熱載體加熱爐結構與節能減排措施的研究

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設計開發中心

0 前言

在化工和紡織生產中進行高溫操作時，經常會遇到需要均勻加熱，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 ℃時飽和水蒸氣壓力為1.0 MPa，所以當生產用熱溫度低于160 ℃時，飽和水蒸氣就是一種很好的熱載體，飽和水蒸氣冷凝時的放熱系數很高，需用量不大，溫度易于調節，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，水蒸氣的壓力會急劇上升，因此可以采用導熱油爐[2]、熔鹽爐、道生爐、中壓中溫熱水爐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]。

1 導熱油爐

為了消除化工物料突然過熱，且達到均勻加熱的目的，可使用導熱油作為熱載體，采用導熱油爐液相加熱和強制循環操作方法，將冷的導熱油通過注油泵從貯油槽中抽出送至循環系統內，并由熱油循環泵送入導熱油爐內，導熱油被加熱后送至用熱裝置中進行熱量交換，釋放熱能后的低溫導熱油進入氣液分離器內，再返回流至熱油循環泵后，又再次被送入導熱油爐內加熱升溫，周而復始，達到導熱油爐向外界供熱的目的[4]。因為導熱油在開始加熱時體積會發生膨脹，所以，膨脹的導熱油可通過膨脹管進入高位膨脹槽內。特別要注意的是在導熱油循環供熱系統運行時，如果熱油循環泵運轉突然停止，將會導致爐子內導熱油過熱結焦積垢現象發生，因此在生產運行過程中熱油循環泵是要求連續運轉的；同時導熱油對過熱現象又比較敏感，易于發生局部過熱而產生熱分解，使得導熱油變質劣化[5]；另外，導熱油在長期使用后黏度還會增大。所以在采用導熱油液相循環加熱時，必須使導熱油在供熱系統中不斷循環運轉，并且還應該嚴格控制導熱油的使用溫度。

燃油或燃氣型導熱油爐的圓筒形爐體結構緊湊[6]，爐膛內均為微正壓操作，爐體內基本上無耐火襯里，爐管多為三層圓形盤管，依次套入爐體內，分別接受輻射和對流傳熱，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，燃燒器可自動控制和安全聯鎖調節，從而對導熱油爐液相強制循環的安全運行起到保護作用[7]。燃油或燃氣型導熱油爐的占地面積小、可以靠近用熱裝置運行操作，對廠房亦無特殊要求，可節省導熱油的輸送管道長度和投資費用。另外由于爐膛內沒有耐火襯里，這不僅減輕了整個爐體重量，同時也減少了爐體的外形尺寸，從而節約爐用鋼材、降低爐子造價。但缺點是爐子結構很緊湊，爐體內通道非常狹窄，使得檢修清理不太方便。

燃煤鏈條爐排或往復爐排整體式快裝導熱油爐的結構非常緊湊，燃燒效果較好[8]，可以整體運輸及安裝，方便客戶使用。另外，由于導熱油爐是單純加熱導熱油，同時導熱油基本上又是采用強制循環，且導熱油出口溫度較高，但是導熱油進、出口溫差又比較低，故使得導熱油爐的排煙溫度較高，所以導熱油爐的熱效率均在65%～70%左右。為了節省能源，提高經濟效益，必須考慮采用更多的方法來提高爐子熱效率，例如加裝省煤器或空氣預熱器，用于回收煙氣余熱，去加熱成熱水或熱風，再加熱生產工藝所用的低溫物料。另外還要加強爐體保溫措施減少熱量損失，使整個循環供熱系統的總熱效率達到78%～80%左右[9]。分離式導熱油爐是將爐座燃燒部分和爐體加熱部分兩者分開，采用鏈條爐排或往復爐排燃燒裝置，爐管受熱面沒有布置在燃燒室內部，因此爐管受熱面不會接觸到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，而且還可以通過煙道旁路系統去調節煙氣的流量；但是分離式導熱油爐的占地面積比起整體式導熱油爐要大了許多，其結構布置也不如整體式導熱油爐緊湊，而且分離式導熱油爐的耗用鋼材量也比較多。

2 熔鹽爐

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為142 ℃，沸點為680 ℃，重度在140～570 ℃時為1 970～1 680 kgf/m3，熔鹽比熱在固態時為0.32 kcal/(kg·℃)，在液態時為0.373 kcal/(kg·℃)，熔解潛熱為20kcal/kg，因此當熔鹽作為熱載體時，在常壓下可以達到530～540 ℃，最高工作溫度可達到580 ℃，所以，熔鹽是加熱400 ℃以上時的最好熱載體[10]。

