清潔能源供熱技術在印染定型機中的應用研究

汪 琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心，上海 200042）

1 燃天然氣熱風爐供熱

1.1 燃天然氣直接式

燃天然氣直接式熱風爐使用天然氣作為燃料，最好配置低氮燃燒器，并且采用高速交叉回流旋卷的工作原理進行設計制造。筆者設計開發的直接式熱風爐是由燃燒室、保溫層、爐殼體等部分組合構成。燃燒室采用扇形耐火磚、耐熱層和保溫層砌筑而成，在燃燒室尾部交叉匯流成混合段、熱風與摻冷風的匯聚混合段，需要安裝兩組熱電偶及相應二次儀表，以便對燃氣調節閥進行手動和自動控制。

燃天然氣燃燒器的運行方式有單段火、兩段火、兩段漸進式以及比例調節式。在同等條件下可優先采用比例調節式；如果燃燒器經常在較低負荷下運行，應針對燃燒工況進行適應性調整。燃天然氣的燃燒器選型時調節幅度要大，能夠適應負荷變化的需要，以保證在不同工況下穩定地燃燒；同時，還要避免燃燒器反復起停，以減少熱風爐的熱損失。

直接式熱風爐的燃燒器可選用雙段滑動式燃燒天然氣型號，并可根據用戶的具體要求配置冷風-天然氣自動比例式調節器，這樣就能適應熱定型機對熱風溫度的變化需求，從而對燃燒天然氣的氣量進行自動調節。燃天然氣直接式熱風爐可提供低于500 ℃的煙氣式熱風，熱風溫度可根據印染定型的生產工藝進行設定，升溫速度快、溫控精度高，滿足定型機的供熱需要。采用燃天然氣直接式熱風爐供熱定型機的能耗比較低，因為天然氣直燃式加熱定型機時，熱能沒有經過多次熱交換的過程，熱能利用效率比較高。

1.2 燃天然氣間接式

燃天然氣直接式熱風爐供熱定型機對漂白產品的質量會有影響，為了保證漂白產品的質量，需采用燃天然氣間接式熱風爐供熱定型機。燃天然氣間接式熱風爐是以天然氣為燃料，產生清潔空氣式熱風的加熱爐。該爐型可以提供低于350 ℃的清潔干凈熱空氣，不會污染化纖和棉布織物；并且，燃天然氣間接式熱風爐的供熱能力調節范圍大，運行成本較低，運行操作方便，自動控制水平高，溫控精度較高。

燃天然氣間接式熱風爐是由天然氣燃燒器、鼓風機、換熱筒體、自動控制系統等部分組成。天然氣經過燃燒器高效燃燒后生成高溫氣體，再通過換熱筒體或者換熱管將鼓風機輸入的干凈冷空氣間接地加熱到定型機所要求的溫度，供給熱定型機烘箱的是清潔式高溫熱風。同時，爐子的自動控制系統通過對燃燒天然氣的氣量進行自動控制調節，以達到爐子的輸出熱風溫度，滿足印染定型溫度的要求。

筆者設計開發的燃天然氣間接式熱風爐的換熱筒體為煙氣和空氣雙回程輻射——對流換熱器。該換熱筒體集燃燒與換熱為一體，使煙氣和空氣各走其道，最終，空氣經過爐子被加熱后不被污染[2]。同時，為了降低煙氣的排出溫度，減少NOx排放量，提高爐子熱效率，在換熱筒體內設計了煙氣再循環系統，即增設了煙氣回流室；其作用是換熱完成后的部分煙氣回流，與燃燒器產生的高溫煙氣混合后，再次循環參加爐子的換熱過程。由于煙氣的回流作用會使天然氣的燃燒溫度降低，從而減少了向大氣環境排出的煙氣總量，降低了NOx排放量，減少了大氣污染。

2 燃生物質能導熱油爐供熱

熱定型機的平均熱能利用率只有24%～29%，大部分熱量會隨熱風直接從烘箱中抽出，排放到大氣中，廢氣散發的熱能達到61%，能源浪費十分嚴重。但是，燃生物質能導熱油爐卻能夠提供穩定的高溫導熱油，再去加熱烘箱中的干凈空氣，可以滿足定型機的供熱需要，還可以為蒸化機、焙烘機等其他需要高溫的設備供熱，但這些高溫設備的天然氣直燃式熱風供熱改造技術目前還不夠成熟。

