[涂装] 太空隔热特种涂料的开发与应用

太空隔热特种涂料的开发与应用

前言

石化炼油厂用于储存液化验气、丙烯的球罐及用于 储存轻质油品的立式金属油罐外壁普遍采用银粉防腐 涂料 , 因其反射阳光 , 减轻油罐的吸热程度效果较差 , 夏季油罐表面向光处的温度高达 60 ℃ 以上。为确保球罐区夏季安全 , 在大气环境温度大于 30 ℃ 时 , 需对球罐采取喷淋冷却措施 , 不仅消耗大量的水、电 , 而且喷淋水极易破坏涂层漆膜 , 产生严重腐蚀 , 进而缩短防护寿命 ; 同时 , 轻质油罐表面温度高 , 加大了油品的蒸发损耗 , 造成油品损 失和大气污染。为此 , 江西萍乡通宇工贸有限公司与中石化九江分公司合作 , 通过对热反射机理的研究 , 开发 出了一种具有良好防腐、优良热反射性能及环保型的水 性太空隔热特种涂料 , 并在中石化九江分公司液化气、 丙烯球罐及汽油内浮顶罐上进行了工业应用试验。

2 　太空隔热特种涂料研制及开发

2 . 1 　研制开发构思

研制开发的隔热特种涂料应具有以下功能 :

针对石化炼油厂设备防腐涂料性能的要求 , 具有耐酸碱、耐候性、对设备具有良好的防腐功能 , 取代银粉防腐涂料。

研制、开发和应用在材料制备、加工和使用过程中对环境无污染的水性环保型涂料。

隔热涂料热反射率高 , 与银粉涂料对比 : 夏季向光处设备表面温度降低 18 ℃ 以上 , 达到降低轻油损耗 , 节约油气 , 取消液化气、丙烯球罐夏季冷却喷淋降温目的。

2 . 2 　研制

油品蒸发损耗与油罐温度有关 , 温度越高 , 蒸发损耗就越大。因此 , 降低油罐的温度 , 可降低蒸发损耗。油罐的热负荷主要由五部分组成 : 温差渗入热、太阳辐射渗入热、油品自身热、换气热、操作热。其中太阳辐射渗入热和油罐壁外表面的吸收率 α 有关 :

油罐罐顶 ( 壁 ) 吸收太阳辐射热而增加的渗入热量用 Q 表示 :

Q = ∑ K · F △ t 3 = ∑ K · F · J α / α h

式中 K — 外壁传热系数 ( 外壁面到空气的传热系数 ), W/ m 2 ·℃ ;

F — 外壁传热面积 , m 2 ;

△ t 3 — 油罐罐顶 ( 壁 ) 吸收太阳辐射热而引起的附加温升量 , ℃ ; J — 太阳辐射强度 , W/ m 2 ; α — 吸收率 ; α h — 外壁的放热系数 , W/ m 2 ·℃ 。由上式可知 , 当 K 、 F 及 α h 不变的情况下 ,Q 与 α 成 正比 , 即表面吸收率 α 越大 , 太阳辐射渗入热 Q 越大 , 而减少吸收率 α 值 , 可以有效降低太阳辐射热的渗入。研究发现 , 瓷粒具有良好的热反射性能 , 以瓷粒为主要原料开发的太空特种隔热涂料 , 其表面吸收率仅为 0 . 15 , 只有银灰色油漆的 1 / 4 , 对太阳辐射热的吸收量也只有银灰色油漆的 1 / 4 , 可有效地降低设备表面的温度。由于它是一种取自于天然的化合物 , 所以无论是产品本身或在使用过程中的废弃物 , 都不会对环境造成污染 , 属于水性环保型涂料。 太空隔热特种涂料由特种陶瓷微粒与惰性乳胶等成份组成。

