近年来国内石墨换热设备发展概况

-5-第2期近年来国内石墨换热设备发展概况程治方1单新华2（1.中国化工机械动力技术协会，北京100011）（2.无锡市红旗日用化工机械有限公司，江苏无锡214133）[摘要]石墨换热器具有换热效果好、耐腐蚀性强、结构紧凑、占地面积小和易于安装维修等特点。随着化工工艺技术的发展和环境保护要求的升级，仍然有极好应用前景。[关键词]石墨换热器；防腐蚀；强化传热；列管式；块孔式石油和化学工业在生产过程中大量使用换热设备，其中被换热的介质多含有强酸、强碱及相关盐类，对换热设备将造成严重腐蚀，甚至还会造成有毒物质外泄、人身伤亡事故和环境污染等一系列问题。因此要求换热设备不但要有良好的换热性能，而且要有足够的耐腐蚀性。石墨换热器具有换热效果好、耐腐蚀性强、结构紧凑、占地面积小和易于安装维修等特点，上世纪80-90年代一度在国内市场得到广泛应用。近十年来随着化工工艺技术的不断发展，化工生产装置的规模日益大型化，各种新型金属或者非金属材料的开发获得成功，以及节能减排环境保护的要求不断升级，使得石墨换热器在换热设备中的相对比例有所下降，曾有人担心石墨换热设备是否会像衬铅设备一样逐渐走向萎缩。为此笔者对近年来国内石墨换热设备的发展概况进行综合评述，以说明石墨换热设备仍有极好应用前景，希望有关部门和企业关注其生产技术的发展并给予大力支持。1传统石墨换热设备技术发展概况工业发达国家从上世纪40年代起，便相继开发了结构型式各异的石墨换热器。1947年，英国爱奇逊电极公司研制成功了块孔式石墨换热器，鲍威尔杜富林公司开发了DELAN1UM石墨换热器。1949年，日本碳素公司成功地制造出RESBON石墨换热器，法国和前苏联在上世纪60-70年代先后生产出各具特色的石墨换热器。如法国罗兰碳素公司生产的块孔式换热器，其换热面积达1500m2，列管式换热器的换热面积已大于1500m2，作为石墨换热器的换热石墨块的直径达1800mm。我国自1980年以来，伴随改革开放后化学工业的发展，石墨换热器的产量基本呈逐年直线上升趋势。上世纪80年代末期全国石墨换热器总产量超过4万m2。据了解国内从事石墨换热器研究与生产的企业一度达上百家，其中南通碳素厂、上海碳素厂、沈阳化工机械厂、辽阳碳素厂等曾经达到一定的规模实力。国内昀早从事石墨换热器研究与生产的单位是沈阳化工研究院，1956年已开始对酚醛树脂浸渍石墨进行研究，并制造了板式石墨换热器。1959年掌握了酚醛石墨管的制造方法，为我国列管式换热器的大量生产进行了技术储备。1964年沈阳化工机械厂研制成功列管式石墨换热器和矩形块孔式石墨换热器，开创了我国石墨换热器大量应用的先河。1995年，冶金建筑研究院用聚四氟乙烯分散液浸渍石墨生产换热器，用于冶金酸洗钢板，缩小了我国与国外在这一领域的差距。南通碳素厂从上世纪60年代末开始起步，到上世纪80年代已能生产各种结构型式、各种规格的石墨换热器，产量跃居全国第一。但进入上世纪90年代以后，我国石墨换热器的需求逐步达到一个相对稳定水平。生产企业开始从扩大产能转而加大技术改造项目的投入，或者与国际名牌公司建立合资企业，以适应第一次产能过剩后定单数量长期徘徊不前的局面。国内外石墨换热器的生产工艺技术路线常用的有四条。第一条为压型不透性石墨工艺，即将人造石墨粉与合成树脂混合，经压型、固化、机械加工和装配而成。该工艺生产周期短，制造方便，成本低，制造的换热器机械强度高，但传热性能相对较低。前苏联、日本和我国常采用这种技术，适用于制造列管式石墨换热器。如前苏联ATM一型石墨产品，其配方为粗颗粒人造石墨33%，细颗粒人造石墨43.6%，酚醛树脂23.4%。国内生产企业采用这种工艺生产了大量的石墨换热器。为了使石墨换热器能处理某些特殊介质，各国厂家还采用了不同的粘结剂。如前苏联诺契尔斯克电极厂为了提高石墨换热器的抗腐蚀性能，行业分析作者简介：程治方（1951—），男，江苏无锡人，教授级高工，现任中国化工机械动力技术协会副秘书长。