汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑
上海熱油爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中心
在化工和紡織生產(chǎn)中進(jìn)行高溫操作時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到需要均勻加熱,且不允許采用火焰直接加熱印染布料或電熱棒直接加熱化工物料等情況。因此可采用熱載體加熱爐輸出的熱載體去間接加熱化工物料或紡織印染布料[1]。由于180 ℃時(shí)飽和水蒸氣壓力為1.0 MPa,所以當(dāng)生產(chǎn)用熱溫度低于160 ℃時(shí),飽和水蒸氣就是一種很好的熱載體,飽和水蒸氣冷凝時(shí)的放熱系數(shù)很高,需用量不大,溫度易于調(diào)節(jié),又能使化工物料或紡織印染棉布料被均勻地加熱。但是隨著飽和水蒸氣溫度的不斷升高,水蒸氣的壓力會(huì)急劇上升,因此可以采用導(dǎo)熱油爐[2]、熔鹽爐、道生爐、中壓中溫?zé)崴疇t就能在低壓操作情況下均勻地加熱化工物料或紡織印染化纖布料[3]。
為了消除化工物料突然過(guò)熱,且達(dá)到均勻加熱的目的,可使用導(dǎo)熱油作為熱載體,采用導(dǎo)熱油爐液相加熱和強(qiáng)制循環(huán)操作方法,將冷的導(dǎo)熱油通過(guò)注油泵從貯油槽中抽出送至循環(huán)系統(tǒng)內(nèi),并由熱油循環(huán)泵送入導(dǎo)熱油爐內(nèi),導(dǎo)熱油被加熱后送至用熱裝置中進(jìn)行熱量交換,釋放熱能后的低溫導(dǎo)熱油進(jìn)入氣液分離器內(nèi),再返回流至熱油循環(huán)泵后,又再次被送入導(dǎo)熱油爐內(nèi)加熱升溫,周而復(fù)始,達(dá)到導(dǎo)熱油爐向外界供熱的目的[4]。因?yàn)閷?dǎo)熱油在開(kāi)始加熱時(shí)體積會(huì)發(fā)生膨脹,所以,膨脹的導(dǎo)熱油可通過(guò)膨脹管進(jìn)入高位膨脹槽內(nèi)。特別要注意的是在導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),如果熱油循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)突然停止,將會(huì)導(dǎo)致?tīng)t子內(nèi)導(dǎo)熱油過(guò)熱結(jié)焦積垢現(xiàn)象發(fā)生,因此在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中熱油循環(huán)泵是要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的;同時(shí)導(dǎo)熱油對(duì)過(guò)熱現(xiàn)象又比較敏感,易于發(fā)生局部過(guò)熱而產(chǎn)生熱分解,使得導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化[5];另外,導(dǎo)熱油在長(zhǎng)期使用后黏度還會(huì)增大。所以在采用導(dǎo)熱油液相循環(huán)加熱時(shí),必須使導(dǎo)熱油在供熱系統(tǒng)中不斷循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn),并且還應(yīng)該嚴(yán)格控制導(dǎo)熱油的使用溫度。