( 1 ) 乳胶

它是特种涂料的主体之一 , 乳胶的选择应考虑既有较好的耐碱性又有一定的耐酸性 , 并且要具有良好的粘接性。

( 2 ) 瓷粒

它是特种涂料的主体之一 , 主要起隔热作用 , 同时具有抗老化性、耐磨性。

2 . 3 　原理

太空隔热特种涂料基本原理是涂料表面的太阳光 ( 红外辐射为主要热量来源 ) 通过涂料中的颜填料的粒子形成反射 , 同时涂料表面吸收的少量热量 , 因温差对外产生热辐射 , 大大降低油罐吸收太阳辐射热而引起的罐体温升 , 从而降低设备表面的温度。

2 . 4 　几种因素对隔热特种涂料性能的影响

2 . 4 . 1 瓷粒的成份对隔热性能的影响

研制太空隔热特种涂料的关键在于含百分比较大的特种瓷粒 , 与普通瓷粒的结构、成份不同。该特种瓷粒的制造主要是其成分的配比 , 即采用高度精选的原料和精确控制其化学成份 , 并按其结构设计及控制制造方法进行加工。

以下为特种瓷粒与普通瓷粒按同样的比例配制成两种涂料 , 并在同一条件下所进行的实验。

实验设备及方法 : 250W 红外线灯源 ; 100 × 100 × 0 . 5mm 钢板二块 , 分别喷涂特种瓷配制的涂料与普通瓷配制的涂料 ; 灯源距被照物距均为 150mm , 采用直接接 从图 1 可以看出 , 涂料中的瓷体因其成份的含量不同 , 涂料的隔热效果有显著区别 , 含有特种瓷粒的涂料隔热效果明显优于含有普通瓷粒的涂料 , 温差为 14 ℃ , 说明涂料中的瓷体是影响涂料隔热效果的主要因素之一。

图 1 喷涂特种瓷配制的涂料与普通瓷配制的涂料隔热效果

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2 . 4 . 2 瓷粒的细度对隔热性能的影响

涂料中瓷粒细度对热辐射性能有影响 , 瓷粒的细度不同 , 其光反射方向不一样 , 表面吸收热能的多少也就不同 , 瓷粒的粒度过大 , 会造成光在瓷粒之间循环反射 , 使表面因吸收热能而导致温度升高 , 同时其表面粗糙、不耐污 , 若涂刷达不到一定厚度 , 还将影响被保护的表面。

将不同粒度的瓷粒按相同配方配比制成涂料 , 并喷涂在同样大小的数块测试板上进行测试比较 ( 实验设备及方法同图 1 ), 其对比结果见图 2 。

从图 2 可以看出 , 瓷粒的粒度越大 , 表面温度越高 , 理论上 , 瓷粒的粒度越小隔热效果越好 , 但由于粒度越小 , 加工成本越高 , 且粒度 250 目与粒度 200 目表面温度仅相差 2 ℃ 。其粒度以 200 目效果为佳。

图 2 　不同粒度的瓷粒对隔热效果的影响

2 . 4 . 3 涂料厚度对隔热性能的影响

由于涂料的瓷粒或颜料热导率很低 , 但因它施工厚度相对较薄 ( 0 . 3mm ), 随热辐射的时间增加 , 仍有部分热量向内 ( 基体 ) 传热。理论上 , 喷涂的厚度愈大 , 在单位时间内传输到基体的热量就愈少 , 隔热效果愈好 , 但其成本却成倍增加 , 由于该涂料主要通过遏制热辐射 , 即通过反射热辐射实现对热传递控制。因此 , 若以高成本投入来控制少量的热传递 , 其功能价格比就很低 , 同时造成资源的浪费。图 3 为喷涂不同厚度的涂料样板测试比较结果 ( 实验设备及方法同图 1 ) 。

