Главная Инжиниринг Инновационная деятельность Технология высокоизлучающих покрытий


Руководитель Блока Инжиниринга

Каримов Азат Закиевич

Каримов 
Азат Закиевич
Член Совета Директоров,
Заместитель Генерального Директора

Телефон:

+7 (495) 64-028-64

Email: a.karimov@ctkeuro.ru

 

Главный Технолог

Дунин Николай

Дунин 
Николай Михайлович
Телефон:

+7 (916) 990-12-56

 

Технология высокоизлучающих покрытий

Компания ЗАО «ЦТК-ЕВРО» предлагает новейшую технологию ВИП (высокоизлучающих покрытий). Эти высокотемпературные покрытия дальнего инфракрасного спектра действия, которые могут быть широко использованы в промышленных печах с рабочей температурой от 300-1600°С, также в котлах, промышленных электрических печах, печах отжига, подогревателях воздуха доменной печи, коксовых печах и т.д.

Нефтеперерабатывающая промышленность – одна из наиболее энергоемких отраслей. Трубчатые печи на НПЗ основные потребители энергии в виде газового и жидкого топлива, поэтому поддержание высокого уровня экономичности их работы, является определяющим для экономики всего нефтеперерабатывающего комплекса.

Физические и механические характеристики композитных cоставов Solcoat 

Варианты составов Green Solcoat CroMag Solcoat Black Solcoat White Solcoat Hi-e Solcoat Hi-e Pipes
Внешний вид Зеленый матовый Светло зеленый гладкий Черно серый гладкий Светло серый гладкий Темно зеленый гладкий Зелено серый гладкий
Температура плавления [ºC] >1900 1800 700 1500 >1900 1870
Вязкость (4мм)[с] 1) 13 11 11 13 14,6 14,6
Тепловое расширение [K-t] 7.2 × 10-6 to 6.4×10-5 6.4×10-6 to 4.8×10-5 1.1 – 4.3×10-5 9.3×10-6 to 4.8×10-5 6.9x10-6 to 4.8x10-5 9.8 x10-5
Теплопроводность [Вт/м.K] при 300ºC 2) 0,088 0,088 0,189 0,083 0,089 0,089
Плотность после кальцинации [г/см3] 2,4 1,9 3,3 2,4 2,8 2,8
Потеря массы после нагревания до 750ºC [%] <0,1 <0.1 <0,1 <0,1 <0.1 <0.1
Коэффициент излучения (черноты) 0,92 0,9 0,32   0,98 0,98
Пористость [%] <0,1 <0.1 <0,1 <0,1 <0.1 <0.1
Устойчивость к тепловому удару [ºC/sec] >600 >500 >200 >500 >800 >780
Адгезия
к металлу [MПа] 3) 13 – 15 13 – 15 11 – 13 12 – 14 13 – 14 11 – 13
к керамике [MПа] 3) >40 >40 28 - 45 >40 >40 28 - 45
Абразивная стойкость
при 20ºC [мл] 4) 3,7 (100%) 3.6 (100%) 1,5 (100%) 6) 4,6 (100%) 3.8 (100%) 3.9 (100%) 6)
при 1000ºC [мл] 4,5) 3,5 (106%) 3.6 (105%) 1,2 (125%) 6) 4,4 (105%) 4.6 (105%) 4.6 (125%) 6)
Твердый компонент состава
Кажущаяся (насыпная) плотность [г/см3] 1,43 1,27 3 1,35 1,65 1,68
Внешний вид Светло-зеленый порошок Светло-зеленый порошок Черный порошок Светло-серый порошок Темно-зеленый порошок Серо-зеленый порошок

1)  при 18ºC  2) на нагретой до красна проволоке   3) CSN EN 24624    4) ASTM C 704 – 94    5) ∆T= -980ºC   6) Начало при 700ºC, ∆T= -680ْC

Жидкие части

Часть A B Вода
Внешний вид прозрачная вязкая жидкость прозрачная вязкая жидкость прозрачная жидкость
pH >10.7 >11.0 7
Вязкость (4мм) [с]1  18,3 12,3 10
Плотность [г/см3] 1,2 1,12 1
Содержание твердых частиц (%) 32,5 32 0

1) при 18ºC

Изначально закладывая в процессе проектирования трубчатых печей наиболее прогрессивные инженерные решения, конструкторы обеспечивают максимально возможный (на данный момент) КПД. В процессе эксплуатации печей с течением времени происходит:

  • моральное старение конструкторских решений,
  • физический износ конструкций,
  • увеличение удельного потребления топлива,
  • увеличение валовых выбросов вредных веществ.