燃油或燃?xì)庑蛯?dǎo)熱油爐的圓筒形爐體結(jié)構(gòu)緊湊[6],爐膛內(nèi)均為微正壓操作,爐體內(nèi)基本上無(wú)耐火襯里,爐管多為三層圓形盤管,依次套入爐體內(nèi),分別接受輻射和對(duì)流傳熱,燃燒器都是安裝在立式爐的頂部或底部,以及臥式爐的端部,燃燒器可自動(dòng)控制和安全聯(lián)鎖調(diào)節(jié),從而對(duì)導(dǎo)熱油爐液相強(qiáng)制循環(huán)的安全運(yùn)行起到保護(hù)作用[7]。燃油或燃?xì)庑蛯?dǎo)熱油爐的占地面積小、可以靠近用熱裝置運(yùn)行操作,對(duì)廠房亦無(wú)特殊要求,可節(jié)省導(dǎo)熱油的輸送管道長(zhǎng)度和投資費(fèi)用。另外由于爐膛內(nèi)沒(méi)有耐火襯里,這不僅減輕了整個(gè)爐體重量,同時(shí)也減少了爐體的外形尺寸,從而節(jié)約爐用鋼材、降低爐子造價(jià)。但缺點(diǎn)是爐子結(jié)構(gòu)很緊湊,爐體內(nèi)通道非常狹窄,使得檢修清理不太方便。
燃煤鏈條爐排或往復(fù)爐排整體式快裝導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)非常緊湊,燃燒效果較好[8],可以整體運(yùn)輸及安裝,方便客戶使用。另外,由于導(dǎo)熱油爐是單純加熱導(dǎo)熱油,同時(shí)導(dǎo)熱油基本上又是采用強(qiáng)制循環(huán),且導(dǎo)熱油出口溫度較高,但是導(dǎo)熱油進(jìn)、出口溫差又比較低,故使得導(dǎo)熱油爐的排煙溫度較高,所以導(dǎo)熱油爐的熱效率均在65%~70%左右。為了節(jié)省能源,提高經(jīng)濟(jì)效益,必須考慮采用更多的方法來(lái)提高爐子熱效率,例如加裝省煤器或空氣預(yù)熱器,用于回收煙氣余熱,去加熱成熱水或熱風(fēng),再加熱生產(chǎn)工藝所用的低溫物料。另外還要加強(qiáng)爐體保溫措施減少熱量損失,使整個(gè)循環(huán)供熱系統(tǒng)的總熱效率達(dá)到78%~80%左右[9]。分離式導(dǎo)熱油爐是將爐座燃燒部分和爐體加熱部分兩者分開(kāi),采用鏈條爐排或往復(fù)爐排燃燒裝置,爐管受熱面沒(méi)有布置在燃燒室內(nèi)部,因此爐管受熱面不會(huì)接觸到1 000 ℃以上的高溫火焰,這種加熱方法使得爐管受熱比較均勻,故適用于較大供熱量的用戶,而且還可以通過(guò)煙道旁路系統(tǒng)去調(diào)節(jié)煙氣的流量;但是分離式導(dǎo)熱油爐的占地面積比起整體式導(dǎo)熱油爐要大了許多,其結(jié)構(gòu)布置也不如整體式導(dǎo)熱油爐緊湊,而且分離式導(dǎo)熱油爐的耗用鋼材量也比較多。
熔鹽采用的是亞硝酸鹽、硝酸鹽的混合物,其組成為40%NaNO2、7%NaNO3、53%KNO3或者是45%NaNO2、55%KNO3,以上混合物在常壓下的熔點(diǎn)為142 ℃,沸點(diǎn)為680 ℃,重度在140~570 ℃時(shí)為1 970~1 680 kgf/m3,熔鹽比熱在固態(tài)時(shí)為0.32 kcal/(kg·℃),在液態(tài)時(shí)為0.373 kcal/(kg·℃),熔解潛熱為20kcal/kg,因此當(dāng)熔鹽作為熱載體時(shí),在常壓下可以達(dá)到530~540 ℃,最高工作溫度可達(dá)到580 ℃,所以,熔鹽是加熱400 ℃以上時(shí)的最好熱載體[10]。