从图 3 可知 , 厚度愈大 , 隔热效果愈好 , 但厚度在 0 . 3 ～ 0 . 5mm 之间其隔热效果基本接近 ,(D) 隔热效果最好 , 但其成本是 (B) 的三倍 , 可同一时间的温度仅相差 5 ℃ 。因此 , 从技术经济分析 , 油罐喷涂的施工厚度控制在 0 . 3mm 左右为佳。实践亦表明 , 喷涂厚度控制在 0. 3mm 左右 , 完全能达到要求。

2 . 4 . 4 涂料厚度对防腐蚀效果的影响

图 3不同厚度的涂料对隔热效果的影响

控制设备腐蚀的有效方法是对设备防腐。涂装的厚不同厚度的涂料对隔热效果的影响度影响防腐蚀效果 , 涂料厚度越薄 ( 小于 0 . 1mm ), 防腐效果差 , 防腐寿命短 ( 小于 2 年 ); 涂料厚度越厚 , 但其成本却成倍增加。实验表明 : 油罐喷涂的施工厚度控制在 0 . 3mm , 完全能达到防腐要求 , 防腐寿命 10 年。

3 　太空隔热特种涂料性能

3 . 1 　物理性能

太空隔热特种涂料物理性能见表 1 。

表1太空隔热特种涂料物理性能

质量技术指标

依据 GB/ T9755 -95 和 GB9153 -88 技术标准要求对太空隔热特种涂料检定 , 其质量技术指标见表 2 。

表2太空隔热特种涂料质量技术指标

4　性能对比试验
4.1　太空隔热特种涂料与同类进口隔热涂料热反射率对比
参照(现代涂料与涂装)(2001.02)中“日光热反射涂料的研究”文献中的方法〔1〕对太空隔热特种涂料红外反射率和全太阳光反射率进行测定,测定结果表明:
太空隔热特种涂料的红外反射率为93%-95%,全太阳光反射率为82%-85%;而同类进口隔热涂料红外反射率仅为85%-88%,全太阳光反射率为78.3%。因此,太空隔热特种涂料的热反射率优于同类进口产品。
4.2　太空隔热特种涂料与同类进口隔热涂料和银粉涂料隔热效果对比
在实验室中,用太空隔热特种涂料与同类进口隔热涂料、银粉涂料进行隔热效果对比:
试验设备及方法:250W红外线灯源;100×100×0.5mm钢板二块,分别喷涂太空隔热特种涂料、同类进口隔热涂料和银粉涂料;灯源距被照物距均为150mm,采用直接接触式数字温度仪,并等时间间隙记录其不同样板的温度,数据见表3。

表3太空隔热特种涂、同类进口隔热涂料与银粉涂料对比数据
　　试验结果表明:太空隔热特种涂料隔热效果优于同类进口隔热涂料和银粉涂料。因此,太空隔热特种涂料在轻质油罐及液化气、丙烯球罐上应用有极大的经济效益和社会效益。
5　工业应用试验
5.1　应用情况
中石化九江分公司有轻质油罐62台,液化气、丙烯球罐24台。2001年7月选定在两台汽油内浮顶罐(罐号310罐,容积10km3,罐号315罐,容积5000m3)和三台液化气、丙烯球罐(罐号822罐,介质为丙烯,容积1000m3;罐号826罐,介质为液化气,容积1000m3;罐号828罐,介质为液化气,容积2000m3)上应用太空隔热特种涂料进行工业试验,采用喷涂施工方法,喷涂厚度为0.3mm。
5.2　隔热效果测试
为检验该涂料的隔热效果,2001年8月20日和9月7日先后对汽油内浮顶罐及液化气球罐应用太空隔热特种涂料与同类进口隔热涂料、国产隔热凉凉胶涂料和银粉涂料进行热反射性能的对比测试,其测试结果见表4、表5。