В результате ухудшается работа печи, резко снижается КПД.

Обычно, полное количество тепла (Qпол) получаемое печью между  радиантной и конвекционной камерами распределяется соотношении:

Qрад = 0,75*Qпол

Qкон = 0,25*Qпол

Теплообмен в печах при температурах выше 700оС осуществляется в основном радиацией. С целью интенсификации лучистого теплообмена и повышения эффективности трубчатых печей (как работающих, так и вновь проектируемых) для процессов нефтепереработки, нефтехимии и энергетики разработана технология нанесения керамических высокоизлучающих керамических покрытий (ВИП) на огнеупорные поверхности и металлические трубы.

Ранее считалось, что степень черноты всех поверхностей в топке равна Ɛ=0,85 и являлась величиной независящей от температуры.

Коэффициент излучения (или степень черноты) - ε показывает отношение энергии теплового излучения 'серого тела' согласно Закону Стефана Больцмана, к излучению 'абсолютно черного тела' при той же температуре. Коэффициент излучения абсолютно черного тела ε = 1.

В настоящее время специальными исследованиями доказано, что с повышением температуры степень черноты всех огнеупорных материалов снижается и в диапазоне температур 700оС -1000оС составляет Ɛ=0,4-0,7

В тоже время степень черноты специальных покрытий на основе оксидов металлов с повышением температуры возрастает и при 1000оС достигает значений Ɛ =до 0,95.

Приведенная степень черноты топочной камеры зависит как от излучающих поверхностей, так и от тепловоспринимающих труб, поэтому высокоизлучающие керамические покрытия (ВИП) с высокой степенью черноты должны наноситься на все поверхности в печи.

Дымовые газы получаемые в результате горения обладают значительной излучательной и поглощательной способностью (углекислый газ (С02), водяной пар (Н20), сернистый ангидрид (S0x), NOx), но:

  • Излучение и поглощение газов носит характер избирательного (селективного) излучения, т. е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн, в так называемых полосах, расположенных в различных частях спектра.
  • Для лучей других длин волн вне этих полос газы прозрачны, и их энергия излучения равна нулю.
  • Поглощательная способность газа зависит от его парциального давления, температуры и толщины слоя. С увеличением плотности и толщины слоя поглощательная способность газа увеличивается.
  • Ширина отдельных полос излучения изменяется с температурой газа. С увеличением температуры ширина полос увеличивается, а поглощательная способность уменьшается, т.к. плотность газа уменьшается. Но в результате возрастания температуры энергия излучения увеличивается.

Для углекислоты и водяного пара наиболее важное значение имеют следующие полосы:

 

Углекислый газ СО2

Водяной пар Н2О

1-ая полоса

l=2,36…3,02 мкм

l=2,24…3,27 мкм

2-ая полоса

l=4,01…4,80 мкм

l=4,80…8,50 мкм

3-ая полоса

l=12,5…16,5 мкм

l=12,0…25,0 мкм

  • Одно- и двухатомные газы (N2, О2) неспособны к излучению и поглощению лучистой энергии; практически эти газы для тепловых лучей прозрачны - диатермичны.
  • В газах излучение и поглощение всегда протекает в объеме.
  • Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностным слоем.
  • Твердые тела имеют сплошные спектры излучения: они излучают (и поглощают) лучистую энергию всех длин волн от 0 до ∞.

Увеличение степени черноты футеровки приводит к увеличению поглощения тепла от дымовых газов и излучении этой энергии в сплошном спектре, что в свою очередь приводит к увеличению поглощения трубами переизлученного тепла.