燃油或燃?xì)庑腿埯}爐通常采用圓筒形立式結(jié)構(gòu),燃燒器安裝在爐子的頂部或底部,爐體內(nèi)安裝有12Cr1MoVG 特種無(wú)縫管制造的內(nèi)、外兩層圓形螺旋盤管,內(nèi)圈盤管為輻射傳熱,外圈盤管為對(duì)流傳熱,其中內(nèi)圈盤管為3 導(dǎo)程,外圈盤管為2 導(dǎo)程,內(nèi)、外雙層圓形螺旋盤管采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式,以確保用戶對(duì)于爐管內(nèi)壓降的要求。爐子殼體材料應(yīng)根據(jù)所接觸的煙氣溫度高低不同進(jìn)行選取,也就是與高溫?zé)煔饨佑|的爐子殼體材料采用0Cr18Ni9,可以承受870 ℃高溫?zé)煔?;而與低溫?zé)煔饨佑|的爐子殼體材料采用12 Cr1MoV,即可以承受580 ℃高溫?zé)煔?;并且在爐子筒體外表面采用槽鋼進(jìn)行徑向和軸向支撐加強(qiáng)。另外,爐管支撐形式是內(nèi)圈盤管采取上部吊掛式、外圈盤管采取下部支撐式,也就是外圈盤管下部支撐在爐底支架上,從而向上可以自由膨脹;而內(nèi)圈盤管和爐頂盤管采用上部吊掛裝置吊掛在爐子殼體上,從而向下可以自由膨脹,并且內(nèi)圈盤管上端部與爐頂小蓋板之間保持相對(duì)靜止,從而可以有效地保證煙氣密封性以及降低爐頂外表面溫度。
如果燃油或燃?xì)獾娜紵靼惭b在熔鹽爐頂部中心,爐管束結(jié)構(gòu)采用圓形螺旋盤管結(jié)構(gòu),其受熱面是由內(nèi)、外兩層圓形螺旋盤管,以及圓形爐頂盤管(與內(nèi)層盤管串聯(lián))組成,則燃燒器噴射的高溫火焰向下燃燒,灼熱的燃燒氣體從圓形爐體中心向下流動(dòng),到達(dá)爐底部反轉(zhuǎn)向流入兩層螺旋盤管之間的煙氣通道內(nèi),并將熱量傳遞給螺旋盤管內(nèi)的流動(dòng)熔鹽[11]。也就是說(shuō)高溫?zé)煔庥缮隙屡c爐頂盤管、內(nèi)層螺旋盤管進(jìn)行輻射換熱后,到達(dá)爐底部的中溫?zé)煔夥崔D(zhuǎn)向進(jìn)入內(nèi)、外兩層螺旋盤管之間所構(gòu)成的煙氣通道中進(jìn)行對(duì)流換熱,再次到達(dá)爐頂部的低溫?zé)煔夥崔D(zhuǎn)向進(jìn)入外層螺旋盤管與爐子殼體內(nèi)表面之間所構(gòu)成的煙氣通道中進(jìn)行對(duì)流換熱,最終換熱完成后煙氣由爐子殼體下部的排煙口排出。然后余熱煙氣流入空氣預(yù)熱器內(nèi)與助燃空氣進(jìn)行換熱,最后的煙氣進(jìn)入煙氣脫硫除塵器之后再排入到煙囪內(nèi)排出。而流動(dòng)熔鹽由爐管束的下聯(lián)集箱管進(jìn)入爐體,在熔鹽爐內(nèi)吸收熱量后,再?gòu)臓t管束的上聯(lián)集箱管流出爐體,因?yàn)槿埯}流動(dòng)是由下向上,剛好與煙氣由上而下流動(dòng)構(gòu)成逆向?qū)α鲹Q熱,故換熱效果是最好的。
由26.5%聯(lián)苯C8H5—C6H5和73.5%的二苯醚C8H5—O—C6H5所組成的低熔點(diǎn)混合物,簡(jiǎn)稱為聯(lián)苯混合物或稱道生。道生在常壓下的沸點(diǎn)為258 ℃,凝固點(diǎn)為12.3 ℃,臨界溫度為528 ℃,臨界壓力為4.1 MPa(絕),在液態(tài)時(shí)為無(wú)色,且具有天竺葵花的氣味,與水幾乎不混合。道生具有足夠的熱穩(wěn)定性,能在385 ℃下長(zhǎng)期操作和在400 ℃下短期操作,具有較低的蒸汽壓力。道生的飽和蒸汽溫度250 ℃時(shí),飽和蒸汽壓力為0.1 MPa(絕)左右;而水蒸氣在250 ℃時(shí),飽和蒸汽壓力為4.0 MPa(絕)。在350 ℃時(shí),水的飽和蒸汽壓力為16.86 MPa(絕);而道生的相應(yīng)飽和蒸汽壓力僅為0.53 MPa(絕)。道生是不同于其它高溫?zé)彷d體,且具有一系列的優(yōu)越性,比重及比熱遠(yuǎn)較煙氣為高,熔點(diǎn)比熔鹽及易熔金屬低得多,熱穩(wěn)定性要比導(dǎo)熱油好很多。