提高导热油炉热效率方法探讨

Textile Dyeing and Finishing JournalVol. 40 No. 3Mar. 2018

提高导热油炉热效率方法探讨

汪　琦1，俞红啸1，张慧芬1，季炳奎2，季　俊2

（1.上海热油炉设计开发中心，上海　200042；2.上海恒欣化工有限公司，上海　200436）

摘 要　介绍了提高导热油炉热效率的五个措施，可提高炉膛内的燃烧效率，提高辐射传热面和对流传热面的传热效率，增加烟气余热回收的综合利用，减少炉体和炉膛内的散热损失；采用先进的控制和监测手段，使导热油炉的燃烧工况处于低氧燃烧状态。

关键词　导热油炉；热效率；燃烧效率；传热效率；余热回收；散热损失；计算机控制中图分类号：TS04　　文献标识号：B　　文章编号：1005-9350(2018)03-0031-05

The discussion on methods to improve the thermal efficiency of

conductive oil furnace

WAN Qi1, YU Hongxiao1, ZHANG Huifen1, JI Bingkui2, JI Jun2

(1. The Design and Development Center of Shanghai Conductive Oil Furnace, Shanghai 200042, China;

2. Shanghai Henxin Chemical Engineering Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

Abstract The five operations to improve the thermal efficiency of conductive oil furnace are introduced, which can improve the combustion efficiency onto high furnace and heat transfer efficiency between radiation heat transfer surface and convection heat transfer surface, also add the comprehensive utilization of recycling on smog and afterheat, and decrease the heat loss of furnace surface and inner. The combustion situation of conductive oil furnace is in low-oxygen state by applying advanced controlling and monitoring methods.

Key words　conductive oil furnace; thermal efficiency; combustion efficiency; heat transfer efficiency; afterheat recycling; heat loss; computer controlling

化纤织物经过高温整理后具有风格好、收缩小、挺括、不皱和手感好等特点，因此，在印染行业中，经高温整理的品种越来越多。而化纤织物必须在180~210 ℃的高温下，在热定型机上经过一段时间的高温定型后，才能保持其原有的形状。采用导热油炉是理想的供热设备，同时，印染设备大多数需要热源；其中，大部分是采用对流传热方式，如热定型机、热风拉幅机、印花热风烘燥机等。这些设备受到工艺顺序、使用条件等，往往分布在几个车间，因此，采用大容量导热油炉，通过导热油供热循环系统向各个车间、机台输送热能可获得更大的节能效果和经济效益。

导热油炉是燃料的能量转化装置，是导热油传热系统中最重要和最关键的设备。导热油炉的选型与设计的好坏直接影响操作的安全性、热效率和成本高低。导热油炉的选型与设计一般是根据所需的热量、热油温度、热油量等对导热油炉结构及换热面积的要求等。提高导热油炉的热效率是导热油炉应用中的一个重要问题。对于炉子热效率在70%以下的导热油炉，若条件允许，需对整台炉子进行较大的技术改造（包括重新设计与制造）；而炉子热效率在70%~85%的导热油炉可基本上依据现有导热油炉的技术装备，围绕以下五个方面来进行：（1）提高燃烧效率；（2）提高传热效率；（3）余热回收利用；

投稿日期：2017-10-29

作者简介：汪 琦（1961-），男，硕士，高级工程师，从事热载体加热技术、新能源技术、热油炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、生物质气化炉的设计研究工作。

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（4）减少散热损失；（5）计算机优化控制。1　提高燃烧效率

对燃烧环节进行必要的改进是提高导热油炉效率的有效措施之一。对于大容量的燃油型导热油炉而言，这方面的主要工作和技术进展是新型燃烧喷嘴、燃料油的乳化和磁化等。1.1　高效节能型燃烧器

大容量燃油型导热油炉所用的燃料基本上是重油或渣油。这类燃料的黏度大、不易雾化，必须借助一定的温度条件来改善其流动性能。而液体燃料的雾化效果主要取决于喷嘴的结构、喷射的方式，以及环境介质和燃料油的压力等因素。50 μm雾化液滴的数量占85%时，重油才能与环境中的空气充分混合，其助燃效果和燃烧性能最好。[1]Y型燃烧器具有蒸汽耗量低、雾化效果好、过剩空气系数低的优点，Y型烧嘴的优越性在于负荷调节比大、对燃料油的适应性强、火焰形状稳定、蒸汽耗量低。此外，轴流式弯曲叶片的调风器增大了旋流强度，提高了火焰燃烧时的稳定性。1.2　燃料油乳化技术

