新型太空隔熱特種涂料的研制

新型太空隔熱特種涂料的研制

1球罐區(qū)夏季冷卻石化儲液罐用于儲存液體、丙烯儲液罐，以及用于儲存輕油的垂直金屬罐的外壁。銀粉防腐涂層廣泛應(yīng)用于防止陽光直射罐中。由于它的反射陽光，減少油罐的吸熱量效果不佳。夏季油罐表面溫度可達(dá)到60以上。為確保球罐區(qū)夏季安全,在大氣環(huán)境溫度大于30℃時,需對球罐采取噴淋冷卻措施,不僅消耗大量的水、電,而且噴淋水極易破壞涂層漆膜,產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,進(jìn)而縮短防護(hù)壽命;同時,輕質(zhì)油罐表面溫度高,加大了油品的蒸發(fā)損耗,造成油品損失和大氣污染。為此,江西萍鄉(xiāng)通宇工貿(mào)有限公司與中石化九江分公司合作,通過對熱反射機(jī)理的研究,開發(fā)出了一種具有良好防腐、優(yōu)良熱反射性能及環(huán)保型的水性太空隔熱特種涂料,并在中石化九江分公司液化氣、丙烯球罐及汽油內(nèi)浮頂罐上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。2為特殊表面活性劑開發(fā)和開發(fā)2.1水性環(huán)保型涂料研制開發(fā)的隔熱特種涂料應(yīng)具有以下功能:①針對石化煉油廠設(shè)備防腐涂料性能的要求,具有耐酸堿、耐候性、對設(shè)備具有良好的防腐功能,取代銀粉防腐涂料。②研制、開發(fā)和應(yīng)用在材料制備、加工和使用過程中對環(huán)境無污染的水性環(huán)保型涂料。③隔熱涂料熱反射率高,與銀粉涂料對比:夏季向光處設(shè)備表面溫度降低18℃以上,達(dá)到降低輕油損耗,節(jié)約油氣,取消液化氣、丙烯球罐夏季冷卻噴淋降溫目的。2.2太陽輻射熱的q計(jì)算油品蒸發(fā)損耗與油罐溫度有關(guān),溫度越高,蒸發(fā)損耗就越大。因此,降低油罐的溫度,可降低蒸發(fā)損耗。油罐的熱負(fù)荷主要由五部分組成:溫差滲入熱、太陽輻射滲入熱、油品自身熱、換氣熱、操作熱。其中太陽輻射滲入熱和油罐壁外表面的吸收率α有關(guān):油罐罐頂(壁)吸收太陽輻射熱而增加的滲入熱量用Q表示:Q=∑K·F△t3=∑K·F·Jα/αh式中K—外壁傳熱系數(shù)(外壁面到空氣的傳熱系數(shù)),W/m2·℃;F—外壁傳熱面積,m2;t3—油罐罐頂(壁)吸收太陽輻射熱而引起的附加溫升量,℃;J—太陽輻射強(qiáng)度,W/m2;α—吸收率;αh—外壁的放熱系數(shù),W/m2·℃。由上式可知,當(dāng)K、F及αh不變的情況下,Q與α成正比,即表面吸收率α越大,太陽輻射滲入熱Q越大,而減少吸收率α值,可以有效降低太陽輻射熱的滲入。研究發(fā)現(xiàn),瓷粒具有良好的熱反射性能,以瓷粒為主要原料開發(fā)的太空特種隔熱涂料,其表面吸收率僅為0.15,只有銀灰色油漆的1/4,對太陽輻射熱的吸收量也只有銀灰色油漆的1/4,可有效地降低設(shè)備表面的溫度。由于它是一種取自于天然的化合物,所以無論是產(chǎn)品本身或在使用過程中的廢棄物,都不會對環(huán)境造成污染,屬于水性環(huán)保型涂料。太空隔熱特種涂料由特種陶瓷微粒與惰性乳膠等成份組成。(1)優(yōu)惠酒它是特種涂料的主體之一,乳膠的選擇應(yīng)考慮既有較好的耐堿性又有一定的耐酸性,并且要具有良好的粘接性。(2)瓷粒它是特種涂料的主體之一,主要起隔熱作用,同時具有抗老化性、耐磨性。2.3主要熱量來源太空隔熱特種涂料基本原理是涂料表面的太陽光(紅外輻射為主要熱量來源)通過涂料中的顏填料的粒子形成反射,同時涂料表面吸收的少量熱量,因溫差對外產(chǎn)生熱輻射,大大降低油罐吸收太陽輻射熱而引起的罐體溫升,從而降低設(shè)備表面的溫度。2.4一些因素對獨(dú)特涂層材料的性能的影響2.4.1特種瓷粒與普通瓷粒配比的測試研制太空隔熱特種涂料的關(guān)鍵在于含百分比較大的特種瓷粒,與普通瓷粒的結(jié)構(gòu)、成份不同。該特種瓷粒的制造主要是其成分的配比,即采用高度精選的原料和精確控制其化學(xué)成份,并按其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制制造方法進(jìn)行加工。以下為特種瓷粒與普通瓷粒按同樣的比例配制成兩種涂料,并在同一條件下所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法:250W紅外線燈源;100×100×0.5mm鋼板二塊,分別噴涂特種瓷配制的涂料與普通瓷配制的涂料;燈源距被照物距均為150mm,采用直接接觸式數(shù)字溫度儀,并等時間間隙記錄其不同樣板的溫度,對比結(jié)果見圖1。