Проведенные на промышленных печах эксперименты показали, что при заданной температуре продукта в трубах печи:

  • снижается температура дымовых газов на выходе из радиационной камеры.
  • снижается температура уходящих дымовых газов из камеры конвекции.
  • снижается удельный расход условного топлива,
  • снижаются выбросы вредных веществ в атмосферу (парниковые газы).
  • снижается неравномерность температуры по окружности трубы.
  • снижается максимальная температура стенки трубы
  • снижается вероятность коксообразования.
  • резко снижается скорость окисления поверхности труб
  • увеличивается устойчивость к тепловому удару
  • увеличивается период между выжигом кокса (для высокотемпературных печей)
  • увеличивается механическая прочность футеровки и срок ее службы
  • увеличивается стойкость к агрессивным дымовым газам (SOх)
  • увеличивается КПД печи.
  • возрастает надежность эксплуатации печей;
  • срок службы ВИП составляет от 4 до 8 лет в зависимости применяемого топлива

 

Теперь, когда мы видим явную пользу от применения высокоизлучающих керамических покрытий (ВИП) рассмотрим более подробно работу ВИП.

Так что же такое – «высокоизлучающие керамические покрытия» (ВИП)?

1. Каков состав высокоизлучающих керамических покрытий? ( слайд 4)

Исходный состав представляет собой коллоидную систему типа «золь-гель», где в качестве твердой фазы выступает наполнитель – излучающий агент, а жидкой фазой является связующее на основе соединений кремния. Обычно, в качестве наполнителя применяют тонкодисперсный порошок соединений кремния, бора, хрома, молибдена, вольфрама, циркония и углерода.       

2. Какие свойства у высокоизлучающих керамических покрытий? ( слайд 5 и слайд 6)

После нанесения высокоизлучающее керамическое покрытие (ВИП) представляет собой тонкое, газонепроницаемое высокопрочное покрытие обладающее свойствами:

  • термоустойчивость вплоть до 1900°С;
  • исключительная устойчивость к тепловым ударам — более 500 К/сек;
  • устойчивость к выжиганию;
  • устойчивость к абразивному износу;
  • химическая устойчивость в высококоррозионных средах, в том числе в дымовых газах печей и котлов.

Этим обусловлена возможность использования таких покрытий в промышленных печах и котлах.

Высокая механическая прочность покрытия обеспечивает защиту от абразивного износа труб и футеровки, предотвращает проникновение агрессивных газов вглубь огнеупорного материала,  препятствует выкрашиванию несущей основы.

Благодаря своему составу, керамические покрытия обладают хорошим сцеплением с материалом, они могут наноситься как на новую, так и на «старую» футеровку различного типа: будь то огнеупорный кирпич, жаростойкий бетон или волокнистые материалы.

3. Что такое излучательная способность (степень черноты)? ( слайд 7 и слайд 8)

Одним из самых важных свойств высокоизлучающего керамического покрытия (ВИП) является долговременная высокая излучательная способность. Именно благодаря этому свойству и достигается высокий энергосберегающий эффект. Излучательная способность тела – отношение мощности излучения данного тела при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела. Для АЧТ излучательная способность равна 1. Как видим, излучательная способность распространенных огнеупорных материалов существенно снижается с увеличением температуры до значений 0,65 – 0,45. В то время как излучающая способность керамических покрытий практически не зависит от температуры и на всем диапазоне составляет 0,92 – 0,95.

В случае обычного огнеупорного материала, имеющего излучательную способность равную 0,45, из 100% поступающей энергии, от горелок печи, около 55% отражается обратно в дымовые газы и только 40% энергии поглощаются и повторно излучаются. Именно эти 40% могут быть дополнительно поглощены нагреваемым объектом(трубами печи и в конечном счете нефтепродуктом).

 

При использовании специального покрытия излучательная способность поверхности увеличивается, благодаря чему количество повторно излученной энергии возрастает до 87%. Именно эта «переизлученная» с измененным спектром энергия дополнительно поглощается в печи. Таким образом, применение ВИП позволяет использовать тепловую энергию  еще более эффективно.

Понимание применения высокоизлучающих покрытий представляют законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

stefan

В первом случае утверждается, что количество энергии, излученное данным телом, пропорционально его излучательной способности и температуре в 4 степени. Сигма является постоянной величиной. Следовательно, чем больше излучательная способность поверхности, тем большее количество энергии она способна излучить.