根据目前的生产应用和物理指标，燃料油乳化后的油滴直径只有几十个μm，呈油包水型。在高温炉膛内，油雾颗粒表面燃烧和水分的急剧膨胀引起油包水型的破裂，进而使油雾更加微化，同时也增加了燃烧的总面积，加快燃烧速度，使燃烧更完全。在应用燃料油乳化技术时，乳化剂的添加量和节油效果因装置的实际情况而有差异；但乳化技术的应用需要添置若干装备、更改工艺管线，在操作上增加了一定难度。

1.3　燃料油磁化技术

磁化就是在输线上加装符合技术要求的磁化元件，使燃料油通过1 000~2 500高斯强度的磁场，再进入导热油炉的炉膛内进行燃烧。燃油磁化后，其内部结构和理化性能（主要是与燃烧有关的某些指标）会产生一定的变化，如黏度、表面张力下降，闪点和燃点下降10 ℃左右，组分、沸点也有不同程度的改变，分子质量较小的组分所占质量分数增大。其中，黏度、表面张力下降可提高燃油的雾化质量，使油滴雾化后颗粒的直径减小；其他改变会使燃油更易汽化，从而为燃料油与空气的充分混合创造有利条件，实现低氧燃烧，减少烟气带走的热量，进而提高燃烧效率。工业实践表明，磁化后燃料油的黏度

下降了5%~7%，而所用大容量导热油炉的节油率在3%~5%。

燃油磁化技术投资少、见效快、安装简便，不影响原有设备的运行和管线排布，无额外动力消耗，使用方便。

2　提高传热效率

正常投入使用的导热油炉只能通过一些措施来缓解传热效率的降低，然后在装置停车维修时，以各种物理和化学清洗方式彻底清除粘附于炉膛内壁或炉管内外表面的污垢。2.1　吹灰器投用

燃料油在燃烧时，会产生各种黏性和牢固性积灰。这些积灰将附着在导热油炉的炉膛壁上以及炉管的外侧表面，从而影响传热交换[2]。为了改善换热设备的传热性能，考虑设置便于清除积灰的吹灰器。按其使用的工作介质可分为蒸汽吹灰器、空气吹灰器、吹灰器和水吹灰器等。

一般大容量导热油炉均具备此类吹灰功能，有的烟气回收单元也装有这种吹灰器[3]。研究结果表明，吹灰器投入使用后，效果较好的炉子热效率可维持在80%~85%，而不采用吹灰器或者吹灰效果不佳的导热油炉，其热效率只能维持在75%左右。因此，采用和改进大容量导热油炉吹灰器的性能是提高导热油炉热效率的一个重要方面。2.2　新型防垢剂

在积极提高导热油炉管壁外侧热量传递的同时，国内外正在开发一系列新型高温防垢剂，将其注入导热油中可防止炉管内侧的导热油结焦。新型高温防垢剂在各种温度、压力和原料组合的情况下，可有效地减少工艺物料在侧内壁的结焦和炭化，使用温度高达538 ℃，既能用于保护导热油预热换热器，又能保护导热油炉及其炉管。

而在开发结焦清洗剂方面，国内已取得了可喜的进步。以导热油炉清洗剂为代表的系列产品已经广泛应用于导热油炉及循环供热系统的管道和设备的化学清洗[4]。这类化学清洗剂是由特种表面活性剂为主要原料复配而成，与常规物理类的清洗方法有本质上的区别。在相应的工况（例如95 ℃的温度）下，在炉管中循环清洗一定时间后，即可达到清洁炉管内壁的目的。目前，导热油炉清洗剂可分为液态型和粉态型、溶剂型和水剂型、洗胶型和除焦型、停产清洗型和在线清洗型，其中的代表产品名称为申