但缺點(diǎn)是稍微有毒性、滲透性很強(qiáng),對(duì)密封要求很高??傊?85 ℃以下的高溫加熱情況下,使用道生的飽和蒸汽加熱是非常有效,且又是非常經(jīng)濟(jì)的方法,其優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)溫度,放熱系數(shù)比較高,加熱非常均勻,且無(wú)局部過(guò)熱的現(xiàn)象。管式道生爐的結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單,受熱面積較大,燃燒可以采用燃油、燃?xì)饣蛉济海€可以設(shè)置機(jī)械化燒煤設(shè)施及消煙除塵裝置,管式道生爐通常用于道生氣相循環(huán)供熱系統(tǒng)的加熱操作。其缺點(diǎn)是金屬材料耗量較大,且占地面積較大。
圓筒道生爐通常有立管圓筒型和盤管圓筒型,該圓筒爐型結(jié)構(gòu)比較適用于燃油、燃?xì)庾鳛槿剂?,圓筒爐型的占地面積較小,可露天放置,無(wú)需送風(fēng)、引風(fēng)設(shè)備,可節(jié)約風(fēng)機(jī)電能,圓筒道生爐可用于道生液相循環(huán)供熱系統(tǒng)的加熱操作[12]。盤管圓筒道生爐是將受熱管做成圓盤管,其管間距和受熱管直徑近似相等,圓盤管彼此緊密相聯(lián),分層放置,一般層數(shù)為2~4層,而通常是采用三層結(jié)構(gòu)。其中最內(nèi)層圓盤管的內(nèi)側(cè)一半爐管面受火焰輻射加熱,外側(cè)一半爐管面受高溫?zé)煔鈱?duì)流加熱,中層圓盤爐管和外層圓盤爐管全部是受煙氣對(duì)流加熱。由于爐盤管緊密相聯(lián),同心分層放置,使?fàn)t體結(jié)構(gòu)比較緊湊、體積減小,耗用金屬材料及占地面積亦少。同時(shí)爐體結(jié)構(gòu)密封,可以正壓操作,也可以負(fù)壓操作。爐子的燃料可以采用燃油或燃?xì)?,也可以使用燃煤,故?duì)燃料的適應(yīng)性較好。
道生在受熱的爐管中要有一定的流速,在這個(gè)流速下應(yīng)有較大的傳熱系數(shù)、較小的阻力降,避免局部過(guò)熱而使道生結(jié)焦,對(duì)于道生氣相加熱系統(tǒng),道生在爐管內(nèi)流速可選取1.0~1.5 m/s;而對(duì)于道生液相加熱系統(tǒng),道生在爐管內(nèi)流速可選用為1.5~2.5 m/s。確定了爐管內(nèi)流速之后,可根據(jù)爐子的供熱量及道生進(jìn)出口溫度,確定道生的循環(huán)量,進(jìn)一步計(jì)算可得出爐管的直徑,考慮到加熱效果及制造方便,建議爐管的管徑不宜選得過(guò)大[13]。對(duì)于爐管材質(zhì)的選擇,主要是根據(jù)爐管的最高管壁溫及道生對(duì)爐管的腐蝕性而確定,由于道生對(duì)金屬材料的腐蝕性極微,故選材的決定因素是爐管的最高管壁溫;從道生使用溫度來(lái)看,一般都低于300 ℃,最高的也超不過(guò)385 ℃,所以其爐管壁溫都低于450 ℃,因此,可以選用鍋爐鋼管作為管式道生爐的輻射面受熱管,普通碳鋼管作為對(duì)流面受熱管。另外還必須進(jìn)行爐內(nèi)的傳熱計(jì)算,以確定滿足供熱要求的管式道生爐受熱面積。