Согласно закону Кирхгофа отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и проч. Таким образом, при увеличении излучательной способности возрастает и поглощательная способность тела. А значит высокоизлучающее покрытие обладает и большой поглощательной способностью, т.е. способно поглощать энергии больше по сравнению с обычными материалами. Именно это свойство используется при нанесении керамических покрытий на трубчатые змеевики радиационной камеры.

4. Каким образом достигается сокращение потребления топлива при использовании ВИП? ( слайд 45, слайд 46, слайд 47)

Одним из самых главных преимуществ использования высокоизлучающих покрытий является увеличение энергоэффективности.  В частности это выражается в сокращении расхода топлива, согласно статистическим данным, от 4,5 до 12%.  Также возможно увеличение производительности печи при неизменном потреблении топлива. Более эффективное использование энергии позволяет повысить общий КПД печи.

Поскольку керамические высокоизлучающие покрытия преимущественно переизлучают энергию, а не отражают ее в дымовые газы, наблюдается снижение температуры в камере радиации, как следствие уменьшается температура трубных змеевиков и отходящих дымовых газов. При более низкой температуре наблюдается значительное снижение образования NOx,  а сокращение расхода топлива приводит к уменьшению количества дымовых газов в целом. В итоге мы наблюдаем существенное снижение выбросов парниковых газов (СО2, NOx) до 20%.

5. Каковы результаты от использования ВИП? ( слайд 13, слайд 14)

Использование керамических высокоизлучающих покрытий обеспечивает равномерный нагрев всех элементов печи. Равномерный нагрев способствует лучшему распределению тепла внутри печи. Предотвращается образование «перегретых» или «недогретых» областей, т.е. исключаются резкие перепады температур, а следовательно увеличивается срок службы печи. Благодаря равномерному нагреву сокращаются потери тепла во внешнюю среду через футеровку. Наряду с общим снижением температуры в камере радиации равномерный нагрев увеличивает срок службы трубчатых змеевиков. Снижается коксообразование, поскольку именно локальные перегревы труб являются основной причиной первичного образования кокса. Более равномерное температурное поле существенно облегчает проведение и точность термографических исследований.

6. Как наносить ВИП? ( слайд 10)

На первом этапе необходимо выполнить подготовку поверхности (футеровка, металл труб). Необходимо удалить все загрязнения, как правило это делается с помощью пескоструйной обработки.  В случае новой футеровки никакой дополнительной очистки не требуется.

Наносится при температуре окружающей среды обычным распылением, также покрытие может наносится кистью или валиком. Является покрытием на водной основе, не содержащим химические растворители и летучие вещества. После нанесения необходимо провести сушку при температуре не менее 250°С для формирования равномерного слоя с наилучшими  излучающими характеристиками.

7. Применение абразивоструйной очистки труб с ВИП и без ВИП?

Интенсивные отложения на трубах и футеровке образуются при неполном сгорании топлива (особенно жидкого), его продукты, химически не окисленные, осаждаются на металле труб и образуют прочную, рыхлую структуру с высокой адгезией – к металлу.

Отложения на трубах являются препятствием для проникновения тепла к сырью.

По этой причине очисткой труб от отложений (например: абразивоструйным способом) увеличивают шероховатость поверхности нагрева , что в свою очередь ведет к увеличению «степени черноты» труб и временно может достичь значения 0,8. Из опыта эксплуатации, данный способ увеличения «степени черноты» работает не более 1-2 месяцев, после чего необходима повторная остановка оборудования и очистка.

Защитные свойства ВИП покрытий позволяет создать тонкий газонепроницаемый слой на чистых трубах защищающий поверхность от химически- агрессивных продуктов неполного сгорания топлива, а собственная «степень черноты» ВИП достигает до 0,95-0,98 в зависимости от температуры процесса, материала и т.д..

ВЫВОД:

Таким образом нанесение ВИП покрытий на предварительно очищенные трубы не только сохраняет высокую энергетическую поглощающую способность труб в течение длительного времени (на практике более 5 лет), но и увеличивает поглощающую способность за счет собственной «степени черноты» до значений 0,98.

8. ВИП покрытия защищают поверхность труб и футеровки?( слайд 15, слайд 16)

Высокая химическая и механическая стойкость керамического покрытия обеспечивает надежную защиту оборудования от различных вредных факторов. Применительно к радиационным трубам использование покрытия предотвращает образование окалины и коррозии, защищает от наружных загрязнений и возможного абразивного износа (особенно на твердотопливных печах).  Газонепроницаемое покрытие препятствует разрушающему воздействию агрессивных газов на футеровку. Кроме того, механически прочное покрытие предотвращает эрозию и выкрашивание футеровки, устраняет пылеобразование при использовании волокнистых огнеупорных материалов.

