Технология высокоизлучающих покрытий

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.       

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.

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.

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.

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%.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

 

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

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