分子筛焙烧炉节能技术_高妍.pdf

2023 年 1 月第 31 卷 第 1 期工 业 催 化INDUSTIAL CATALYSISJan.2023Vol.31No.1催化剂制备与研究收稿日期:2022 08 25;修回日期:2022 12 30基金项目:中国石油化工股份有限公司技术开发项目(H18002 2)作者简介:高妍，1984 年生，女，硕士，高级工程师，研究方向为过滤、干燥系统开发。通讯联系人:高妍。E mail:gaoyan 分子筛焙烧炉节能技术高妍*，张帆，董清生，谭永鹏(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)摘要:建立分子筛燃气焙烧炉炉效分析计算模型，分析混温空气量对热效率的影响，通过焙烧炉结构优化、工艺参数调整、焙烧炉炉膛内表面及炉筒外表面喷涂高辐射覆层材料、炉膛外表面喷涂阻隔性隔热覆层材料等节能方法，提高焙烧炉热效率。运行结果表明，模型计算结果与运行结果吻合，误差不超过 2.5%，通过节能措施的实施，焙烧炉热效率由原来的 80.6%提高到 85.7%，年节约运行成本 41.54 万元，为企业创造了良好的经济效益。关键词:催化剂工程;焙烧炉;节能;高辐射;隔热;覆层技术doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2023.01.008中图分类号:TQ426.6;TQ424.25文献标识码:A文章编号:1008-1143(2023)01-0047-05Energy saving technology for molecular sieve furnaceGao Yan*，Zhang Fan，Dong Qingsheng，Tan Yongpeng(Tianhua esearch Institute of Chemical Machinery and Automation Co.，Ltd.，Lanzhou 730060，Gansu，China)Abstract:The thermal efficiency model of the gas-fired furnace for molecular sieve is established，and theeffects of the mixed air on the thermal efficiency are analyzed.The furnace thermal efficiency is improvedby furnace structure optimization，adjustment of operating parameters，and saving energy technology inclu-ding coating high radiation material on the inner surface of the chamber and the outer surface of thecylinder，as well as coating insulating material on the outer surface of the furnace.The operation resultsshow that the deviation between the simulation results and the operation results is within 2.5%.Thethermal efficiency of the furnace is increased from 80.6%to 85.7%by energy saving technology，and415 400 CNY annual operation cost is saved.It has created good economic benefits for enterprises.Key words:catalyst engineering;gas-fired furnace;energy saving;high radiation;heat insulation;coating technologydoi:10.3969/j.issn.1008-1143.2023.01.008CLC number:TQ426.6;TQ424.25Document code:AArticle ID:1008-1143(2023)01-0047-05炼油催化剂的活性组元中应用最广泛的是 Y型分子筛。目前，Y 型分子筛生产多采用“二交一焙”工艺1 2，分子筛经过一次交换、洗涤后成为含水量约 30%的浆液状态，需要进行旋闪预干燥和高温焙烧处理3 4。其中干燥和焙烧是整个分子筛生产装置中能耗较大的装备，焙烧炉的热效率直接影响催化剂产品的经济效益，因此，建立炉效分析计算方法，研究焙烧炉的节能技术，对提高催化剂的市场竞争力及经济效益意义重大。本文以某石化厂9 000 ta1的 Y 型分子筛装置48工 业 催 化2023 年第 1 期燃气焙烧炉改造项目为依托，在现有燃气焙烧技术基础上，通过分析焙烧炉热效率的影响因素，建立燃气焙烧炉炉效分析方法，研究分子筛焙烧炉的节能技术。1焙烧炉炉效分析计算模型的建立分子筛制备单元通常为旋闪干燥机与焙烧炉连用，即 2 台焙烧炉尾气以及炉膛热烟气作为一台旋闪干燥机的热源。因此，燃气式焙烧炉热效率需要与干燥单元综合考虑，分别对整个系统、焙烧炉及旋闪干燥分别进行质量和热量衡算，由于计算过程繁琐，参变量多，需要假设变量，反复试算，流程示意图如图 1 所示。图 1燃气焙烧炉流程示意图Figure 1Flow chart ofgas fired furnace1.1焙烧炉质量衡算焙烧炉质量衡算为:G1(1 1)=GcG2=Gc1 2W=G1 G2式中，G1为焙烧炉进料量，kgh1;G2为焙烧炉出料量，kgh1;Gc为干基物料量，kgh1;W 为焙烧挥发量，kgh1;1为焙烧炉进料湿含量，%;2为焙烧炉出料湿含量，%。