高溫納米陶瓷涂層在加熱爐爐管上的應用

(中化泉州石化有限公司設備部,福建 泉州 362103)

石油化工行業屬于高能耗企業，而加熱爐則是石化企業中消耗燃料的主要設備，其能耗約占一半以上[1]，因此，提高加熱爐熱效率，對降低石化企業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熱器的傳熱效率。目前加熱爐一般都是按照共用聯合煙道來設計，單臺加熱爐停工其聯合煙道上的預熱器是無法切出檢修改造的。借鑒了其他煉化企業的加熱爐節能經驗后，在2018年8月渣油加氫裝置Ⅱ系列停工換劑檢修期間，反應加熱爐F101-Ⅱ爐管采用了高溫納米陶瓷涂層的噴涂技術，以提高爐管表面黑度和傳熱效率，進而提高加熱爐熱效率。

1 陶瓷涂層技術

噴涂技術是一種表面強化和表面改性的技術，通過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，在金屬基體上制備陶瓷涂層，能把金屬材料的特點和陶瓷材料的特點有機地結合起來，獲得復合材料結構。由于這種復合材料結構具有優異的綜合性能，從而使得噴涂技術迅速從高尖端領域擴展應用到能源、石化和機械等領域[2]。

F101-Ⅱ陶瓷涂層技術參數見表1。

高溫陶瓷涂層的主要優點如下：

(1)抗沾污結渣，即減少受熱面表面燃燒副產物的積聚；

(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參數

陶瓷涂層與金屬基材通過機械與化學鍵的方式進行結合，見圖1。由圖1可見：截面上部為陶瓷涂層，下部為金屬基材，過渡部位為硅-氧-鐵。陶瓷涂層具有可調膨脹系數的特性，使其擁有接近金屬基材的熱膨脹系數。所以，陶瓷涂層具有更好的抗熱震能力，附著力強而不易開裂。

圖1 陶瓷涂層與基材結合截面圖

2 參數對比和分析

2.1 燃料氣消耗量

在渣油加氫Ⅱ系列換劑結束且運行正常后，在中控操作臺上對加熱爐F101-Ⅱ噴涂前和噴涂后的相關工藝參數進行在線取值，并進行橫向對比。為方便比較，取值時特意要求F101-Ⅱ在噴涂前和噴涂后其爐進、出口溫度和進料量(包括原料油和混氫量)基本保持一致，以保證加熱爐的運行熱負荷在噴涂前后基本保持一致，相關參數見表2。

表2 F101-Ⅱ噴涂前、后DCS相關參數對比

從表2可以看出，在加熱爐進、出口溫度及進料量(包括原料油和混氫量)基本保持一致的情況下，F101-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比

噴涂前后爐膛溫度對比見圖2。

圖2 F101-Ⅱ噴涂前、后爐膛溫度對比

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個爐膛溫度點均有不同程度的降低，其中B爐膛最大溫度降幅達到了38 ℃。

2.3 爐管外壁溫度對比

噴涂前后爐管外壁溫度對比見圖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，說明爐管外壁涂層的傳熱效率有所提高。

根據相關參數對比，發現加熱爐F101-Ⅱ在基本相同的熱負荷(進出口溫度及進料量基本一致情況)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、后爐管外壁溫度對比

2.4 排煙溫度及熱效率

為保證測量數據的準確性，還邀請專業加熱爐檢測公司對F101-Ⅱ的相關數據進行了現場檢測和復核，主要參數對比見表3。

噴涂后(2018年9月)空氣預熱器出口測試排煙溫度為121.3 ℃，DCS顯示排煙溫度為120.9 ℃，排煙溫度的實測值與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(同期對比下降了約10 ℃)。噴涂后實際檢測計算得出的熱效率為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個百分點(見圖4)。

表3 F101-Ⅱ噴涂前后排煙溫度、熱效率對比

圖4 F101-Ⅱ噴涂前、后熱效率對比

3 結 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，與同期對比下降了約10 ℃左右，爐子的熱效率提高了0.98個百分點。

(2)F101-Ⅱ爐管材質為TP347H，屬奧氏體不銹鋼，停工期間爐管容易產生連多硫酸應力腐蝕開裂。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作用，可有效防止爐管連多硫酸應力腐蝕開裂，也節省了停工爐管中和清洗的費用。