煅烧炉保温节能与效益分析

景喜中

（天津渤化永利化工有限公司，天津 300452）

在联碱生产中，煅烧炉及附属蒸汽系统的蒸汽消耗占生产能耗的大部分，如果降低煅烧炉及附属系统的汽耗，也就有效地降低了联碱生产的能耗。煅烧炉蒸汽消耗中，重碱化学分解和重碱水分干燥占了约70%，要降低这部分消耗，需要在操作和工艺改进上花费物力财力，才能取得降低2%到3%的效果。其实，强化高温设备保温工作，可以取得同样节能效果，花费不高但效果好，从煅烧炉的能量消耗的数据可以看出，即使设备保温完好，设备热损失也占到总量的6%。通过散热速率计算可以知道，如果加强高温设备的绝热保温工作，采用绝热好的保温材料，把保温层加厚到200mm，这部分完全可再降低约2%，折合每吨纯碱降低4.5元。

1 高温设备散热的估算原理

设备没有保温时，热先从设备内壁传导到外层，然后辐射到空气，传导与辐射是串联散热的，传导热与辐射热相等，辐射过程成为限制热量散失主要阻力，散热速率由辐射过程决定，辐射速率与辐射表面积、设备温度与空气温度四次方之差、灰黑体校正因数、几何因数这四个因数成正比，散热速率要远远高于有保温时的散热速率。从理论上讲，设备没做保温时，按热传导速率方程，通过测量内壁与外壁的温差，也可以算出散热速率，但设备壁内外温差很小，一般的测量和估算不准确，所以这里不做无保温层的散热估算。

设备做了保温后，热量经设备壁和保温层，传导到保温最外层，再辐射到大气中，辐射要快得多，辐射热量等于保温层传导出来的热量，热散失的主要阻力就在保温层，所以，保温层的热传导速率也就是设备散热速率。这种情况下，估算散热速率时，先测量内层、外层温度，算出温度梯度，计算热阻，温度梯度除于传导热阻等于传热速率。因此，测量保温内外层温度，了解相关热传导参数后，就可以比较准确地估算设备热损失。设备做了保温后，传导散热速率减小，保温外层温度一定降低了，所以保温外层温度降低是热损失减少的标志，如果相互比较，条件是必须处在相同的环境。如果同样的设备，处在室内和室外相比较，在室内，其外层温度高一些，是不是说明热损失大了，恰恰相反。处在室内，设备传导热的温度梯度（设备内温度与外层温度之差）小，热阻不变，传热速率变小了，实际情况是，处在室内，相当于为设备添加了一层保温。同样的设备处在冬季和夏季相比较，在冬季，设备保温层外层温度低了，其传导热的温度梯度变大了，其热损失也变大了。

2 保温工作的国家标准

有关高温设备绝热保温工作，国家标准GB50264－97《工业设备及管道热工程设计规范》中有详细规定。比如，设备及管道外表温度在50～850℃时，除工艺有散热要求外，均应设保温绝热层；在有人员接触防止人长身烫伤时，应按表面温度低于60℃计算厚度；无特殊工艺要求应采用“经济厚度”法计算；对圆筒型设备绝热“经济厚度”和绝热结构单位造价给出了计算公式，公式不按化工能量传递技术理论计算，而偏重于经济运行，运行能量价格越高，要求保温材料越厚；在规范的附录中规定，常年运行的设备管道最大允许热损失，50℃时低于58W／m2，100℃时低于93W／m2，150℃时低于116W／m2，200℃时低于140W／m2等等。在实际运行中，各家企业出于自身利益考虑，保温工作做得更好，热损耗要低于规定中损耗数值。

3 联碱煅烧炉的散热和保温工作

联碱纯碱干燥一般采用内热式煅烧炉，这种煅烧炉用过热中压蒸汽做为热源，蒸汽管道内温度一般在300℃以上。蒸汽进入煅烧炉后，把过热部分和蒸汽变凝水的潜热释放出来，变为相同压力的凝水，经过闪发和凝水管道回到热电厂，完成一次循环。煅烧炉体及附属设备内温度低一些，但其炉内也在200℃以上，附属设备内也在200℃左右。中压蒸汽在管道输送过程中，少量散热后，因为过热，会降低少部分焓值，仍然是过热蒸汽，一般来不会有凝水产生。但降低了热焓值，进入煅烧炉后，变成同样压力的凝水，等同于消耗了蒸汽。同样，其它高温设备所散发热量，也等同于消耗了蒸汽。

判断设备保温工作是不是有效益，根本思路是，年节能效益要大于投入资本的年摊费用，包括每年维护和管理费。如果在一两年就补平投资费用，效益分析就简单了。本文对煅烧炉及附属设备传导散热进行估算。对采用不同厚度保温材料导致的相关费用进行估算，与节汽效益进行比较分析。对节能保温工作效果，有一个比较直观的说明。

4 高温设备保温后的热损失估算

联碱煅烧炉系统主要有三种散热设备：中压汽管线，煅烧炉炉体，煅烧炉返碱刮板（采用内返碱式的炉没有返碱设备）。

4.1 中压蒸汽管线保温散热损失估算（保温层材质岩棉100mm）

普通中压蒸汽管线散热阻力主要分为三层：钢管层，岩棉保温层，外层铁皮加固层。其中以保温层热阻最大。经过计算，发现保温层热阻是钢管热阻的一万倍以上，是外层铁皮加固层热阻的一百万倍以上，所以可以忽略钢管和外层铁皮的保温热阻，这样，估算就简化了许多。

