高温远红外涂料在合成氨甲醇装置中的应用

周良军，宋 根，杜 程，徐成满，徐 波

（1.四川美青氰胺有限责任公司，四川射洪 629000；2.成都考特科技发展有限公司，四川成都 610041；3.四川高宇化工有限公司，四川邛崃 611535）

在以天然气为原料生产化肥及甲醇的装置，燃料消耗约占整个天然气消耗的三分之一左右。由于近年来天然气涨价趋势明显，化肥及甲醇生产成本不断提高，节能降耗更显重要。目前，由北京考特公司开发的一种高温远红外线节能涂料—— “KT高效节能强化剂”已用于众多化肥及甲醇生产企业的一段转化炉中，达到了很好的节能减排效果。该材料直接喷涂在一段转化炉内壁的耐火材料表面，可渗入耐火材料1～3mm，经高温处理，形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳，避免耐火材料表面与燃烧气流直接接触，使耐火材料免遭气流的冲刷和腐蚀，从而起到保护炉体和延长保温材料寿命的作用。并且，在一段炉辐射室内壁涂刷该材料，可强化炉膛内的辐射传热，提高一段炉的热效率，从而达到节省燃料的目的。

1 节能原理

1.1 高温远红外线涂料的节能原理

远红外线是一种具有强热作用的热感应能。它具有热感应、反射、穿透及磁核共振等功能。被远红外线加热的物体，一部分在物体表面反射，另一部分则穿过物体，再进行磁核共振。若红外线波长与被加热材料的分子振荡相匹配，被吸收转化成热能，其余波长的红外线则经透射或被反射。

高温远红外涂料是由强辐射材料组成的。高温下辐射远红外波，这些远红外波的穿透能力极强，能穿透被加热物体和燃料本身，使被加热物体里外同时受热。同时远红外波穿透燃料时，使燃料分子吸收远红外波而产生能级跃迁，释放能量，改变燃料的燃烧状态，使燃料充分燃烧。

远红外线辐射涂料节能的基本原理就是提高被加热介质表面吸收率，增大辐射能传递比例。为此，通常的做法是在被加热介质表面涂刷一层高吸收率材料或在炉壁涂刷一层高发射率材料。

高温远红外辐射涂料的节能机理体现在以下3个方面。

（1）增加炉内壁黑度（即增加发热率），增强加热炉内壁对热源传来热量吸收后的辐射传热，而反射部分相应减少，这部分热量很容易被燃烧产物（CO2和H2O等）吸收而随烟气排出炉外。加热炉内衬用耐火材料常温下的黑度一般为0.6～0.8，而一段炉内壁常用的耐火纤维，黑度仅0.3～0.4，随着炉温的升高黑度一般大幅度下降，而远红外辐射涂料能减缓这种下降，有时甚至可以使其升高。

（2）由于内壁的吸收和辐射作用，改变了炉内热辐射的波谱分布，将热源发出的间断式波谱转变成连续波谱，从而利于被加热物体吸收，减少被燃烧产物带走的热量。

（3）据维恩位移定律，随着温度的升高，辐射峰值波长会向短波段移动。又据普朗克定律计算可知，高温辐射能量大多集中在1～5μm波段，如1 000℃和1 300℃时，分别有76%和85%的辐射能量集中在这一波段内，而一般的耐火材料在这一波段的发射率很低，对高温辐射不利，高温远红外辐射涂料可以弥补这一不足。由于被加热物体在不同加热温度下所辐射的频率不一样，因此，选用与被加热物体相匹配的远红外辐射频率加热，可大大提高其加热效率，并能保证加热质量。

1.2 高温远红外线涂料在一段转化炉的节能作用

化肥及甲醇装置中为了加快一段转化炉转化反应的速度，一般采取改善催化剂化学活性的办法（在这方面目前已经取得很大的进展）。但这还不够，为了充分发挥催化剂的能力，还必须提供转化反应的热量，催化剂的活性越高，这方面的要求越突出。怎样才能加快传热速度呢？根据传热的基本方程式：

