吳景龍，張正國(guó)，吳松海，武明臣

(1.中海油能源發(fā)展珠海精細(xì)化工有限公司，廣東 珠海 519055；2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

吳景龍1，張正國(guó)1，吳松海2，武明臣1

(1.中海油能源發(fā)展珠海精細(xì)化工有限公司，廣東 珠海 519055；2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)是一種能在低蒸汽壓下進(jìn)行高溫?zé)崃抗┙o的熱能裝備系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有傳熱效果好、節(jié)能輸送和操作方便的特性，而導(dǎo)熱油在使用過(guò)程中常因?yàn)闊崃鲝?qiáng)度過(guò)大或加熱管內(nèi)設(shè)計(jì)流速偏低而結(jié)焦, 影響傳熱, 減少導(dǎo)熱油壽命, 甚至威脅系統(tǒng)的安全。針對(duì)以上問(wèn)題，就導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)工藝組成及導(dǎo)熱油劣化的原因進(jìn)行分析并研討清焦措施。

導(dǎo)熱油；熱媒系統(tǒng)；變質(zhì)；清焦

0 引言

導(dǎo)熱油是一種高效的有機(jī)熱載體傳熱介質(zhì)，主要因?yàn)樗谳^高的工藝溫度下飽和蒸汽壓遠(yuǎn)小于水的飽和蒸汽壓而表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性。導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)替代了原有工藝高溫蒸汽加熱的方式，彌補(bǔ)了加熱不均勻，熱穩(wěn)定性差，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[1]，且無(wú)毒無(wú)污染。然而導(dǎo)熱油在加熱爐中受熱時(shí) (主要是輻射段 ), 較高的運(yùn)行溫度會(huì)加速導(dǎo)熱油的劣化、降解，常常因?yàn)闊崃鲝?qiáng)度過(guò)大或加熱管內(nèi)設(shè)計(jì)流速偏低而使熱邊界層加厚, 熱阻增大, 膜溫升高, 造成導(dǎo)熱油結(jié)焦, 殘?zhí)糠e于管壁, 影響傳熱, 并可進(jìn)一步產(chǎn)生局部過(guò)熱, 形成惡性循環(huán), 使導(dǎo)熱油壽命減少,甚至威脅系統(tǒng)的安全。經(jīng)驗(yàn)的做法都是往系統(tǒng)中注入新鮮導(dǎo)熱油，而從未對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行過(guò)再生或更換。導(dǎo)熱油價(jià)格昂貴，因此，規(guī)范地使用和維護(hù)，延長(zhǎng)導(dǎo)熱油使用周期是提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。本文就導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)中導(dǎo)熱油劣化的原因進(jìn)行分析并研討清焦措施。

1 導(dǎo)熱油的性質(zhì)及劣化

導(dǎo)熱油大致可分為礦物型導(dǎo)熱油和合成型導(dǎo)熱油。礦物油是以石油餾分為原料加工制成，主要是烷烴，使用溫度低，一般不能超過(guò)310 ℃。合成型導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性較好, 使用溫度可達(dá)400 ℃, 但價(jià)格較貴。導(dǎo)熱油一般由基礎(chǔ)油加各種添加劑精制而成，基礎(chǔ)油約占導(dǎo)熱油總量的90%以上,可適當(dāng)添加一些抗氧化劑、降凝劑、復(fù)合阻焦清潔劑等添加劑。造成導(dǎo)熱油劣化的原因如下：

1.1 熱裂解及氧化

在高溫下導(dǎo)熱油與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，熱穩(wěn)定性較差的烷烴、環(huán)烷烴的烷基長(zhǎng)側(cè)鏈大量斷裂，發(fā)生裂解及氧化反應(yīng)，氧化生成醛、酮、有機(jī)酸和過(guò)氧化物。生成的輕組分從膨脹槽排出，過(guò)氧化物容易縮合形成膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，牢固地黏附在管道內(nèi)壁的金屬表面， 嚴(yán)重影響傳熱、引起腐蝕。氧化自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式如下：

(1)RH+O2→R·+HOO·

(2)R·+O2→ROO·

(3)ROO·+RH→ROOH+R·

在此反應(yīng)鏈中，氧的含量和自由基的活性決定了反應(yīng)的速度，而自由基的活性隨著溫度的升高也大幅提高[2]。導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)運(yùn)行中突然斷電，爐管內(nèi)的導(dǎo)熱油急劇升溫導(dǎo)致局部過(guò)熱，會(huì)加快裂解和縮合反應(yīng)的速度；氮封系統(tǒng)的失效，法蘭連接和焊接質(zhì)量存在問(wèn)題，都會(huì)加速導(dǎo)熱油的氧化降解。

1.2 雜質(zhì)

雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)熱油的影響是多方面的，一方面，部分雜質(zhì)可以直接與導(dǎo)熱油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另一方面，一些雜質(zhì)，比如金屬，能提高導(dǎo)熱油中自由基的活性，起到催化劑的作用，加快導(dǎo)熱油的劣化速度。導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)管線和罐體為金屬材料, 產(chǎn)生的鐵銹可以加速導(dǎo)熱油的變質(zhì)。換熱器盤(pán)管開(kāi)裂后，若換熱器另一程壓力高于熱媒系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致油竄入熱媒系統(tǒng)，也會(huì)造成污染。

2 導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)

導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)由熱載體爐、熱油循環(huán)泵、膨脹槽、儲(chǔ)油罐、注油泵、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。某精細(xì)化工廠的一套YQL-14000Q型導(dǎo)熱油爐，以導(dǎo)熱油為介質(zhì), 利用循環(huán)泵,強(qiáng)制導(dǎo)熱油進(jìn)行液相循環(huán), 將熱能輸送給換熱設(shè)備后,再返回導(dǎo)熱油爐重新加熱。具體工藝流程如圖1。

圖1 導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)工藝流程

2.1 熱油循環(huán)泵

熱油循環(huán)泵的作用是克服導(dǎo)熱油在循環(huán)過(guò)程中的壓降損失以保證導(dǎo)熱油的循環(huán)。最大循環(huán)量確定為[3]：

G=3.6Q/[C×(t2-t1)×ρ]

(1)

式中:G——導(dǎo)熱油循環(huán)量；

該類(lèi)維修集約范式維修程式的核心理念為“分級(jí)+定期”，采用日常維修和定期檢修相結(jié)合的方式，主要開(kāi)展大修、架修、年檢、半年檢、月檢、日檢等6個(gè)層級(jí)的維修活動(dòng)，如表2所示。同時(shí)，根據(jù)不同城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的線路、車(chē)型差異，6個(gè)層級(jí)的劃分存在一定的差別。該種維修集約范式存在維修工作時(shí)間確定及維修工作時(shí)間集中性明顯等特點(diǎn)。

Q——導(dǎo)熱油爐的供熱量，kW；

C——導(dǎo)熱油平均比熱，kJ/kg·℃；

ρ——導(dǎo)熱油密度，kg/m3；

t1——導(dǎo)熱油爐入口溫度，℃；

t2——導(dǎo)熱油爐出口溫度，℃。

為防止導(dǎo)熱油結(jié)焦一般取溫差t2-t1≤30 ℃。停爐時(shí)必須待導(dǎo)熱油溫度降到70 ℃以下方可停止導(dǎo)熱油循環(huán)泵的運(yùn)行。

2.2 高位膨脹槽

膨脹槽有儲(chǔ)存導(dǎo)熱油受熱膨脹量，補(bǔ)充導(dǎo)熱油，排除系統(tǒng)中氣體的作用。閉式膨脹槽一般采用惰性氣體密封，工作溫度一般要求≤70 ℃，設(shè)計(jì)安裝在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，膨脹槽是有熱位移的設(shè)備，一邊基礎(chǔ)為固定端，一邊為滑動(dòng)端。和熱油儲(chǔ)槽之間設(shè)有雙降液管，一方面能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的熱油膨脹，另一方面能適當(dāng)?shù)嘏懦麄€(gè)系統(tǒng)的氣體，具有導(dǎo)熱油以系統(tǒng)全流量通過(guò)的能力[1]，膨脹槽在正常工況時(shí)保持高液位，這樣可以使得在需冷油置換時(shí)有足夠的導(dǎo)熱油來(lái)防止加熱爐內(nèi)導(dǎo)熱油的超溫過(guò)熱。

2.3 導(dǎo)熱油爐

導(dǎo)熱油加熱爐包括本體、燃燒器、空氣預(yù)熱器、鼓風(fēng)機(jī)、煙囪等，爐管選用20 g無(wú)縫鋼管，加熱爐效率≥92%，系統(tǒng)溫度維持在250 ℃，導(dǎo)熱油出系統(tǒng)壓力為0.5 MPa，采用PLC控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

2.4 儲(chǔ)油罐

儲(chǔ)油罐的主要作用為儲(chǔ)存膨脹器溢流出的導(dǎo)熱油，通過(guò)注油泵向高位膨脹槽中注油，在進(jìn)行維護(hù)檢修時(shí)需將導(dǎo)熱油爐本體、用熱設(shè)備、管路及附件內(nèi)的導(dǎo)熱油全部放盡，因此低位儲(chǔ)油罐的容積應(yīng)不小于導(dǎo)熱油爐中導(dǎo)熱油總?cè)萘康?.2倍。取裝填系數(shù)80%，則儲(chǔ)油罐的容積為[4]：

V=1.2×V0/0.8

(2)

V，儲(chǔ)油罐容積，m3；V0，整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)熱油的體積，m3。

2.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為動(dòng)力控制及儀表顯示控制兩部分，包含熱媒流量、進(jìn)出口油溫、壓力、煙氣溫度檢測(cè)、一鍵點(diǎn)火控制等。