蒸汽管保温岩棉层热阻计算：

管线参数：

保温层材质岩棉100mm，导热系数λ2＝0.04 W／（m·K）（不计温度对系数影响）。中压蒸汽管线长220m。

工艺参数：中压过热蒸汽4.0MPa，温度330℃，中压汽管线保温外层温度（铁皮外层温度）40℃。

解：管线保温岩棉内层r3＝r2＝185mm

外径r4＝185＋100＝285mm

r4／r3＜2

故可以按半径算术平均值来计算传热面积，半径平均值rm2＝（r3＋r4）／2

蒸汽管岩棉层管线保温层传热总面积：

中压蒸汽管线散热速率37 620W。

4.2 煅烧炉的散热损失估算（石棉保温层厚100mm）

煅烧炉散热阻力主要分为三层：碳钢管层，岩棉保温层，外层铁皮加固层。其中以保温层热阻最大。保温层热阻是炉金属壳和保温层外铁皮热阻的一万倍和一百万倍以上，所炉金属壁和外层铁皮热阻忽略。

工艺设备参数：

煅烧炉炉体尺寸φ3600×30000。

炉体壁厚平均数15mm。

石棉保温层厚100mm。

石棉保温层导热系数0.05W／（m·K）。

生产时煅烧炉内温度200℃。

煅烧炉炉体保温铁皮外层温度45℃。

解：煅烧炉炉体石棉层内径r3＝r2＝1 815mm

外径r4＝1 815＋100＝1 915mm

r4／r3＜2，故可以按半径算术平均值来计算传热面积，半径平均值rm2＝（r3＋r4）／2

岩棉层每1米炉体保温层传热面积：

每台30m，炉散热速率2 7210W。四台炉总散热速率108 840W。

4.3 炉返碱刮板的散热损失估算（岩棉保温层厚100mm）

返碱刮板散热阻力主要分为三层：刮板壳体层，岩棉保温层，外层铁皮加固层。其中以保温层热阻最大。同样忽略设备金属壳体和外层铁皮的热阻。

工艺设备参数：

返碱刮板外壳外形尺寸1 000×350mm。

壁厚平均数4mm。

单炉返碱刮板长度80m。

岩棉保温层厚100mm。

岩棉保温层导热系数0.04W／（m·K）。

生产时返碱刮板壳体内温度200℃。

返碱刮板保温外层温度20℃。

解：以返碱刮板壳体长每米的面积为计算基准。

返碱刮板保温层热阻：

返碱刮板保温层实际上为四个矩形面拼接成方桶形通道，来回共80m长，单炉返碱刮板岩棉保温层每一米散热面积：

Am2＝周长×长度＝2.7×1＝2.7m2／m

返碱刮板每米散热损失：

每台刮板80m，每台散热速率1 5520W。四台刮板总散热速率62 080W。

以上估算保温厚度为100mm时散热损失，用同样的方法可估算出在50mm和150mm厚度时的散热损失。

5 不同保温层厚度情况下散热比较

表1 不同保温层厚度时散热损失

表2 不同保温层厚度时中压蒸汽的损失

6 保温施工投资估算

6.1 面积估算

参考以上数据，煅烧炉及附属蒸汽系统：

1）中压蒸汽管线：

1.1304 m2／m×220m＝248.7m2

2）煅烧炉及附属蒸汽系统：

炉体：11.3511m2／m×30m×4＝1 362.1m2

返碱刮板箱体：2.7m2／m×80m×4＝864.0m2

合计：1 362.1m2＋864.0m2＝2 226.1m2

煅烧炉及附属蒸汽系统散热面积：

248.7 m2＋2 226.1m2＝2 474.8m2

6.2 保温投资估算

表3 保温投资估算

7 效益估算

估算效益有两种方法，一种是做保温层的投资与节汽效益相比较，计算节约的资金，多长时间内能补平投资增额。另一种是考虑到保温材料使用周期，估算在使用周期内，总投资中每年摊入的成本和维护管理费与每年保温节能效益相比较。下面按第一种方法比较分析见表4。

从表4数据可以看出，在不到一年时间内，节约蒸汽所带来的效益要大于做厚保温层所增加的花费。可以估算出，如果保温层加厚到200mm，要从节能方面收回投资，则需要三年以上。一般情况下，无机物岩棉石棉使用寿命至少也在十年以上，也就是说，加强保温节能工作，与保温差的情况相比较，在三年就能收回投资，划算。

表4 计算结果汇总

建议将中压蒸汽管线，或高于300℃的高温设备保温绝热材料厚度加到150mm到200mm。

另外需要说明的是，一般保温性能较好的保温材料，如泡沫石棉、岩棉，其密度小，约100kg／m3，管道和其它高温设备保温层加厚100mm后，设备承重增加量很小，一般设备都能承受。比如，煅烧炉保温层增加100mm后，其承重增加了约3t，煅烧炉本身重量是280t，正常生产使用时，其负荷变化范围是0至40t，保温层重量的微小增加基本上不影响它的运行。

［1］ 陈敏恒.化工原理（上册）［M］.北京：化学工业出版社，1999

［2］ 大连化工研究设计院.纯碱工学［M］.北京：化学工业出版社，2004

［3］ 王绍亭，陈涛.动量热量与质量传递［M］.天津：天津科学技术出版社，1986

［4］ 王松汉.石油化工设计手册（第2卷）［M］.北京：化学工业出版社，2002