燃油或燃氣型熔鹽爐通常采用圓筒形立式結構，燃燒器安裝在爐子的頂部或底部，爐體內安裝有12Cr1MoVG 特種無縫管制造的內、外兩層圓形螺旋盤管，內圈盤管為輻射傳熱，外圈盤管為對流傳熱，其中內圈盤管為3 導程，外圈盤管為2 導程，內、外雙層圓形螺旋盤管采用并聯結構型式，以確保用戶對于爐管內壓降的要求。爐子殼體材料應根據所接觸的煙氣溫度高低不同進行選取，也就是與高溫煙氣接觸的爐子殼體材料采用0Cr18Ni9，可以承受870 ℃高溫煙氣；而與低溫煙氣接觸的爐子殼體材料采用12 Cr1MoV，即可以承受580 ℃高溫煙氣；并且在爐子筒體外表面采用槽鋼進行徑向和軸向支撐加強。另外，爐管支撐形式是內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，并且內圈盤管上端部與爐頂小蓋板之間保持相對靜止，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。

如果燃油或燃氣的燃燒器安裝在熔鹽爐頂部中心，爐管束結構采用圓形螺旋盤管結構，其受熱面是由內、外兩層圓形螺旋盤管，以及圓形爐頂盤管(與內層盤管串聯)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，到達爐底部反轉向流入兩層螺旋盤管之間的煙氣通道內，并將熱量傳遞給螺旋盤管內的流動熔鹽[11]。也就是說高溫煙氣由上而下與爐頂盤管、內層螺旋盤管進行輻射換熱后，到達爐底部的中溫煙氣反轉向進入內、外兩層螺旋盤管之間所構成的煙氣通道中進行對流換熱，再次到達爐頂部的低溫煙氣反轉向進入外層螺旋盤管與爐子殼體內表面之間所構成的煙氣通道中進行對流換熱，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熱器內與助燃空氣進行換熱，最后的煙氣進入煙氣脫硫除塵器之后再排入到煙囪內排出。而流動熔鹽由爐管束的下聯集箱管進入爐體，在熔鹽爐內吸收熱量后，再從爐管束的上聯集箱管流出爐體，因為熔鹽流動是由下向上，剛好與煙氣由上而下流動構成逆向對流換熱，故換熱效果是最好的。

3 道生爐

由26.5%聯苯C8H5—C6H5和73.5%的二苯醚C8H5—O—C6H5所組成的低熔點混合物，簡稱為聯苯混合物或稱道生。道生在常壓下的沸點為258 ℃，凝固點為12.3 ℃，臨界溫度為528 ℃，臨界壓力為4.1 MPa(絕)，在液態時為無色，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定性，能在385 ℃下長期操作和在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，飽和蒸汽壓力為0.1 MPa(絕)左右；而水蒸氣在250 ℃時，飽和蒸汽壓力為4.0 MPa(絕)。在350 ℃時，水的飽和蒸汽壓力為16.86 MPa(絕)；而道生的相應飽和蒸汽壓力僅為0.53 MPa(絕)。道生是不同于其它高溫熱載體，且具有一系列的優越性，比重及比熱遠較煙氣為高，熔點比熔鹽及易熔金屬低得多，熱穩定性要比導熱油好很多。但缺點是稍微有毒性、滲透性很強，對密封要求很高。總之在385 ℃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，且又是非常經濟的方法，其優點是可以準確地調節溫度，放熱系數比較高，加熱非常均勻，且無局部過熱的現象。管式道生爐的結構制造簡單，受熱面積較大，燃燒可以采用燃油、燃氣或燃煤，還可以設置機械化燒煤設施及消煙除塵裝置，管式道生爐通常用于道生氣相循環供熱系統的加熱操作。其缺點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，該圓筒爐型結構比較適用于燃油、燃氣作為燃料，圓筒爐型的占地面積較小，可露天放置，無需送風、引風設備，可節約風機電能，圓筒道生爐可用于道生液相循環供熱系統的加熱操作[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，分層放置，一般層數為2～4層，而通常是采用三層結構。其中最內層圓盤管的內側一半爐管面受火焰輻射加熱，外側一半爐管面受高溫煙氣對流加熱，中層圓盤爐管和外層圓盤爐管全部是受煙氣對流加熱。由于爐盤管緊密相聯，同心分層放置，使爐體結構比較緊湊、體積減小，耗用金屬材料及占地面積亦少。同時爐體結構密封，可以正壓操作，也可以負壓操作。爐子的燃料可以采用燃油或燃氣，也可以使用燃煤，故對燃料的適應性較好。

道生在受熱的爐管中要有一定的流速，在這個流速下應有較大的傳熱系數、較小的阻力降，避免局部過熱而使道生結焦，對于道生氣相加熱系統，道生在爐管內流速可選取1.0～1.5 m/s；而對于道生液相加熱系統，道生在爐管內流速可選用為1.5～2.5 m/s。確定了爐管內流速之后，可根據爐子的供熱量及道生進出口溫度，確定道生的循環量，進一步計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大[13]。對于爐管材質的選擇，主要是根據爐管的最高管壁溫及道生對爐管的腐蝕性而確定，由于道生對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；從道生使用溫度來看，一般都低于300 ℃，最高的也超不過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，普通碳鋼管作為對流面受熱管。另外還必須進行爐內的傳熱計算，以確定滿足供熱要求的管式道生爐受熱面積。