2.6 系統(tǒng)吹掃與排水

通常導(dǎo)熱油爐熱媒系統(tǒng)的工作壓力﹤0.6 MPa，故導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)的管路宜采用空壓機(jī)爆破吹掃。若導(dǎo)熱油爐熱媒系統(tǒng)進(jìn)行水沖洗，則需將系統(tǒng)管路中的水徹底排干凈。導(dǎo)熱油的水分含量一般控制在3×10-4以下，才不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如果水含量過(guò)高會(huì)引起循環(huán)泵氣蝕。某精細(xì)化工廠開(kāi)工時(shí)的導(dǎo)熱油爐的升溫烘爐曲線，如圖2。

圖2 導(dǎo)熱油爐的烘爐曲線

3 導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)的清焦

結(jié)焦是導(dǎo)熱油爐的熱效率降低及導(dǎo)熱油爐失火的主要原因?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)降低熱流強(qiáng)度、減小加熱管徑或提高熱油流速來(lái)預(yù)防結(jié)焦，控制導(dǎo)熱油在加熱爐管內(nèi)工作的適宜流速值為 2～2.5 m/s。判定導(dǎo)熱油是否失效的直接依據(jù)是傳熱效果，但是真正判定導(dǎo)熱油是否失效要依據(jù)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，必要時(shí)還要色譜對(duì)比分析。為了使導(dǎo)熱油系統(tǒng)長(zhǎng)期有效運(yùn)行, 必須對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)進(jìn)行不定期的分析檢測(cè), 諸如黏度、閃點(diǎn)、酸值及殘?zhí)康戎笜?biāo)。當(dāng)導(dǎo)熱油達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)時(shí), 要及時(shí)更換并對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)進(jìn)行徹底的清洗, 延長(zhǎng)熱媒爐的使用壽命。導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)的清焦措施主要為：

3.1 導(dǎo)熱油排出系統(tǒng)后對(duì)傳熱系統(tǒng)的清洗

導(dǎo)熱油熱媒系統(tǒng)停運(yùn)后的清洗主要有物理清洗和化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗分為堿液清洗和酸液清洗兩大類(lèi)，熱媒系統(tǒng)中淤泥和沉積物主要是金屬氧化物和導(dǎo)熱油分解物,加入酸液或堿液后,可用溶劑除去污垢沉積物和淤泥中的導(dǎo)熱油[5]。當(dāng)形成的不溶物質(zhì)完全堵塞了系統(tǒng)，在加熱器表面形成硬焦時(shí)，需要進(jìn)行機(jī)械清洗，如高壓噴水管、蒸汽噴槍和帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的清潔頭的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備機(jī)械清洗等[6]，無(wú)論是化學(xué)清洗或是物理清洗，這些清洗方法均須在熱媒系統(tǒng)停運(yùn)的前提下進(jìn)行，并排空導(dǎo)熱油，將影響熱媒系統(tǒng)正常生產(chǎn)，而且變質(zhì)導(dǎo)熱油的處置也將成為問(wèn)題。

3.2 介質(zhì)管線在線清洗

在線清洗技術(shù)(在線清洗劑結(jié)合高溫物理過(guò)濾) 是在基本不影響熱媒系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，將在線清洗劑直接注入管道中，清除管道內(nèi)壁上的污垢。在導(dǎo)熱油只有輕度氧化或只有輕度腐蝕的情況下，可以通過(guò)旁路過(guò)濾器過(guò)濾，使用循環(huán)泵循環(huán)清洗，施工成本低，難度小。

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，其工藝也在不斷改進(jìn)。導(dǎo)熱油的劣化是不可避免的，選擇熱穩(wěn)定性優(yōu)良的導(dǎo)熱油,規(guī)范地使用和維護(hù)，并定期對(duì)運(yùn)行中的導(dǎo)熱油進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè),預(yù)防導(dǎo)熱油的劣化變質(zhì)，可以最大限度的延長(zhǎng)其使用壽命，是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的重要手段。

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Application of Heat Conduction Oil Heating Medium System in Industrial Production

WU Jing-long1, ZHANG Zheng-guo1, WU Song-hai2, WU Ming-chen1

(1.CNOOC Enertech Zhuhai Fine Chemical LTD., Zhuhai 519055, China; 2.School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The heat conduction oil heating medium system is a kind of heat energy equipment system which can provide high temperature heat supply under low vapor pressure. The system has the advantages of good heat transfer effect, energy saving conveying and convenient operation. However, the heat conduction oil is often heated too hot or the design flow rate of tube is too low which results in coking during using, affecting heat transferring, reducing the life of heat conduction oil, and even threatening the safety of the system. In this paper, the composition of the heat conduction oil heating medium system, reasons for the deterioration of heat conduction oil and decoking measures are analyzed and discussed.

heat conduction oil; heating medium system; deterioration; decoking

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.003

1002-3119(2017)02-0010-03

TE626.39

A

2016-12-05。

吳景龍，工程師，碩士，2014年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，主要從事煉油生產(chǎn)與技術(shù)。E-mail：jinglongwu@126.com