冉蜀勇* 陈涛 汤敏 杨光权

（1.中国石油新疆油田公司；2.河北华北石油工程建设有限公司；3.中国石油湖南销售公司；4.中国石油西北油田节能监测中心）

冉蜀勇等. 先进复合材料在加热炉及输送管道中的应用研究. 石油规划设计，2014，25（3）：25～27

在我国不断加大节能减排工作力度的形势下，企业面临的节能减排压力将逐渐加大。石油石化行业是高耗能重点行业，而加热炉又是炼油厂的主要耗能设备，其能耗约占连续催化重整装置和半再生重整装置总能耗的70%［1］。据不完全统计，中国石化集团公司拥有约600台炼油加热炉，总热负荷约500MW，平均每台加热炉年耗天然气量约 50×104m3，设计热效率85%，实际热效率只有约75%［2］；中国石油华北油田第二采油厂 78台加热炉总热负荷约100MW，年消耗天然气量约3445×104m3，实际热效率不足80%［3］。目前，我国石油石化行业加热炉普遍存在能耗大、效率低等问题，另外，热介质在管道输送过程中的热量散失同样导致大量的热能损耗。因此，提高加热炉热效率、降低热介质输送管道的热流密度是降低炼油厂甚至整个石油石化行业能耗的重要手段之一。

1 加热炉节能问题

以管式加热炉为例对加热炉的能耗问题进行分析。管式加热炉由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器及通风系统组成。低温物料由进口管道依次通过对流室炉管和辐射室炉管，吸热后成为高温物料，然后，经由出口管道流出［4］。管式加热炉的额定热效率为85%，但是，在实际生产中，其热效率只有约75%。

导致加热炉热效率偏低的原因主要为燃料不完全燃烧、烟气温度过高、炉外墙散热损耗大等因素。随着高效燃烧器及先进燃烧控制技术的应用，加热炉的燃烧技术不断提高，由于燃料不完全燃烧所导致的热损失可控制在较低范围。炉管是加热炉进行热量传递的重要部件，炉管受热面的传热性能直接影响加热炉的热效率，而炉管极易积灰结焦，不仅严重影响了炉管的吸热率，同时，还会导致烟气温度过高，造成大量热能的损耗。目前，主要采用涂覆强化传热涂料等强化换热技术，以达到减缓积灰、增加炉管吸热及降低排烟温度的目的。另外，加热炉外墙散热损失较大也是导致加热炉热损耗高的一个主要原因。现阶段，主要采用传统保温材料包裹炉体，但是，由于保温效果欠佳，设备运行过程中，加热炉外墙的温度往往高于70℃，炉墙过热不仅导致了额外的热损耗，并且对操作人员的安全产生了一定的威胁。

传统的强化传热技术及保温技术对降低烟气温度和保持炉体温度的效果有限，很难达到理想的节能效果。根据有关数据［4］，采用传统强化传热及保温技术的加热炉在辐射段和对流段的热损失占全炉热负荷的3%～6%，炉墙部分的热损耗占3%～4%，而高温烟气造成的损耗占热负荷的比例高达20%～30%。另外，传统的管道保温材料性能不佳，加热介质在输送过程中管道表面的热流密度过大，也造成了大量热能的浪费。

2 先进绝热及防腐技术应用分析

为了解决加热炉和输送管道的高能耗问题，国内外部分企业采用保温隔热领域最新技术和节能科技新成果对加热炉及输送管道进行了改造，提高了加热炉的热效率，降低了管道输送过程中的热损耗，节能效果和经济效益十分显著。

2.1 防结焦纳米陶瓷涂层技术

高温烟气造成的热损耗占加热炉全部热损耗的70%～90%，因此，对烟气温度进行控制可有效提高加热炉热效率。加强炉管的换热效率是降低烟气温度的有效方法之一，而加热炉炉管的腐蚀和结焦是普遍存在的现象，严重影响了其换热效率。目前，广泛使用的吹灰器虽然可缓解炉管结焦现象，但是，并不能从根本上避免结焦的发生，并且，吹灰器对炉管的腐蚀几乎没有抑制作用。21世纪初，美国AEP（美国电力公司）和 NRG能源公司采用 MQK（美桥科）锅炉增效防结焦纳米陶瓷涂层技术，对其所拥有的加热炉和锅炉进行改造，从根本上解决了炉管结焦和腐蚀问题，不仅节约了大量的能源，同时，还消除了由腐蚀和结焦引起的安全隐患。