中壓中溫?zé)崴疇t的熱載體是汽水混合物,它在密閉的循環(huán)系統(tǒng)中靠本身的比重差來(lái)進(jìn)行自然循環(huán),通常采用0.6~1.0 MPa 水蒸氣可使化工物料加熱到150~160 ℃。在密閉循環(huán)系統(tǒng)中,水承受中壓中溫,不允許結(jié)垢產(chǎn)生,所以最好使用蒸餾水。在啟動(dòng)之前全部密閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)需注入蒸餾水,以便排出管道中的空氣,然后開(kāi)始將水加熱。加熱時(shí)充滿密閉循環(huán)系統(tǒng)中的水因受熱而膨脹,故密閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的壓力也迅速增大,逐漸由放出活門將水放出一部分,以維持密閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的壓力,使其略高于當(dāng)時(shí)爐管內(nèi)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力。這樣一方面加熱,一方面排去部分多余的水,逐漸將其溫度和壓力升高到臨界狀態(tài),在這個(gè)過(guò)程中,任何時(shí)間內(nèi)密閉循環(huán)系統(tǒng)中都要充滿水,而不能有空氣或蒸汽存在。此后關(guān)閉放出活門,即可準(zhǔn)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而當(dāng)密閉循環(huán)系統(tǒng)冷卻后,水占的容積較少,所余部分容積,將被與水相同溫度的飽和蒸汽充填。當(dāng)然任何時(shí)間內(nèi)密閉循環(huán)系統(tǒng)中蒸汽與水均具有相同的壓力和其相當(dāng)?shù)娘柡驼羝麥囟取?/p>
利用自然循環(huán)的熱水爐是不要給水,不要排污,不要大汽包。且被加熱設(shè)備必須安裝在高于熱水爐4~5 m 處位置,以保證水能夠自然循環(huán)。水在熱水爐體內(nèi)的管束中被高溫?zé)煔饧訜?,產(chǎn)生汽水混合物,由于比容增大,被加熱的汽水混合物沿著管道上升。并通過(guò)被加熱設(shè)備的換熱管,在該換熱管處的汽水混合物釋放出熱量[14]。冷卻后的水具有較大的重度,故能沿著管道回流到熱水爐內(nèi)的管束中,重新加熱形成循環(huán)。中壓中溫?zé)崴疇t優(yōu)點(diǎn)是能夠靈敏地調(diào)節(jié)溫度,使化工物料均勻加熱;但缺點(diǎn)是需要較高的壓力,對(duì)設(shè)備的制造、檢驗(yàn)要求很高。
熱載體加熱爐節(jié)能減排的主要措施是:煙氣余熱回收利用、增加爐體保溫措施減少熱量損失、增強(qiáng)爐體密封措施減少漏風(fēng)損失、采用高效燃燒技術(shù)與節(jié)能裝置、調(diào)整優(yōu)化空氣/燃料的燃燒比例。
由于熱載體加熱爐的排煙溫度較高,煙氣帶走的熱量占到熱載體加熱爐供熱量的30%~50%,所以,排煙熱損失在能源消耗中占有相當(dāng)大的比例,為了節(jié)省能源,提高經(jīng)濟(jì)效益,需要采取煙氣余熱回收利用的節(jié)能措施。例如在煙氣出口處安裝省煤器或空氣預(yù)熱器、波紋管換熱器等裝置,將排出的中溫?zé)煔庥酂嵊糜谏a(chǎn)蒸汽、熱風(fēng)烘干、熱水洗滌等生產(chǎn)工藝[15],從而可提高熱載體加熱爐供熱循環(huán)系統(tǒng)的總供熱效率,但同時(shí)也要考慮余熱回收裝置投資的經(jīng)濟(jì)性,且投資回收周期不能過(guò)長(zhǎng)。
增加爐體保溫措施減少熱量損失,例如使用耐火纖維等絕熱材料降低爐墻的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù),減少爐體導(dǎo)熱所致的散熱損失,爐體采用輕質(zhì)耐火材料可以降低爐墻容積比熱,減少爐體蓄熱損失。另外,還可以在爐拱表面或爐墻表面噴涂、覆蓋高溫高輻射涂料,強(qiáng)化爐膛內(nèi)的輻射傳熱,增加爐內(nèi)燃燒室輻射換熱角系數(shù),降低灰度系數(shù),實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)高溫火焰煙氣與爐管內(nèi)熱載體之間輻射與吸引的良好匹配,從而有助于爐體內(nèi)熱能的充分利用,提高熱載體加熱爐的節(jié)能效果。