從圖1可以看出,涂料中的瓷體因其成份的含量不同,涂料的隔熱效果有顯著區(qū)別,含有特種瓷粒的涂料隔熱效果明顯優(yōu)于含有普通瓷粒的涂料,溫差為14℃,說明涂料中的瓷體是影響涂料隔熱效果的主要因素之一。2.4.2瓷粒粒度對表面溫度的影響涂料中瓷粒細(xì)度對熱輻射性能有影響,瓷粒的細(xì)度不同,其光反射方向不一樣,表面吸收熱能的多少也就不同,瓷粒的粒度過大,會造成光在瓷粒之間循環(huán)反射,使表面因吸收熱能而導(dǎo)致溫度升高,同時其表面粗糙、不耐污,若涂刷達(dá)不到一定厚度,還將影響被保護(hù)的表面。將不同粒度的瓷粒按相同配方配比制成涂料,并噴涂在同樣大小的數(shù)塊測試板上進(jìn)行測試比較(實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法同圖1),其對比結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,瓷粒的粒度越大,表面溫度越高,理論上,瓷粒的粒度越小隔熱效果越好,但由于粒度越小,加工成本越高,且粒度250目與粒度200目表面溫度僅相差2℃。其粒度以200目效果為佳。2.4.3不同厚度的涂料熱傳遞性能測試由于涂料的瓷粒或顏料熱導(dǎo)率很低,但因它施工厚度相對較薄(0.3mm),隨熱輻射的時間增加,仍有部分熱量向內(nèi)(基體)傳熱。理論上,噴涂的厚度愈大,在單位時間內(nèi)傳輸?shù)交w的熱量就愈少,隔熱效果愈好,但其成本卻成倍增加,由于該涂料主要通過遏制熱輻射,即通過反射熱輻射實(shí)現(xiàn)對熱傳遞控制。因此,若以高成本投入來控制少量的熱傳遞,其功能價格比就很低,同時造成資源的浪費(fèi)。圖3為噴涂不同厚度的涂料樣板測試比較結(jié)果(實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法同圖1)。從圖3可知,厚度愈大,隔熱效果愈好,但厚度在0.3～0.5mm之間其隔熱效果基本接近,(D)隔熱效果最好,但其成本是(B)的三倍,可同一時間的溫度僅相差5℃。因此,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,油罐噴涂的施工厚度控制在0.3mm左右為佳。實(shí)踐亦表明,噴涂厚度控制在0.3mm左右,完全能達(dá)到要求。2.4.4涂料厚度與防腐效果的關(guān)系控制設(shè)備腐蝕的有效方法是對設(shè)備防腐。涂裝的厚度影響防腐蝕效果,涂料厚度越薄(小于0.1mm),防腐效果差,防腐壽命短(小于2年);涂料厚度越厚,但其成本卻成倍增加。實(shí)驗(yàn)表明:油罐噴涂的施工厚度控制在0.3mm,完全能達(dá)到防腐要求,防腐壽命10年。3特殊的太熱涂料性能3.1物理分辨率太空隔熱特種涂料物理性能見表1。3.2質(zhì)量評價指標(biāo)依據(jù)GB/T9755-95和GB9153-88技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對太空隔熱特種涂料檢定,其質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)見表2。4性能比較試驗(yàn)4.1熱特種涂料的反射率參照(現(xiàn)代涂料與涂裝)(2001.02)中“日光熱反射涂料的研究”文獻(xiàn)中的方法對太空隔熱特種涂料紅外反射率和全太陽光反射率進(jìn)行測定,測定結(jié)果表明:太空隔熱特種涂料的紅外反射率為93%-95%,全太陽光反射率為82%-85%;而同類進(jìn)口隔熱涂料紅外反射率僅為85%-88%,全太陽光反射率為78.3%。因此,太空隔熱特種涂料的熱反射率優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品。4.2不同鋼板通過數(shù)字環(huán)境檢測在實(shí)驗(yàn)室中,用太空隔熱特種涂料與同類進(jìn)口隔熱涂料、銀粉涂料進(jìn)行隔熱效果對比:試驗(yàn)設(shè)備及方法:250W紅外線燈源;100×100×0.5mm鋼板二塊,分別噴涂太空隔熱特種涂料、同類進(jìn)口隔熱涂料和銀粉涂料;燈源距被照物距均為150mm,采用直接接觸式數(shù)字溫度儀,并等時間間隙記錄其不同樣板的溫度,數(shù)據(jù)見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明:太空隔熱特種涂料隔熱效果優(yōu)于同類進(jìn)口隔熱涂料和銀粉涂料。