-6-行业分析石油与化工设备2010年第13卷开展了用酚醛呋喃复合树脂的研究，并取得了一定的成效。国内不少企业从上世纪70年代开始生产聚氯乙烯压型石墨管，用于制造列管式石墨换热器。有的还在此基础上填充玻璃纤维以提高石墨坯材的强度。第二条为电极浸渍酚醛树脂的工艺，即采用粗颗粒的焦炭与煤沥青混合，经挤压成型、焙烧、石墨化、浸渍、机械加工，再装配而成。这种工艺生产的石墨材料强度高，传热性好，能够制成规格大、换热面积大的块孔式或列管式石墨换热器，但生产周期长，成本较高，基材的粒度粗。这种工艺曾在世界各国的应用相当普及，现在已基本淘汰。而目前我国绝大部分石墨换热器是采用这种工艺生产。第三条是综合性工艺技术路线，即采用细颗粒的人造石墨粉与煤沥青混合后，经振动成型、焙烧、浸渍树脂、加工、装配而成，生产成本较第一、二种工艺路线低得多，制成的石墨材料强度高，质量稳定，特别是石墨化电极紧俏时，意义更大。我国吉林市江城碳素厂就采用这种工艺生产块孔式石墨换热器。第四条为采用化工专用石墨浸渍树脂的工艺技术路线。即把细颗粒的石油焦(颗粒度为0.1—0.2mm)与煤沥青混合，经轧辊、磨粉、模压、焙烧、石墨化、浸渍树脂、机械加工再装配而成。这种不透性石墨材料颗粒细微、致密度高、使用压力达0.5—1.5MPa、换热效率极好，能够制成高质量的石墨换热器，工业发达国家普遍采用这种工艺生产石墨换热器。国内化工建设项目引进的石墨换热器一般均为这类产品。国内东新电碳厂自1981年以来，采用高性能细颗粒结构的不透性石墨材料，生产了KSH系列圆块孔式石墨换热器，达到国外同类产品水平。上述四条工艺路线中，我国主要采用前三种工艺组织生产石墨换热器，其质量与国外产品相比尚有一定差距。为此“八五”计划以来国家将四条工艺路线纳入重大技术装备攻关项目，委托东新电碳厂等单位开展相应的研究，并取得了一定的成果。当然，与量大面广的金属换热设备相比较，石墨换热设备机械强度低和使用温度不高的弱点比较明显，为此，近年来国内外科研和生产部门采用了许多措施以提高石墨换热设备的整机性能。首先是采用材料增强技术，石墨换热器用浸渍石墨块的采用在石墨材料表面涂敷耐磨陶瓷氧化物的方法，提高块材的耐磨蚀性，适宜于在流速快、固体含量大的介质中使用。德国西格里公司开发了这种表面涂敷耐磨陶瓷氧化物涂层的OIABON石墨块材。此外，当列管式换热器用于处理含有较多固体颗粒或流速较快而存在腐蚀危险的场合时，也可以在管板的进料侧涂腐这种涂层，而涂腐这种涂层的成本并不高。石墨换热器用增强石墨管的先将碳纤维束浸入树脂或树脂溶液，然后缠绕在石墨管的外表面，缠绕后，把管子加热到120—180℃，使树脂固化形成坚固的传力桥。这种增强石墨管即使在负载骤减和应力波动时，也能保持其增强效果。石墨管之间、管板与石墨管之间的粘结强度也得到了提高，石墨管的破坏压力可增大30—40%。其次是开发浸渍剂品种。浸渍石墨的不透性是靠浸渍来实现的。因此浸渍剂的质量直接影响石墨换热器的使用性能。常用的浸渍剂有热固性、低粘度的酚醛树脂、改性酚醛树脂、糠酮树脂、有机硅树脂等，使用温度约170℃。同时，世界各国还开发出一些独特的浸渍剂，如日本开发的二乙烯基苯树脂N210系列产品，使用温度一般为180—320℃，大大拓展了石墨换热器的应用范围。而美国开发了聚脂树脂作为石墨材料的浸渍剂，用于制造食品工业用换热设备。此外美、法、日、前苏联等国为使石墨换热器能在高温下使用，采用了“碳浸渍法”，即采用含碳量较高的碳氢化合物在高温下气相热解，使其形成的热解碳沉积在碳孔隙中，以达到石墨材料的不渗透性。这种材料制成的石墨换热器的使用温度高达400℃。我国除常用的酚醛树脂和极少量的聚四氟乙烯浸渍的石墨换热器外，在浸渍剂开发方面与世界水平尚有一定的差距。三是改进石墨换热器结构，提高设备的使用性能和运行稳定性。罗兰碳素公司的块孔式换热器的结构设计在世界上是昀为成功的，其结构特点在于强化液体的流动性，在石墨块的上、下两端面上开一条高度为2—3mm的湍流槽，组装堆叠后将构成湍流增进器。