表4汽油内浮顶罐喷涂太空隔热特种涂料与银粉涂料现场温度测试数据
　　注:测试仪表:便携式红外线辐射温度计、便携式表面温度计

表5液化气球罐喷涂太空隔热特种涂料与同类进口隔热涂料、国产凉凉胶涂料、银粉现场温度测试数据
　　注:测试仪表:便携式红外线辐射温度计、便携式表面温度计、热球式电风速计
　　从表4可以看出,应用太空隔热特种涂料的汽油内浮顶罐与使用银粉涂料的汽油内浮顶罐对比:在环境温度36℃时,向光处罐顶表面温度平均降低28℃,罐顶检尺口处油气温度亦降低28℃,向光处油气空间罐外壁表面温度平均降低17℃。
从表5可以看出,应用太空隔热特种涂料的液化气、丙烯球罐与使用同类进口隔热涂料的液化气、丙烯球罐对比:在环境温度32℃、风速1.5m/s时,向光处球罐表面温度平均降低8℃;与国产凉凉胶隔热涂料对比:在环境温度相近条件下,向光处球罐表面温度平均降低9℃;与银粉涂料相比:向光处球罐表面可降低温度约28℃。表明该涂料的应用效果优于同类进口产品和国产凉凉胶隔热涂料。
5.3“呼吸损耗测试
为检验该涂料的应用效果,2001年9月19日对汽油内浮顶罐应用太空隔热特种涂料与使用银粉涂料进行油口蒸发损耗对比测试,其测试结果见表6。

表6汽油内浮顶罐喷涂太空隔热特种涂料与银粉涂料现场油
从表6可以看出,使用银粉涂料的汽油内浮顶罐“呼吸损耗油气浓度为1.56%,应用太空隔热特种涂料的汽油内浮顶罐“呼吸损耗油气浓度为0,表明该涂料可降低油气损耗,且大气环境温度越高,该太空隔热特种涂料的隔热效果越好,降低油品“大、小呼吸损耗将越大。
6　经济效益分析
6.1　节约水电费
液化气丙烯球罐区在夏季6月-9月需喷淋降温,而使用太空隔热特种涂料后可取消冷却水喷淋降温。按供水时间100天,每天8h,水泵电机功率132kW,供水总量为465m3/h,新鲜水补充量按30%计算:则每年节水量11.16万t,节约水费4.91万元(水价按0.44元/t);节电量10.6万kW·h,节约电费4.24万元(电价按0.4元/kW·h);太空隔热特种涂料使用寿命10年,每年节约施工费11.7万元。
同时,减少防腐次数,减轻了职工劳动强度,避免了因清罐带来的人力、物力损耗。
6.2　降低油品损耗
根据上述分析结果,油罐“呼吸损耗按下式计算:
油罐“呼吸损耗量=油罐“大呼吸损耗量+油罐“小呼吸损耗量
即:G=G1+G2=(V1-V2)PC+PCV△T/T〔2〕
式中:G1
V1、V2ρCG2
油罐“大呼吸一次损耗量,kg;—收油前后气体空间体积,m3;油蒸气密度,kg/m3;
油气浓度;油罐“小呼吸一次损耗量,kg;
△T—油罐内气体空间昼夜变化前后绝对温度差,K;
V油罐内气体空间体积,m3;
ρ油蒸气密度,kg/m3;
C油气浓度;
T油罐内气体空间昼夜变化前后平均绝对温度,K。
经计算,应用太空隔热特种涂料降低油品“呼吸”损耗量207.12kg/次。
因而内浮顶罐储存轻质油,其油品“大、小呼吸损耗本身很低。而据上述测试和计算结果可以看出,使用太空隔热特种涂料的内浮顶罐可进一步降低油品“大、小呼吸损耗,且降低效果较明显。
7　结论
太空隔热特种涂料优于同类进口产品和国产凉凉胶隔热涂料,具有优良的热反射性能,能有效阻止太阳辐射热吸收(尤其在夏天高温曝晒下),降低油罐表面、罐内介质及油气的温度,从而减少轻油大、小“呼吸损耗,可取消用于液化气球罐喷淋降温的冷却水,促进节能、环保并起到保障安全的作用,是一种在工业上具有广泛应用前景的隔热特种涂料。