增強(qiáng)爐體密封措施減少漏風(fēng)損失,包括爐膛內(nèi)的爐門密封、觀火門密封、清灰門密封、爐體與爐座處密封、爐體與爐端蓋處密封、給煤裝置處密封等部位,因?yàn)槿绻麪t體密封不嚴(yán),將會(huì)造成跑火、噴火等現(xiàn)象,并造成能源大量浪費(fèi)、設(shè)備燒壞、環(huán)境惡劣等狀況,所以爐體密封不嚴(yán)將會(huì)直接影響到熱載體加熱爐的能耗和熱效率,而采用耐火纖維制品的密封氈、密封繩、密封片等產(chǎn)品可以使?fàn)t體密封實(shí)現(xiàn)其軟密封的效果。如果再配以彈簧壓緊或汽缸壓緊,則可以有效地解決爐體密封問(wèn)題,避免密封面之間的摩擦,從而提高密封部位的使用壽命。
高效燃燒技術(shù)有高溫空氣燃燒技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)、重油摻水乳化技術(shù)、爐窯燃料入爐前的磁化處理技術(shù)等。而熱載體加熱爐目前廣泛采用的節(jié)能裝置是空氣預(yù)熱器,是通過(guò)煙氣回收使常溫空氣的預(yù)熱溫度達(dá)到150~250 ℃,然后將其送入爐膛內(nèi)參與燃燒的技術(shù),該節(jié)能裝置具有高效節(jié)能、清潔環(huán)保、低污染、爐膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性好、燃燒區(qū)域大、燃料適應(yīng)性廣、便于燃燒控制、節(jié)能設(shè)備投資費(fèi)用省、爐子使用壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單實(shí)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。
為了保證燃料充分燃燒,防止燃料過(guò)量或者不足而造成燃料不完全燃燒熱損失,應(yīng)該根據(jù)燃料成分及燃料種類確定其理論空氣量和過(guò)??諝庀禂?shù),調(diào)整優(yōu)化空氣與燃料的燃燒比例。并采用高效燃燒裝置改善其燃燒狀況,從而可以加強(qiáng)氣流剛性,獲得一定的空氣動(dòng)力場(chǎng),以保證穩(wěn)定迅速著火燃燒,同時(shí)又能使空氣及時(shí)與燃料迅速混合,縮短其燃燒時(shí)間,達(dá)到提高熱載體加熱爐的熱效率,減少不完全燃燒熱損失的目的。
熱載體加熱爐包括導(dǎo)熱油爐、熔鹽爐、道生爐、熱水爐等型式,熱載體加熱爐節(jié)能減排的主要措施是:煙氣余熱回收利用、增加爐體保溫措施減少熱量損失、增強(qiáng)爐體密封措施減少漏風(fēng)損失、采用高效燃燒技術(shù)與節(jié)能裝置、調(diào)整優(yōu)化空氣/燃料的燃燒比例。而在對(duì)現(xiàn)有的熱載體加熱爐進(jìn)行節(jié)能減排改造的同時(shí),還應(yīng)進(jìn)行環(huán)境污染治理,努力降低CO2、SO2、NOX的排放,消除有害廢氣和煙塵的排放,并采用清潔能源和新型生物燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭及石油等燃料,設(shè)計(jì)制造出節(jié)能環(huán)保型的智能化熱載體加熱爐,從而可大幅度降低能源消耗,減少環(huán)境污染,走可持續(xù)的綠色發(fā)展之路。