第3期汪　琦，等：提高导热油炉热效率方法探讨·33·

星牌HX导热油炉专用清洗剂、久星牌QXR导热油炉清洗剂等，可以对导热油炉和导热油循环系统管路进行清洗，有效去除1~10 mm厚的导热油结焦，清洗效果达90%以上。在导热油炉清洗过程中，可以在导热油炉的过滤器上看到有1~3 000 g、1~10 mm厚的导热油结焦；在清洗完成后，废的导热油清洗液中可以很清楚地看到结焦和炭化物被清洗下来，含有0.01%~1.50%的导热油结焦颗粒；并且导热油炉清洗液的颜色由乳白色变成奶咖色或棕黑色，密度也会增加。从多次实际清洗操作和最终的效果来评价，在整个清洗过程中，清洗条件对大容量导热油炉是至关重要的。这主要表现在以下三个方面。2.2.1　工作压力的控制

由于附着在炉管内壁的结焦物质往往形成相对较硬的垢层，能够清楚地看到颗粒状结焦物。这说明导热油炉清洗剂在清洗过程中，不仅是一种化学清洗作用，其间还有一定的物理作用。因此，在清洗的循环过程中，清洗剂的流量、流速和工作压力都是需要考虑的工况参数。而这一点往往被忽略，造成实际的清洗效果与小样试验时相差较远。2.2.2　清洗温度的控制

清洗时，炉管壁外表面的温度为65 ℃和90 ℃时，有着截然不同的结果。可以认为，清洗温度的选择对最终清洗效果的影响非常大。2.2.3　高温辐射涂层

燃料在燃烧时产生的热能大都以加热物料、烟气排放、炉壁热损失三种方式被转化或消耗。加热导热油所获得的热能通常由以下几方面的热量传递来进行：（1）对流热量Qa；（2）直接辐射热量Qsr；（3）炉壁内衬辐射热量Qw；（4）炉壁内衬反射辐射热量Qsp。总辐射热量Qr的计算公式如下：

Qr=ar(Qsr+Qw+Qsp)

式中，ar为物料对投射辐射的全吸收率值。

显然，提高ar的数值必然增加物料被传递的热能。一般黏土质耐火砖和硅酸铝耐火纤维在500 ℃时ar=0.5，而国产HK型高温辐射涂料层在400~1 200 ℃的温度条件下，ar值在0.85以上。当导热油炉内壁涂上高温辐射涂层时，导热油可以获得的辐射能有所增加，同时，还能起到隔热保温的作用，减少向炉外的散热损失。国产JST-1辐射涂料的ar值为0.875~0.90。高温辐射涂料的特点是每公斤可喷涂2~3 m3，且粘结力强、耐温范围宽、投资少、节能效果明显。据有关资料介绍，喷涂JST-1后，导热油

炉的热效率可以提高约8%，排烟温度下降6 ℃，节油率为1.25%。

3　烟气余热回收

由热平衡分析可知，提高炉子热效率的关键在于充分利用热值高的烟气余热，这也是改善导热油炉燃烧工况和优化操作的有效途径之一。烟气余热回收综合利用的方法按照形式和材质主要划分为：“冷进料”热油预热空气、回转式预热器、钢管预热器、热管式预热器、铸铁管式预热器、玻璃管式预热器、扰流子管式预热器和余热锅炉。

3.1　“冷进料”热油预热空气（包括循环导热油）

“冷进料”热油预热空气是将导热油温度低的一路引入对流室低温部分，使排烟温度进一步降低，主要作用是回收利用烟气余热、加热助燃空气、提高热效率、降低能耗。其优点是热油预热空气的设置灵活、体积小、换热效率高，导热油不会外泄，可以安全地预热，从而可多回收热量，也可以控制热量，所以，控制温度较容易。因此，该设备能防止由于烟气温度低而产生的酸露点腐蚀管道和烟气粉尘附着，可长期有效地回收烟气余热。3.2　回转式预热器

回转式预热器是一种自身旋转，兼有蓄热式和换热式特点的预热器，依靠预热器中“热轮”的连续转动使蓄热元件周期地吸热、放热，烟气的余热不断地传给助燃空气。回转式预热器具有换热效率高、回收热量多、阻力损失小、容易清灰、投资少等优点。3.3　钢管预热器