4 中壓中溫熱水爐

中壓中溫熱水爐的熱載體是汽水混合物，它在密閉的循環系統中靠本身的比重差來進行自然循環，通常采用0.6～1.0 MPa 水蒸氣可使化工物料加熱到150～160 ℃。在密閉循環系統中，水承受中壓中溫，不允許結垢產生，所以最好使用蒸餾水。在啟動之前全部密閉循環系統內需注入蒸餾水，以便排出管道中的空氣，然后開始將水加熱。加熱時充滿密閉循環系統中的水因受熱而膨脹，故密閉循環系統內的壓力也迅速增大，逐漸由放出活門將水放出一部分，以維持密閉循環系統內的壓力，使其略高于當時爐管內溫度所對應的飽和蒸汽壓力。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，在這個過程中，任何時間內密閉循環系統中都要充滿水，而不能有空氣或蒸汽存在。此后關閉放出活門，即可準備正常運轉。而當密閉循環系統冷卻后，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。當然任何時間內密閉循環系統中蒸汽與水均具有相同的壓力和其相當的飽和蒸汽溫度。

利用自然循環的熱水爐是不要給水，不要排污，不要大汽包。且被加熱設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。水在熱水爐體內的管束中被高溫煙氣加熱，產生汽水混合物，由于比容增大，被加熱的汽水混合物沿著管道上升。并通過被加熱設備的換熱管，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的管束中，重新加熱形成循環。中壓中溫熱水爐優點是能夠靈敏地調節溫度，使化工物料均勻加熱；但缺點是需要較高的壓力，對設備的制造、檢驗要求很高。

5 節能減排措施

熱載體加熱爐節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、增強爐體密封措施減少漏風損失、采用高效燃燒技術與節能裝置、調整優化空氣/燃料的燃燒比例。

5.1 煙氣余熱回收利用

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大的比例，為了節省能源，提高經濟效益，需要采取煙氣余熱回收利用的節能措施。例如在煙氣出口處安裝省煤器或空氣預熱器、波紋管換熱器等裝置，將排出的中溫煙氣余熱用于生產蒸汽、熱風烘干、熱水洗滌等生產工藝[15]，從而可提高熱載體加熱爐供熱循環系統的總供熱效率，但同時也要考慮余熱回收裝置投資的經濟性，且投資回收周期不能過長。

5.2 增加爐體保溫措施減少熱量損失

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量導熱系數，減少爐體導熱所致的散熱損失，爐體采用輕質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，強化爐膛內的輻射傳熱，增加爐內燃燒室輻射換熱角系數，降低灰度系數，實現燃燒室內高溫火焰煙氣與爐管內熱載體之間輻射與吸引的良好匹配，從而有助于爐體內熱能的充分利用，提高熱載體加熱爐的節能效果。

5.3 增強爐體密封措施減少漏風損失

增強爐體密封措施減少漏風損失，包括爐膛內的爐門密封、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，因為如果爐體密封不嚴，將會造成跑火、噴火等現象，并造成能源大量浪費、設備燒壞、環境惡劣等狀況，所以爐體密封不嚴將會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、密封片等產品可以使爐體密封實現其軟密封的效果。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題，避免密封面之間的摩擦，從而提高密封部位的使用壽命。

5.4 采用高效燃燒技術與節能裝置

高效燃燒技術有高溫空氣燃燒技術、富氧燃燒技術、重油摻水乳化技術、爐窯燃料入爐前的磁化處理技術等。而熱載體加熱爐目前廣泛采用的節能裝置是空氣預熱器，是通過煙氣回收使常溫空氣的預熱溫度達到150～250 ℃，然后將其送入爐膛內參與燃燒的技術，該節能裝置具有高效節能、清潔環保、低污染、爐膛內燃燒穩定性好、燃燒區域大、燃料適應性廣、便于燃燒控制、節能設備投資費用省、爐子使用壽命長、操作簡單實用等諸多優點。

5.5 調整優化空氣/燃料的燃燒比例

為了保證燃料充分燃燒，防止燃料過量或者不足而造成燃料不完全燃燒熱損失，應該根據燃料成分及燃料種類確定其理論空氣量和過剩空氣系數，調整優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，從而可以加強氣流剛性，獲得一定的空氣動力場，以保證穩定迅速著火燃燒，同時又能使空氣及時與燃料迅速混合，縮短其燃燒時間，達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。

6 結束語

熱載體加熱爐包括導熱油爐、熔鹽爐、道生爐、熱水爐等型式，熱載體加熱爐節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、增強爐體密封措施減少漏風損失、采用高效燃燒技術與節能裝置、調整優化空氣/燃料的燃燒比例。而在對現有的熱載體加熱爐進行節能減排改造的同時，還應進行環境污染治理，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傳統的煤炭及石油等燃料，設計制造出節能環保型的智能化熱載體加熱爐，從而可大幅度降低能源消耗，減少環境污染，走可持續的綠色發展之路。