纳米导热材料在焦炉上升管余热利用中的应用研究论文
焦化厂焦炉上升管荒煤气显热的余热回收利用作为一项全新的科研课题，各大焦炉设计院和各大焦化厂都先后投入了巨大的人力物力，也先后研发出了多种类型的上升管换热器型式和技术，国家发改委也投入了巨大的资金用于开发此项技术，主要集中在导热油夹套管、热管、锅炉和半导体温差发电等技术，来回收荒煤气带出热。到目前为止，大部分的研发都未能取得令人满意的进展。
我公司经过多年的研发，先后开发出五种类型的上升管换热器，并用于焦炉实际工况下的试验，在经过多次失败之后，终于取得了突破性进展。成功开发出可以用于焦炉生产运行的上升管换热器产品，并且进入了工业化生产。
1 焦炉上升管荒煤气余热回收技术的实现
1.1 荒煤气高导热、耐蚀、长寿命的上升管内衬材料开发研究
上升管内衬材料是提高荒煤气余热回收利用效率的关键技术之一。原工艺装备上升管采用普通碳钢材料，内壁衬耐火砖，更换用余热回收装置后，内壁不能再衬耐火砖，否则热传导效率极低。这样导致装置内壁直接与高温(650℃～900℃)荒煤气接触，而荒煤气中含有氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氧化氮、氢气、甲烷、水汽及芳香烃类化合物等，普通碳钢在此温度及环境下，高温烧蚀严重，不能满足工况要求。若提高内筒材质，则只有采用耐高温腐蚀的特殊合金钢，如哈氏120级别以上钢材，但其价格就急剧上升。
常规要求控制荒煤气温度不低于500℃，以避免上升管内壁过快长石墨，本项目可控制在400℃以上，石墨生长速度低于原常规生产模式。
1.2 稳定、可靠、高效的导热材料研究及选择
荒煤气热量通过钢质内筒内壁导出到外壁后，需要良好的导热介质将外壁上的热量快速导出，提供给水进行汽化。由于上升管可有效利用的高度仅2～3m左右，荒煤气在内筒以较快速度通过，因此，整个热传导过程必须快速，才能最大限度回收荒煤气余热。由于钢铁的导热系数为80W/m·K，因此导热介质的导热系数必须大于80W/m·K，而且越大越好。同时，导热材料在900℃高温环境必须稳定，不能有物理、化学的质变，同时对钢铁不能有渗透性腐蚀破坏。高温下在水、氧气环境下稳定，即满足以下要求：(1)高导热率，导热系数大于100W/m·K;(2)高温下的稳定、安全;(3)高温下对钢铁无腐蚀。
1.3 低热应力的换热系统结构研究
导热材料快速吸收荒煤气热量后，需要尽快将热量通过换热装置，传递给水进行汽化吸热，由于换热装置也是钢铁材质，其导热系数与内筒一样，就必须增加其换热面积，只有其换热面积大于内筒外壁导热面积，热量才能快速有效地传导。要在直径400～500mm的圆形环腔内布置下较大的换热面积的换热装置，其结构必须十分密排、紧凑。又由于装置内外温差大，温度区间从常温到900余℃，产生蒸汽压力将达1MPa，并存在汽液相之间的热量交换，热膨胀及热应力必将对换热系统及整个余热利用系统造成严重的影响。因此，换热系统的结构设计，必须具备消除热应力的能力，否则换热装置结构将被破坏，不能长期有效使用。
2 纳米导热节能防腐涂料的开发应用
纳米导热节能防腐涂料是一种用于高温设备的高效导热节能环保产品，可直接喷涂在各种高温导热体的.表面，提高导热体的导热能力，如涂刷蒸汽锅炉水冷壁管的表面，形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳，起到保护炉体、延长炉龄、增强水冷壁导热，从而起到节约燃料的作用。它显著提高炉膛内的热传递效果，减少黑油排放，节约燃料消耗5%～30%，适合多种工作温度在1800℃以下的工况使用。
纳米导热节能防腐涂料含有多种红外辐射材料，在远红外、中红外、近红外各波段均有很高的红外辐射光谱发射率和优良的技术特性，涂覆于导热体表面可获得显著节能效果，具有提高辐射传热能力，减少散热损失。
2.1 纳米导热节能防腐涂料的组成
纳米导热节能防腐涂料由耐火粉料、过渡族元素氧化物和氧化锆、硅酸盐耐火材料，高温掺杂形成固溶体和悬浮剂等组成的黏稠悬浮流体，喷刷在导热体表面，形成0.3～0.5mm的涂层，是一种新型节能材料。在高温导热管上应用该涂料，可节约燃料，保护导热管表面，延长导热管使用寿命，提高导热管热效率，缩短加热时间，提高被加热件的加热速度，提高工作效率。同时，稀土元素氧化物(如Y2O3)的掺入能提高反应物的活性，是掺杂和稳定涂层结构的优选材料。
2.2 纳米导热节能防腐涂料的性能特点
涂层结构致密，保护基体，有很好的耐磨、耐腐蚀性。与基体结合力强，涂层能渗透基体形成过渡层和涂层的结构，耐机械冲击和热冲击。高强度耐磨、耐腐蚀、耐高温。提高涂料的黑度，使其在波长2.5～15μm的光谱区间，发射率都在0.93以上，并对增黑剂进行了稳定化处理，提高了抗老化性能，大大延长了涂层使用寿命。
3 耐高温导热涂料的研究热点
当前耐高温导热涂料不外乎无机和有机涂料两种，有机耐高温导热涂料作为高温设备导热涂层和保护涂层得到的应用越来越广，但是作为适应焦化行业的荒煤气的导热材料，其温度变化区间大，从200多℃到1100多℃之间，而且荒煤气成分复杂，腐蚀性气体的存在，制约了导热材料的选择。因此，大部分涂料性能还是不能满足多样化设备的要求和温度变化的要求。目前对于改性有机硅涂料等，国内在室温固化、高耐热防腐以及重防腐有机硅涂料方面研究比较活跃。但是，在水性可喷涂高固体分、紫外固化以及高性能加热固化的有机硅涂料方面研究中，国外缺少可实用化的研究成果。
我公司与合作的导热材料生产商，经过多次配方改良和试验，最终研发出一种新型的纳米导热节能防腐涂料，纳米导热节能防腐涂料的研发基点就是建立在恶劣的工况下，组合了多种材料耐火粉料、过渡族元素氧化物和氧化锆、硅酸盐耐火材料，高温掺杂形成固溶体、和悬浮剂以及单晶硅粉，经过高温后形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳保护了基体免受荒煤气腐蚀气体的冲蚀。
新型纳米导热节能防腐涂料的研发应用，最大程度地保证了焦炉上升管换热器的可靠性，为此，我们将此材料应用到福建三钢焦化厂上升管换热器上，运行1年多以来经受住了考验，运行状况良好。同时，我们也在唐山达丰焦化的5.5m焦炉上升管上和沙钢6m焦炉上升管上进行了应用，运行状况良好。目前已经全面使用在邯郸钢铁集团6m焦炉上升管改造之中。
4 结语
新型的纳米导热节能防腐涂料的研发应用在焦化厂上升管余热回收利用成为可能和保证，将焦化厂上升管余热回收利用技术向前推进了一大步。
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