钢管预热器的作用是利用烟气余热，将助燃空气预热到适当温度，在助燃空气进入炉膛内燃烧时带入一部分热量，以节约燃料和提高理论燃烧温度。在钢管预热器内只能将助燃空气预热到300~350 ℃。但钢管预热器的主要问题是露点腐蚀，为了防止露点腐蚀，通常采用的方法是提高进入钢管预热器的助燃空气温度。另外，也可采用钢管预热器吸收烟气余热，把冷水加热至60~95 ℃（此温度可设置），并将热水输送到染洗设备中用于纺织品染洗工艺，从而降低能源消耗、减少煤炭和蒸汽用量，提高印染企业的产品利润和经济效益。3.4　热管式预热器

热管式预热器可以在低温烟气中高效率地回收余热，将冷水加热成热水，并将热水应用到印染工艺中的水洗过程，从而可进一步降低排烟温度。热管式

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预热器传热能力大、效率高、单位体积热交换面积大、结构紧凑，可防止烟气与冷水间的泄漏现象；在少量热管失效或损坏时不致于影响设备运转和生产运行；无动力部件，运行时不需要动力，流体阻力小；设备结构简单，因膨胀而产生的问题少，检修维护方便，投资少、回收资金快。3.5　铸铁管式预热器

铸铁具有很强的耐硫酸腐蚀能力，因此，铸铁管式预热器的优点是耐腐蚀、耐磨损、传热系数高、使用寿命长、价格成本低，特别适合在烟气余热回收系统中的低温段使用，可以有效地减少烟气侧的积灰、堵灰问题。3.6　玻璃管式预热器

玻璃管式预热器的优点是玻璃管不会被腐蚀。通常，烟气侧的堵灰会使排烟温度升高20~30 ℃，热效率降低1%~1.5%。玻璃管式预热器堵灰后可用工业水很容易地清除，因此，检修工作量显著减少，设备可以长期连续运行。并且玻璃管式预热器具有耐热性高、传热系数高的优点，在烟气低温段安装玻璃管式预热器后，排烟温度降低，热效率提高，设备投资约1~2年后即可收回。3.7　扰流子管式预热器

扰流子管式预热器是采用扰流子（扭带或麻花铁）作为管内插入物而强化管内侧的传热。从使用效果来看，这是一种提高炉子热效率和防止烟气露点腐蚀的好方法。扰流子管式预热器通常布置在烟气高温区，使用寿命为8~10年，设备投资回收期为1~2年。因此，扰流子管式预热器传热效果良好、结构紧凑、钢材耗量少、加工制作容易、造价低廉、施工周期短、便于操作、维修容易、节能效果显著，是一种投资少、见效快的节能装置。3.8　余热锅炉

余热锅炉的作用有两种形式：（1）利用烟气余热预热助燃空气；（2）利用烟气余热生产蒸汽、热水供给纺织印染的生产线使用。

第一种形式的优点是：回收利用率高，一般可回收40%~60%的热量。企业本身的烟气余热回收和自有的导热油炉预热空气燃烧利用节约的燃料相当于减少了烟气量，即减少了相应量的CO2、CO和NO2的排放量，并且可以充分利用低热值燃料。

如果采用第二种形式，热管余热锅炉可产生蒸汽，热水余热锅炉可产生热水，将蒸汽或热水输入染洗设备用于纺织品的染洗，从而大幅度节约蒸汽或热

水费用以及燃料费用。因此，热管余热锅炉的最大特点是：结构紧凑、体积小、质量轻，与一般烟管式余热锅炉相比，其质量仅为1/3~1/5，外形尺寸则只有1/2~1/3。

4　减少散热损失

选择新型耐火纤维、陶瓷纤维等代替耐火砖或轻质耐热混凝土作为炉衬，这是大容量导热油炉在保温材料方面的革新和技术突破。作为导热油炉内衬的材质，应具有传导率低、热膨胀系数小、热损失小、热储存少、化学性质稳定、质量轻、不易脱落和耐高温工况等优点。在此基础上，若再采用高温辐射涂层，可望在同样的温度条件下，既减少散热损失，又强化辐射热能的利用，使炉壳外壁的表面温度下降40%~50%。所以，导热油炉采用耐高温涂料可取得良好的节能效果。