2.1 燃生物質顆粒燃料

生物質顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，采用木屑、秸稈、稻殼、玉米芯、樹枝、麥桿、稻草等農林廢棄物為原料，經過粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝制成顆粒狀，是可直接燃燒的新型潔凈燃料。由于燃料為顆粒狀，壓縮了體積，節省了儲存空間，同時也便于運輸，減少了運輸成本；另外，生物質顆粒燃料的燃燒效率較高，易完全燃燒，殘留量很少。

植物園中的盆栽桂花、銀邊翠、時令蔬菜，質量分數為4.2%的碳酸氫鈉溶液、質量分數為25%的氫氧化鈉溶液、質量分數為0.1%的碘液。

臥式鏈條爐排方箱形燃生物質顆粒燃料的導熱油爐由臥式方箱形爐本體和鏈條爐排燃燒裝置組成，爐膛內輻射受熱面是將直徑相同的數根爐管密集地沿爐身盤卷而成螺旋長方形盤管密排布置，不僅密封性能好，保溫隔熱材料用量少，而且能較好地與機械化鏈條爐排燃燒裝置相匹配[3]。對流受熱面采用多組蛇形管片結構，并且在爐頂部布置了多根頂棚管，爐管受熱面和進出口集箱互相連接，構成了爐本體支撐框架。筆者在結構設計上配備了二次風結構，二次風約占總風量的30%，在燃生物質顆粒燃料導熱油爐的燃燒中起到十分關鍵的作用。二次風旋流攪拌爐膛內氣體使爐內煙氣產生漩渦，延長懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐膛內的行程，使飛灰量及飛灰可燃物量進一步降低。此外，二次風對懸浮可燃物提供了新鮮空氣，有利于提高導熱油爐的熱效率，降低導熱油爐初始排煙濃度。由于采用了旋流強化對流換熱技術，使煙氣低溫差換熱更加優化，并且不容易積灰。此外，采用了喉口及爐膛出口煙氣溫度控制技術，可以使導熱油加熱過程更加均衡穩定。

燃生物質能導熱油爐輸出的高溫導熱油經循環熱油泵輸送到熱定型機烘箱內的翅片式散熱器中，導熱油攜帶的熱量經散熱器傳遞給空氣，熱空氣再經噴嘴吹到布面上，將熱量傳遞到織物，最后由循環風機抽出。造成熱損失的最大因素是定型機烘箱的排風過程，在烘箱排出的高溫廢氣中，只有一部分是水蒸氣，其余的為熱空氣，可采用廢氣熱能回收裝置，將烘箱排出的高溫廢氣余熱回收利用。排風機的風量可通過風機轉速來調節，當排風量過大時，也可通過排風管上的風門來進行調節。

生物質顆粒燃料的特點是：燃燒點低、易于點火、顆粒密度較高，發熱量在15 900～20 100 kJ/kg，經炭化后的發熱量高達29 300～33 500 kJ/kg。生物質顆粒燃料不含硫、磷，燃燒時不產生二氧化硫和五氧化二磷，不會污染大氣環境，不會導致酸雨。燃生物質顆粒燃料導熱油爐如果滿負荷運行時，無黑煙，林格曼黑度為0，爐膛揮發分燃盡率為100%，排出灰渣含碳量為3%～5%，總體燃盡率為95%～97%，節能效果顯著。另外，燃燒后的灰燼還可以作為鉀肥直接使用，可以更好地為企業創收。總之，生物質顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，其特有的經濟優勢和環保效益符合可持續發展的要求。