该技术采用的纳米涂层在高温下可与炉管金属发生键合，形成无机氧化物保护层以隔断所有腐蚀和结焦物质与炉管的接触，不仅提高了炉管的吸热性能，而且降低了排烟温度，提高了热效率。仅0.05mm厚的涂层可显著改善炉管的热传导，炉管的热辐射值从 0.8提高至 0.94，同时，烟气温度可下降23.9℃。

AEP公司对锅炉改造前，辐射室炉管吸热量为266200W/m2，改造后为 290100W/m2，增加了 23900 W/m2；改造前，对流室炉管吸热量为83000W/m2，改造后为99000W/m2，增加了16000W/m2。改造后，加热炉辐射室及对流室的传热效率增加了28%，该部分的热损失降低了约50%，单位面积炉管节约标准煤约336.5kg/d，节约煤炭费用约212元/d（煤炭折标系数为0.7143，煤炭单价按450元/t计）。锅炉改造费用约6000元/m2，投资回收期约为28d。

2.2 耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温技术

2009年，新疆某油田公司分别采用传统保温材料及 MQK耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温材料对注汽管道（管径为114mm）实施了改造。传统保温材料导热系数较高，为0.03～0.14W/（m·K），且在高温条件下粉化严重，而耐高温纳米气凝胶毛毡不仅耐高温性好（最高设计使用温度为650℃），且保温性能优异，导热系数在常温下为0.016W/（m·K），其保温性能是传统保温材料的2～8倍［6］。改造前，管道线热流密度约为 350W/m，采用传统保温材料改造后，管道线热流密度降为200～300W/m，而采用耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温技术改造后，管道线热流密度降至 96.2W/m，每千米管道节约标准煤约1600kg/d，节约煤炭费用约1008元/d。采用耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温材料的改造费用约30万元/km，投资回收期约为300d。

2009年，华北油田采用耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温技术对蒸汽管道进行了改造。改造后，蒸汽管道的热流密度约为改造前的30%，显著降低了输送过程中的能耗。

2.3 复合型纳米陶瓷绝热、防水及防腐涂层技术

2009年，华北油田某采油厂采用MQK复合型纳米陶瓷绝热、防水及防腐涂层技术对加热炉外表面进行了改造。该涂层材料适用温度为-20～160℃，紫外线反射率为 99.6%，辐射率为 88%，对入射太阳光的最大反射率为97%。改造前，加热炉的外表面温度高达72℃，改造后下降至35℃，加热炉外表面温度大大降低［5］，炉外壁每平方米面积散热损耗减少了1493kJ/h，节约标准煤3.36kg/d（标准煤在工业中的利用效率约为 35%），节约煤炭费用 2.3元/d。改造费用约为 230元/m2，投资回收期约为100d。

由于该涂层材料同时具有防腐及防水性能，改造后，加热炉的腐蚀现象得到了很好的抑制，提高了生产的安全性。目前，该技术被列为我国十二五计划重点节能技术推广项目之一。

3 结语

防结焦纳米陶瓷涂层技术、耐高温纳米气凝胶毛毡复合保温技术以及复合型纳米陶瓷绝热、防水及防腐涂层技术的应用，提高了加热炉的热效率、降低了管道输送过程中的热损耗，不仅节能效果良好，同时，还消除了炉管结焦、腐蚀及炉外墙温度过高引起的安全隐患。虽然一次性投资较高，但是，通过节能所带来的经济效益十分显著。在我国节能减排压力越来越大的形势下，这些节能技术势必会得到越来越广泛的应用。

[1]任刚.炼油企业设备节能技术新进展[J].石油化工设备技术,2009,30(4): 1797-1805.

[2]陈颖,张静伟,梁宏宝,等.管式加热炉节能的研究进展[J].化工进展,2011,30(5): 936-941.

[3]梁俊.加热炉节能改造技术的综合应用[J].油田节能,2005,16(2): 38-40.

[4]钱家麟.管式加热炉[M].北京: 中国石化出版社,2003.

[5]朱健,金绍辉,李思,等.复合型绝热保温材料在华北油田的应用[J].石油石化节能,2011,1(6):28-30.

[6]新疆油田公司.注汽管线散热损失测试报告2010-165[Z].新疆: 新疆油田公司,2010.