近年来国内石墨换热设备发展概况

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第２期 －５－ 行　业　分　析 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１５００ｍ　２，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　内最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， 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最为成功的，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 第２期 程治方等 近年来国内石墨换热设备发展概况综述 －７－ 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　世界上最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。