2.2 燃生物質固硫型煤

生物質固硫型煤屬于干式冷態成型煤，內部加入了纖維狀態的生物質，如稻草、玉米稈、秸稈等，生物質不僅具有粘結作用，還有助燃作用。生物質固硫型煤進入導熱油爐的爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質首先燃燒，并且由于型煤表面形成了蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進入型煤內部，增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒充分而完全。燃生物質固硫型煤導熱油爐輸出的高溫導熱油，通過熱油循環泵輸送給熱定型機烘箱中的翅片式散熱器，再加熱空氣，加熱后的熱風經循環風機送入噴嘴，吹到濕織物上，蒸發織物上的水，并且加熱織物達到工藝所需的溫度。

生物質固硫型煤采用干式工藝生產，煤料干度必須達到含水小于4%，生物質含水小于7%。生物質固硫型煤在導熱油爐中的燃燒效果很好，爐渣含碳量可達8%～10%；同時，通過加入消煙固硫劑還可達到較好的消煙、固硫效果，脫硫率最高可達71.9%。生物質固硫型煤使燃燒過程中產生的SO2與固硫劑作用，生成硫酸鹽而被固定在灰渣中，減少了SO2的排放量。常用的固硫劑可分為鈣系、鈉系及其他金屬氧化物，鈣系固硫劑如石灰石（CaCO3）或消石灰[Ca(OH)2]，因其來源廣、易取得、價格低，成為工業加工中最常用的燃煤固硫劑。目前，生物質固硫型煤常采用石灰石粉作為固硫劑，生物質選用破碎的稻草或玉米稈，生物質與原料煤的質量比通常為3∶17 左右。這樣生產出來的生物質固硫型煤具有高熱值、易點燃、不會結焦、火焰較長、煙塵量較低、環保效果較好等特點。

筆者設計開發的燃生物質固硫型煤導熱油爐是將一次能源（煤炭）和可再生能源（生物質）結合在一起，是一種把節能減排技術與潔凈生物質型煤燃燒技術相結合的清潔能源產品[4]。燃生物質固硫型煤導熱油爐具有如下優點：易點火燃燒并且燃燒時間長，燃盡率高、熱值高；有明顯的固硫、固塵效果，固硫率可達50%～70%；同時，在燃燒過程中，SO2排放量可減少60%以上，煙塵排放量可減少90%以上，減排效果明顯。如果采用煤泥、煤粉、無煙煤等低質原料混配，總節煤率可達30%以上，節能效果明顯。

2.3 燃沼氣

沼氣是指有機物在厭氧條件下經過微生物的發酵作用而生成的一種可燃性混合氣體，主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。通常情況下，甲烷約占60%、二氧化碳約占40%，還有少量氫氣（H2）、氮氣（N2）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）和氨氣（NH3）等。沼氣發酵的工藝流程為：原料收集、預處理、消化器（厭氧反應器）處理、出料后處理、沼氣凈化與儲存。

筆者設計開發的燃沼氣導熱油爐是由沼氣燃燒器、爐本體、保溫層、圓筒鋼殼體、鍍鋅彩板外殼、煙氣出口等組成[5]。爐本體結構采用圓形盤管式，爐管的受熱面由鋼管盤繞成的具有一定直徑、一定長度的幾組同心管圈組成；管圈中，管子之間無間隙密排布置，管圈既作為受熱面又作為煙氣隔墻。內圈盤管包圍的圓柱形空間是燃燒室，沼氣在燃燒室內燃燒經輻射放熱后，高溫煙氣依次進入內圈盤管與中圈盤管以及中圈盤管與外圈盤管之間的煙氣通道，經兩回程的對流換熱，煙氣由爐體后部進入尾部煙氣余熱回收裝置，并經環保處理后，最終引至煙囪排入大氣。內圈盤管的內側為輻射受熱面，而內圈盤管的外側與中圈盤管、外圈盤管的內側表面構成對流受熱面。

燃沼氣導熱油爐供熱是燃燒沼氣產生的熱量被爐膛中螺旋盤管內的導熱油吸收，再由循環熱油泵送到定型機烘箱的熱交換器中，空氣經熱交換器加熱后，再經噴嘴吹到濕織物的表面上，部分熱風帶著從織物上蒸發的水汽和其他揮發性物質，由排風機抽出，并經環保處理后從廢氣管道排到室外。所以，燃沼氣導熱油爐供熱是一項保護綠色環境、實現節能減排的清潔能源供熱技術。