因此,太空隔熱特種涂料在輕質(zhì)油罐及液化氣、丙烯球罐上應(yīng)用有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。5工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)5.1罐型和罐型中石化九江分公司有輕質(zhì)油罐62臺,液化氣、丙烯球罐24臺。2001年7月選定在兩臺汽油內(nèi)浮頂罐(罐號310罐,容積10km3,罐號315罐,容積5000m3)和三臺液化氣、丙烯球罐(罐號822罐,介質(zhì)為丙烯,容積1000m3;罐號826罐,介質(zhì)為液化氣,容積1000m3;罐號828罐,介質(zhì)為液化氣,容積2000m3)上應(yīng)用太空隔熱特種涂料進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),采用噴涂施工方法,噴涂厚度為0.3mm。5.2熱性能與溫度的關(guān)系為檢驗(yàn)該涂料的隔熱效果,2001年8月20日和9月7日先后對汽油內(nèi)浮頂罐及液化氣球罐應(yīng)用太空隔熱特種涂料與同類進(jìn)口隔熱涂料、國產(chǎn)隔熱涼涼膠涂料和銀粉涂料進(jìn)行熱反射性能的對比測試,其測試結(jié)果見表4、表5。從表4可以看出,應(yīng)用太空隔熱特種涂料的汽油內(nèi)浮頂罐與使用銀粉涂料的汽油內(nèi)浮頂罐對比:在環(huán)境溫度36℃時,向光處罐頂表面溫度平均降低28℃,罐頂檢尺口處油氣溫度亦降低28℃,向光處油氣空間罐外壁表面溫度平均降低17℃。從表5可以看出,應(yīng)用太空隔熱特種涂料的液化氣、丙烯球罐與使用同類進(jìn)口隔熱涂料的液化氣、丙烯球罐對比:在環(huán)境溫度32℃、風(fēng)速1.5m/s時,向光處球罐表面溫度平均降低8℃;與國產(chǎn)涼涼膠隔熱涂料對比:在環(huán)境溫度相近條件下,向光處球罐表面溫度平均降低9℃;與銀粉涂料相比:向光處球罐表面可降低溫度約28℃。表明該涂料的應(yīng)用效果優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品和國產(chǎn)涼涼膠隔熱涂料。5.3油口蒸發(fā)損耗對比為檢驗(yàn)該涂料的應(yīng)用效果,2001年9月19日對汽油內(nèi)浮頂罐應(yīng)用太空隔熱特種涂料與使用銀粉涂料進(jìn)行油口蒸發(fā)損耗對比測試,其測試結(jié)果見表6。從表6可以看出,使用銀粉涂料的汽油內(nèi)浮頂罐“呼吸”損耗油氣濃度為1.56%,應(yīng)用太空隔熱特種涂料的汽油內(nèi)浮頂罐“呼吸”損耗油氣濃度為0,表明該涂料可降低油氣損耗,且大氣環(huán)境溫度越高,該太空隔熱特種涂料的隔熱效果越好,降低油品“大、小呼吸”損耗將越大。6經(jīng)濟(jì)分析6.1水資源量節(jié)約液化氣丙烯球罐區(qū)在夏季6月-9月需噴淋降溫,而使用太空隔熱特種涂料后可取消冷卻水噴淋降溫。按供水時間100天,每天8h,水泵電機(jī)功率132kW,供水總量為465m3/h,新鮮水補(bǔ)充量按30%計(jì)算:則每年節(jié)水量11.16萬t,節(jié)約水費(fèi)4.91萬元(水價按0.44元/t);節(jié)電量10.6萬kW·h,節(jié)約電費(fèi)4.24萬元(電價按0.4元/kW·h);太空隔熱特種涂料使用壽命10年,每年節(jié)約施工費(fèi)11.7萬元。同時,減少防腐次數(shù),減輕了職工勞動強(qiáng)度,避免了因清罐帶來的人力、物力損耗。6.2油罐內(nèi)氣體空間比對根據(jù)上述分析結(jié)果,油罐“呼吸”損耗按下式計(jì)算:油罐“呼吸”損耗量=油罐“大呼吸”損耗量+油罐“小呼吸”損耗量即:G=G1+G2=(V1-V2)PC+PCV△T/T式中:G1——油罐“大呼吸”一次損耗量,kg;V1、V2——收油前后氣體空間體積,m3;ρ——油蒸氣密度,kg/m3;C——油氣濃度;G2——油罐“小呼吸”一次損耗量,kg;T——油罐內(nèi)氣體空間晝夜變化前后絕對溫度差,K;V——油罐內(nèi)氣體空間體積,m3;ρ——油蒸氣密度,kg/m3;C——油氣濃度;T——油罐內(nèi)氣體空間晝夜變化前后平均絕對溫度,K。經(jīng)計(jì)算,應(yīng)用太空隔熱特種涂料降低油品“呼吸”損耗量207.12kg/次。因而內(nèi)浮頂罐儲存輕質(zhì)油,其油品“大、小呼