9. Каковы экономические показатели использования ВИП?

Использование керамических покрытий имеет высокие экономические показатели. Прежде всего, это связано с низкими капитальными затратами. Наносится оно достаточно просто и быстро, а значит нет необходимости в использовании сложных инструментов, крупной монтажной техники, минимальное время простоя оборудования.

Полное отсутствие эксплуатационных затрат. Применение керамических высокоизлучающих покрытий имеет короткий срок окупаемости. Экономия топлива происходит постоянно на всем протяжении срока службы покрытия, данный проект имеет высокую окупаемость или рентабельность.

10. В каких областях может использоваться ВИП?( слайд 19)

Где могут использоваться керамические высокоизлучающие покрытия. Можно сказать, что практически везде, где есть процесс передачи тепла радиацией. Они могут использоваться во многих отраслях промышленности:

  • в нефтепереработке и нефтехимии в подогревателях нефти, технологических печах нагрева, реакционных печах, печах пиролиза, риформинга, газовой конверсии.
  • предприятиях по производству аммиака, серы.
  • в металлургии в воздухоподогревателях доменных печей, регенераторах, в коксовых печах, печах отжига, кузнечных горнах.
  • в энергетике в различных котлах и бойлерах.
  • в предприятиях утилизации отходов в промышленных мусоросжигательных печах.

И на этом список областей применения не заканчивается…

 

Таким образом, керамические высокоизлучающие покрытия представляют собой высокотехнологичный продукт, способный существенно повысить энергоэффективность технологических печей и другого топливопотребляющего оборудования.

 

11. Референции внедрения ВИП?( слайды 23-47)

Результаты термосъемки при использовании ВИП (высокоизлучающих покрытий) на змеевиках радиантоной камеры технологической печи.

Термографическая съемка змеевиков печи в рабочем режиме до и после нанесения высокоизлучающего покрытия

ДО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ                                              ПОСЛЕ

   Термографическая съемка змеевиков печи в рабочем режиме до и после нанесения высокоизлучающего покрытия.

    Данная технология уже используется более чем на 150 крупных и средних зарубежных предприятиях, с подтверждением ее эффективности. Специалисты ЗАО "ЦТК-ЕВРО" провели работы по нанесению высокоизлучающего керамического покрытия на более чем 20 объектах нефтеперерабатывающих заводов.

Печи

Процесс / Лицензиар

Производитель печей

Год ввода в эксплуатацию

Год нанесения покрытия ВИП

Эффект по экономии топлива, %

Секция C-300

ВН-311…315

Секция C-100

ВН-1031A

Секция C-1000

ВН-1031B

Комплекс производства ароматических углеводородов

 

Лицензиар - UOP, USA

Technip, France

1983

2012

6,7

Секция C-600

ВН-611

Секция C-700

ВН-731, ВН-741

Секция C-800

ВН-811

Комплекс производства ароматических углеводородов

 

Лицензиар - UOP, USA

Technip, France

1983

2014

10,0

П-101

Атмосферно-вакуумная дистиляция (АВД-1)

Foster Wheeler Iberia S.A.

Foster Wheeler Iberia S.A.

2006

2015

8,9

ОН-1000/1,2

Установка гидроочистки вакуумного газойля

 

Лицензиар - Shevron Reseach & Technology Company, USA

ABB Lummus Heat Transfer, NJ

2001

2015

11,9

П-1,

П-2/2,

П-2/4,

300 H-1,2,3,4

Установка каталитического риформинга (Л-35/11-1000)

 

Лицензиар -UOP, USA

Eurotechnica, Italy

2005

2015

10,0

   По вопросам использования этой технологии обращайтесь к специалистам компании "ЦТК-ЕВРО":

 

Азат Закиевич Каримов

Заместитель генерального директора по технологическим вопросам

Тел.:     +7 495 640 28 64 доб.328

Факс:   +7 495 640 91 64

e-mail: A.Karimov@ctkeuro.ru