1.2旋转干燥机质量衡算旋转干燥机质量衡算为:G1(1 1)=GcG2=G1W=G1 G2式中，G1 为旋闪干燥进料量，kgh1;G2 为旋闪干燥出料量，kgh1;Gc为干基物料量，kgh1;W为旋闪干燥挥发量，kg h1;1 为旋闪进料湿含量，%。1.3干燥 焙烧系统热量衡算干燥 焙烧系统热平衡计算模型如图 2 所示。图 2干燥 焙烧系统热平衡计算模型Figure 2Calculation mechanism for drying calcination system其中，公式(1)为:Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q损=Hc(L/)(1 )4.187+Q9公式(2)为:Q52+Q4+Q6+Q损2=(Lm1+L+Lk)ca(t2t4)+(V+W+L蒸气)cF(tF t4)公式(3)为:Q1+Q2+(Lm1+L+Lk)ca(t2 t0)+(V+W)cF(tF t0)+L蒸气c蒸气(t2 t蒸气)+Q损1=Hc(L/)(1 )4.187式中，Q1为焙烧炉物料带走热量，kJh1;Q2为焙烧炉湿分蒸发排出系统带走热量，kJh1;Q3为漏入冷空气及夹带粉尘排出系统带走热量，kJh1;Q4为旋闪干燥物料带走热量及湿份排出系统带走热量，kJh1;Q5为混温空气排出系统带走热量，kJh1;Q6为尾气排出系统带走热量，kJh1;Q7为天然气升温至尾气温度所需热量，kJh1;Q8为助燃空气升温至尾气温度所需热量，kJh1;Q9为过热蒸气降温至尾气温度所放热量，kJh1;为天然气标况密度，kgm3;Hc 为天然气热值，一般为8 500 kCalm3;为天然气不完全燃烧率;Q损为2023 年第 1 期高妍等:分子筛焙烧炉节能技术49系统总散热损失，kJh1;Q52为旋闪入口混温空气排出系统带走热量，kJh1;Q损2为旋闪干燥部分散热损失，kJh1;Q损1为焙烧部分散热损失，kJh1;Lk为燃烧计算得到的助燃空气消耗量，kJh1，过剩系数取 1.05;ca为烟气比热，kJ(kg)1;t2为炉膛排烟温度，;tF为焙烧炉尾气出口温度，;t4为系统尾气排放温度，;V 为系统漏入冷空气量，kgh1;L 蒸气为过热蒸气加入量，kgh1;cF为焙烧炉尾气比热，kJ(kg)1。燃气焙烧炉热效率为:=Q1+Q2+Q4Hc(L/)其中，焙烧部分散热损失包括:焙烧炉本体及烟道气管线的散热损失;旋闪干燥系统热量损失包括:旋闪干燥机、布袋除尘器以及进出口管道的散热损失，管道截至于布袋除尘器入口。按照标准6 7 计算散热损失，一级测试计算。计算公式为:Q损=F(tb t0)其中，F 为设备或管道散热表面积，m2;为散热系数，Wm21，为自然对流放热系数及辐射对流放热系数总和(由于焙烧炉在室内，不考虑强制对流放热系数);tb为设备或管道外壁温，。2热效率影响及节能优化2.1焙烧炉结构优化与改造原焙烧炉使用 10 年以上，密封结构老化，漏气量严重，保温材料失效导致热损失量增加，同时烧嘴燃烧系统老旧，没有燃烧控制系统，导致焙烧炉热效率低。改造后的焙烧炉优化了密封结构，空气漏入量大幅度降低，燃烧系统采用目前较为先进的气调风比例控制方式，保证燃烧充分，提高了焙烧炉的热效率。2.2炉膛混温空气量的影响干燥焙烧系统的最终尾气排放量中空气量等于焙烧炉炉膛吸入的新鲜空气量与旋闪干燥机入口混温空气量的总和，焙烧炉炉膛吸入空气量等于焙烧炉所需的助燃风量时，焙烧过程不需要额外加热冷空气至焙烧所需温度，此时最为节能，但此时炉膛烟道气的温度为 1 240，由于设备及管道材料使用温度的限制以及分子筛焙烧温度的要求，该温度不适用于实际生产，在实际生产中通过炉膛补充冷空气将炉膛温度降低至700 以下，补充空气量多，炉膛温度太低，排放烟气量增加，热量损失增加。旋闪干燥为气流干燥的一种，气流干燥对进气量有一定要求，在产能一定的情况下，进气量太小，不能将物料充分干燥并带出设备，因此干燥机入口也需要补充一定空气，保证旋闪干燥的总进气量。在总补充空气量一定的情况下，排烟温度越低热效率越高，但排烟温度低于 110 时不能达到干燥要求，因此，排烟温度一般控制在约120，通过计算，当焙烧炉炉膛排烟温度约 600 时，可满足旋闪干燥机热量需要，此时旋闪干燥排烟温度(120 130)。2.3炉膛内表面节能近年来，高辐射覆层技术已经在国内外高炉热风炉以及焦炉上得到广泛应用，并取得了显著的节能效果5。但未见将该技术运用于分子筛及催化剂焙烧炉的应用研究，据斯蒂芬 玻尔兹曼定律E=0C0(T100)4，辐射换热的能量 E 和发射率 成正比。纳米高辐射覆层可以将保温材料(硅铝等)表面的发射率从 0.7 0.8 提高到 0.9 以上，也就是说理论上能够使总的热交换能量提高 15%。由于燃气焙烧炉烧嘴部分温度在 1 000 以上，辐射传热占总传热量 80%以上，所以提高辐射传热的效率可以极大地提高焙烧炉的传热效率。不同材料的光谱发射率如图 3 所示。图 3不同材料的光谱发射率Figure 3Spectral emissivity of different material由图 3 可知，高温辐射能量大多数集中在(1 5)m，一般的耐火材料在这一波段的发射率很低，而高发射率涂料(即高辐射率涂料)在(1 15)m均具有稳定的发射率，且均高于一般耐材的发射率。通过对国内外节能新技术的研究发现，新型高辐射覆层材料可以提高炉膛内表面发射率，从而提高炉膛辐射传热效率8 9。使用该类型的高辐射覆层材料可以起到提高炉膛向筒体侧辐射传热的效率，减少烟气带走热量，延长炉膛寿命的作用，同时，50工 业 催 化2023 年第 1 期该覆层材料具有低的导热系数，可降低散热损失。从性能和成本方面综合考察，最终确定适用于焙烧炉炉膛内表面的覆层材料，性能如表 1 所示。表 1炉膛内表面覆层材料性能指标Table 1Properties ofcoating materials on innersurface of the chamber耐火度/1 800黏度/s