在印染定型生產工藝的中、后整理過程中需要進行加熱，尤其是熱定型機需要提供高達180～250 ℃的定型溫度，用于化纖織物定型，如果印染企業內沒有沼氣的來源，也可以采用燃天然氣導熱油爐供熱的方法對熱定型機烘箱進行供熱[6]。

3 熱電廠中壓中溫蒸汽供熱

采用熱電廠集中供熱的方式，可以直接供給中壓為2.5～2.8 MPa的過熱蒸汽，溫度為260 ℃，可以滿足定型工藝150～220 ℃的要求；但在低壓為0.5～0.8 MPa時，飽和蒸汽的溫度較低，一般是低于150 ℃的烘燥溫度，只能對棉布進行定型。因為化纖織物定型至少要達到180 ℃以上的烘燥溫度，對應的蒸汽飽和壓力為1.6 MPa以上；氨綸等織物則需要220 ℃的烘燥溫度，對應的蒸汽飽和壓力為2.6 MPa以上，需要利用其汽化潛熱來定型化纖織物。所以，采用中壓中溫蒸汽直接在定型機中進行熱交換，對織物進行加熱定型，安全可靠且熱效率較高，使用完的蒸汽排放可通過集中整治的方式進行，容易控制污染，因此，采用熱電廠的中壓中溫蒸汽供熱定型機是一種比較好的節能減排方法。

按照中壓過熱蒸汽價格為212 元/t，并且按照導熱油爐熱效率為70%、導熱油傳輸熱效率為95%，熱電廠鍋爐熱效率為88%、蒸汽傳輸熱效率為90%進行測算。（1）在蒸汽定型后的高溫凝結水全部回收利用的情況下，即中壓中溫凝結水可通過凝結水回收裝置轉換成低壓蒸汽和100 ℃的凝結水加以回收利用，中壓中溫蒸汽定型成本相比導熱油定型要低13.7%、節能29.42%。（2）蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用，但在100 ℃凝結水熱量不回收利用的情況下，中壓中溫蒸汽定型的成本比導熱油定型要低3.96%、節能18.24%。（3）蒸汽定型后的中壓中溫凝結水全部不利用，則中壓中溫蒸汽定型成本比導熱油定型要增加能耗7.7%、成本上升16.76%。

綜上所述，采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機，分析凝結水的利用情況可知，印染企業可通過凝結水的回收裝置回收全部閃蒸汽，100 ℃凝結水的水量也可以全部回收利用，能夠達到中壓中溫蒸汽供熱定型機余熱全部或部分回收利用。另外，如果采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機的方法，對定型機的改造任務主要是更換熱交換器，通常定型機每級烘箱的改造費用為3萬元，故每臺定型機總的改造費用為30多萬元。

4 結論

通常，熱定型過程是在烘箱內完成，濕織物是以一定的速度連續通過烘箱，而熱源的供給方式有多種途徑，可以選擇在熱定型機烘箱內使用燃天然氣供熱、導熱油供熱或中壓中溫蒸汽供熱的方法。熱電廠發電后的中壓中溫蒸汽可以為定型機供熱，經過定型機的蒸汽壓力會有所下降，如果再經過閃蒸器還可產生低壓蒸汽，可用于染色機等需要使用蒸汽設備的供熱。當采用中壓中溫蒸汽的壓力在2.5～2.8 MPa時，就能保證定型機的最高溫度達到205～210 ℃，當中壓中溫蒸汽的壓力為3.2 MPa 時，定型機的最高溫度可達到220～225 ℃，可以滿足化纖織物熱定型工藝的要求。

燃天然氣直接式熱風爐供熱定型機的燃料生產運行成本要比中壓中溫蒸汽供熱定型機的運行成本高15%～55%，比燃生物質固硫型煤導熱油爐供熱定型機的燃料生產運行成本高60%～95%。另外，中壓中溫蒸汽供熱定型機的受壓設備和蒸汽管道每年的安全檢驗維修費用最高，燃生物質顆粒燃料導熱油爐供熱定型機每年的安全檢驗維修費用較低，燃天然氣直接式熱風爐供熱定型機的檢驗維修費用最低。