尽管该公司的GMS/8型换热器通常设计为单管程结构形式，但由于在每层之间均设有湍流增进器且长径比达到13.5，因而提高了传热效率。此外通过采用多壳程结构，在每两个换热块中间放一折流板，与壳体侧折流板错开，强制流体经横向孔道流动以提高换热效率。2近年来国内石墨换热设备技术的新发展我国石墨换热器经过近三十年的发展，已经做到了国际上应用的品种绝大部分都能生产，使用材料也从电极石墨转向化工专用石墨，并出现了一批能够生产较高质量、规格齐全的石墨换热器厂家。改革开放以来我国石油和化学工业得到-7-第2期了前所未有的发展，石墨换热器的主要用户化肥工业，经过50多年的发展已形成了包括科研、设计、设备制造、施工安装、生产、销售、农化服务等一套完整的工业体系。氮肥和合成氨产量居世界第一，磷肥产量居世界第二，我国已经成为世界上昀大的化肥生产国和消费国。化肥自给率已接近90%，其中氮肥自给率达到100%，磷肥自给率已达到94%。2008年我国磷肥总产量超过1325万吨，已达到2020年磷肥需求预测水平。化学工业的兴旺大大带动了我国石墨换热器的开发与应用。近年来，用户对规格各异、性能好、质量高的石墨换热器的迫切需求，促使国内石墨换热器厂家纷纷扩大生产能力，加大科研投入，改进生产工艺及技术装备，有的采取与外商合作的方式提高石墨换热器的生产水平，从而大大缩小了我国石墨换热器技术与国外的差距。其进步主要表现在：一是开发了增强不透性石墨材料，扩大换热器的应用范围。石墨换热器用不透性石墨材料的增强技术在美、日、德、法等国已得到较为广泛的应用。如采用碳纤维增强块孔式石墨换热器的浸渍石墨块或列管式石墨换热器的石墨管和石墨管板，以及开发表面涂敷耐磨陶瓷氧化物涂层的石墨材料等新技术等。天华化工机械与自动化研究设计院成功地研制出碳纤维增强石墨管，其性能基本达到德国西格里公司的增强石墨管的性能，从而大大提高了石墨换热器的抗热震性、抗磨蚀性和抗裂性，拓展了石墨换热器在高温、高压等环境中的应用范围。二是开发化工专用石墨材料。国外十分注重发展细颗粒、低孔隙率、高强度的石墨产品。英国摩根碳素公司制造的化工专用石墨坯材的颗粒度小于0.35mm，法国罗兰碳素公司的大规格细颗粒耐高温石墨的颗粒度为0.1-0.2mm和0.5-2.0mm，美国联合碳化物公司拥有当今世界上独特的大块材细颗粒结构不透性石墨，其昀大颗粒为0.15mm。化工专用石墨材料颗粒细、密度高、机械强度和换热性能好，成为世界各国制造石墨换热器的首选材料。国内东新电碳厂、青岛碳制品厂、上海碳素厂等经过努力生产出了高强度、细颗粒的化工专用石墨，从而彻底改变了制造化工用石墨设备使用冶金电极石墨材料的状况。三是开发出一批大规格、高参数石墨换热器。国外石墨换热器的规格大型化、性能高参数化趋势已十分明显，为此国内江西贵溪化肥厂、铜陵磷铵厂等国家重点建设项目专门从法国罗兰碳素公司和维卡勃公司购进了大型石墨换热器。“八五”计划以来，东新电碳厂在化工部的支持下配备了大型混合设备及振动成型机，相继生产出直径为1000mm、1200mm、1300mm的块材，并在焙烧、浸渍和石墨化处理工艺方面进行了有益的探索，大大缓解了国内大型石墨换热器需求方面的矛盾。天华化工机械及自动化研究设计院开发研制的大型氟塑料-石墨板式换热器是上世纪90年代以来非常值得一提的技术成果。由于氟塑料-石墨板式换热器板片是由非金属复合材料压制而成，因此在保证板片能够进行换热的前提下，还要在保证板片具有足够高的强度并能够压制成形方面做大量的工作。在板片设计方面，考虑到非金属复合材料的特点(如与金属材料相比脆性大抗压强度低)，该院借鉴金属板式换热器板片设计经验，设计单板换热面积为0.34-0.6m2板片时将长宽比从金属板片的2.1提高到2.8，即大型板片长度更长但宽度基本保持不变，其结果是介质在换热器中流过的路线更长，由于在换热器内停留的时间更长，换热更为充分，提高了换热器总传热系数。在板片研制方面，