Q＝KF△t

式中，Q是传热量，K是传热系数，F是传热面积，△t是冷热流体的温差。

由于炉管材质的限制，最好不用加大温差的办法来加速传热。剩下的两个因素是传热面积和传热系数。

传热面积 采用较小的炉管，对于同样数量的催化剂来说，其传热面积就增加了。如果炉管内径由100mm改为71mm，相当于同样的催化，传热面积增加了40%，但离心浇注技术又限制炉管的下限为60mm。炉管的内径应根据炉型结构和操作条件并在全面评比最佳经济效益的基础上选择。

传热系数 管外主要依靠辐射传热，管内是气体强制流动给热。采用小直径管，管子和火焰的距离可以缩短，从而有利于辐射传热。另一方面，凯洛格炉管数虽多，但管径细，因此流通截面小，流速大，有利于传热。总的说来，凯洛格炉型采用小直径、高空速、高温度这几个特点，是互相依存的。

如前所述，“KT高效节能强化剂”产生的远红外波穿透能力极强，能穿透被加热物体，使被加热物体里外同时受热，使受热物体温度更加均衡。这样，在不提升转化管温度和同样的传热面积的情况下，转化管将会得到更多的辐射热量，满足为催化反应提供更多热量的要求，有利于加快转化反应速度，同时节省燃料。

2 高温远红外辐射涂料

“KT高效节能强化剂”是由北京考特公司开发的一种纳米多功能热辐射强化剂，这种纳米多功能强化剂具有如下特点。

（1）通过材料的复合化、超细化，产品具有超高的吸收率和发射率，高达0.93以上，处于世界领先水平。

（2）具有显著的节能效果，保护炉体，延长工业炉窑的使用寿命。

（3）加快制品的加热速度，提高制品加热的均匀性，降低产品烧损，提高产品质量。

（4）多功能热辐射强化剂经高温烧结后不脱落，具有很强的粘结性，能够长期使用。

（5）产品无毒无味，对人体无害，在使用和生产过程中无任何污染物质。

（6）由于减少了燃料的消耗，降低了炉内废气的排放量，具有显著的环保效益。

（7）使用方便、范围广，不改变炉膛结构，也无须改变用户操作工艺。

（8）采用独特的工艺技术，施工周期短，并可以长期（6个月以上）存放不分层。

该高温辐射涂料主要技术性能指标如表1所示。

3 实际应用情况

“KT高效节能强化剂”于2012年1月应用于四川美青氰胺有限责任公司的200kt／a合成氨系统的一段转化炉中。经过喷涂前后的考核对比，取得的效果主要如下。

表1 KT高效节能强化剂主要技术性能指标

3.1 炉外壁温度下降

表2 喷涂前后外壁温度变化情况 ℃

表2为一段转化炉辐射室内壁炉墙喷涂“KT高效节能强化剂”前后外壁温度变化情况。

从表2可以看出，在生产负荷及环境温度相同或相近的条件下，一段转化炉喷涂KT高效节能强化剂后，炉墙外壁温度有明显的下降，炉外壁温度总体平均下降了7.1℃。

3.2 燃料消耗降低

表3为一段转化炉辐射室内壁炉墙喷涂“KT高效节能强化剂”前后工艺参数对比。

表3 一段转化炉辐射室炉墙喷涂前后工艺参数对比

从表3可看出，一段转化炉喷涂KT高效节能强化剂后，吨氨燃料消耗量降低了26.03m3。

3.3 经济效益分析

四川美青氰胺有限责任公司一段转化炉使用KT高效节能强化剂后，吨氨燃料消耗量平均下降26.03m3，按年产150kt合成氨计，可节省天然气390×104m3左右。由于这部分节省的天然气用作原料气，在用气量与以前相同的条件下可多产合成氨约4 200t／a，同时可减少8 000t／a左右的二氧化碳排放，达到了节能减排的目的。

4 结 语

KT高效节能强化剂的主要技术要点是，提高一段转化炉墙内壁表面的黑度，喷涂后黑度由0.3～0.4增至0.93以上，并且能强化辐射传热，使被加热体受热均匀。在以天然气为原料生产化肥及甲醇装置的一段转化炉内应用，可以节省燃料气，将这部分燃料气用作原料气，可以增加合成氨或甲醇的产量，同时减少二氧化碳的排放。迄今，KT高效节能强化剂已用于川化、天华化工、赤天化、建峰化工、建滔化工、江北化工、高宇化工等化肥及甲醇生产企业的一段转化炉，取得了良好的节能减排效果。