5　计算机优化工艺操作

导热油炉在技术改造和挖掘潜力的条件下，采用先进的控制和监测手段使导热油炉的燃烧工况处于低氧燃烧，以提高导热油炉的热效率。计算机辅助优化导热油炉工艺操作的主要环节包括以下四个方法。（1）建立炉子热效率、烟道气氧含量和排烟温度等关键参数之间的数学模型。（2）开发和应用满足导热油炉工作状况的系统软件，实现系统的闭环控制和在线调优，合理地控制过剩空气含量系数，使烟气中的含氧量大幅度下降，切实提高导热油炉的热效率。（3）导热油炉采用全自动控制[5]，出油温度设双重超温报警及联锁保护，进出口集箱之间设压差保护，当炉内爆管或系统失压时，确保燃烧机处于停机状态。膨胀槽下部设置液位控制器，能自动补油和低液位报警；另外，还增设排烟温度异常联锁保护。整机控制元件可以采用施耐德及西门子等品牌，安全可靠。（4）为避免因燃烧机故障产生爆燃危险，在燃气型导热油炉的顶部设置铝箔防爆片。对于燃油燃气型导热油炉，除前门盖采用耐火混凝土外，其他部位最好不设耐火材料，有利于停电保护炉管内导热油的安全。

6　提高导热油炉热效率的方法

（1）提高燃烧效果，降低固体和气体不完全燃烧的热损失。链条炉排的固体不完全燃烧热损失远大于气体不完全燃烧热损失，因此，关键要降低灰渣和

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漏煤的机械不完全燃烧热损失，以及飞灰的机械不完全燃烧热损失。

（2）提高传热效率，降低排烟热损失和散热损失。一般炉体和炉膛散热损失的数量较少，而排烟热损失的数量较大。这是导热油炉热效率下降的一个主要因素。排烟温度的高低主要取决于导热油炉的传热情况，传热效果越好，排烟温度越低，排烟热损失也越小；但是，排烟温度过低易使尾部受热面产生烟气露点腐蚀。因此，排烟温度的选取需要进行优化。

（3）导热油炉的排烟温度过高时，可加装省煤器或空气预热器等尾部受热面进行烟气余热回收。为了提高尾部受热的传热效率，也可以采用热管换热器作为尾部受热面，从而可达到良好的节能减排效果。

（4）远红外节能剂是以耐酸固体材料为基本原料，与一种液体原料按照质量比1∶1制成，刷涂时先将受热表面的浮灰及烟垢清除，然后在受热面上刷涂，涂层厚度为0.1~0.2 mm。高温辐射涂层节能剂的pH为11~12，热辐射性能大于85%~90%，烟垢结成厚度的减薄量为50%，节煤率为4%~5%。

（5）导热油炉实行计算机优化控制，控制系统为软件程序模块的连接组成，从而免去相应模拟仪表的安装、配线等工作；控制系统的组成和更改非常灵活、方便、迅速；通过发挥计算机强有力的逻辑运算和数字运算的功能，可以组成功能特殊、性能优越、结构复杂的控制系统，以提高优化控制导热油炉的供热效率及节能减排的指标。

在印染行业中，采用大容量导热油炉集中供热、联网运行的方式通过导热油循环供热系统向精炼、整理、印花各车间、热定型机、热风拉幅机、印花烘燥机输送热能。供给热定型机的导热油温度为260~270 ℃，作为高温热油系统；供给热风拉幅机和圆网热烘燥机的导热油温度为240~250 ℃，作为低温热油系统。为了使各机台获得理想的温度，在每个系统中安装一个分油包和一个集油包，利用阀门调节各机台供油量，从而控制机台温度；同时，两供油系统的分油包与集油包的底部相互串联，导热油通过分油包与集油包的切换可以很方便地实现供油系统的相互切换。安装分油包和集油包不但可以控制、分配各回路的热能，还能通过阀门实现系统切换、冷油置换、集气、脱气等功能。所以，导热油炉在印染厂中的推广应用可以保证产品的质量、降低能耗、提高企业的经济效益。

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