导热油炉循环供热系统与导热油使用运行研究

汪 琦俞红啸张慧芬季炳奎季 俊

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)

1 导热油的特点

国内外生产导热油的厂家很多，牌号品种繁杂，因此选用导热油时应该从以下几点综合考虑：（1）良好的导热性能。热导率大，比热容高，传热效率高。（2）较高的极限使用温度。导热油是否具有较高的极限使用温度，是其能否满足加热工艺的需要、提供良好的稳定性和抗氧化性、具有较长使用寿命的关键。（3）具有较高的闪点、自然点、沸点，以确保导热油在液态下安全使用。（4）具有较低的酸值和残碳量，能较好地保证供热系统内设备、管道及附件不发生化学腐蚀作用。（5）低黏度、低凝固点。黏度低运动阻力小，导热油流动畅通；凝固点低，适用于较寒冷地区。（6）无毒无害，不污染环境。

导热油的优点是在较低压力下可以获得较高的温度，而且有较好的热稳定性。但这些特性与优点必须是在质量有保证的前提下才能得到。因此，导热油加热炉能否正常运行，与导热油的质量有很大关系。为了保证导热油正常使用，对其性能指标，如最高使用温度、黏度、闪点、残碳、酸值等都有严格规定[1]。

对使用中的导热油应该每年进行一次分析，黏度、闪点、残碳、酸值等4项指标中有2项不合格或导热油分解成分含量超过10%时，应进行更换或对其进行再生。

影响导热油寿命的一个重要因素是其最高使用温度和液膜温度。一般情况下，规定的导热油最高使用温度是指导热油的主流温度。矿物型导热油的液膜温度与主流温度之差一般取20～30℃。

2 导热油的种类及其特性

物理性指标是评价导热油品质优劣、导热性能好坏的根本性指标，常用指标有以下5个。

（1）密度。密度是评价导热油质量的常用指标，指单位体积内所含导热油的质量。对某一确定牌号的导热油而言，在某一标定温度(一般为20℃)条件下测量时，其密度值均为常数。导热油的工艺品质劣化，必然导致其密度增大。这是因为导热油是用适当的石油馏分加抗氧耐热添加剂后生产的，其组分主要是环烃基、烷基萘、芳烃基原油或者苯基醚、聚苯、烷基苯等高分子有机化合物。在恶劣工艺条件下（如氧化、局部高温等），导热油中的组分会发生分解或聚合：氧化后聚合生成胶体物质，使相对分子质量成倍增大；高温分解，叠合生成碳化物，进而分解为相对分子质量较大的游离碳（俗称炭渣），这些物质游离悬浮于导热油母体中，使其颜色变黑，密度增大。

（2）黏度。黏度是导热油的主要使用指标之一，其物理含义是导热油的内部摩擦阻力。导热油黏度是由其组分决定的。通常情况下，导热油的黏度较低，黏温性（黏度随温度变化的程度）较好。品质劣化的导热油黏度增大、黏温性变差。

（3）残碳。残碳的测定方法是在测定装置的坩埚中，按规定的试验条件加热试油，使其蒸发分解并形成焦黑色残留物，冷却称量后计算出残碳比例。通常，导热油的残碳值不大于0.05%；而品质劣化的导热油，其残碳值大于1.5%。其原因是，恶劣的工艺条件使导热油的组分发生变化，大量碳化物的生成使导热油中炭渣的比率增大，有效组分降低。

（4）酸值。酸值是评价导热油使用品质的重要指标，以中和1 g试油所需的氢氧化钾毫克数为计量单位（mgKOH/g）。酸度过大的导热油不仅会腐蚀管道与设备，而且会增加导热油加热炉及供热系统的结焦和积垢，以致造成更大的磨损，并会进一步促使导热油品质的劣化，因而需要严格控制。通常情况下，导热油的酸值不大于0.02 mgKOH/g，而品质劣化的导热油酸值会显著增大，其原因是恶劣的工艺条件使导热油的分子结构失去平衡，大量氢离子游离出来分散于导热油母体中，导致酸性增加。

（5）闪点。闪点是保证导热油安全储运和使用的指标。其测量方法是在规定的开杯或闭杯内，将规定数量的试油加热到其蒸发的油气和空气的混合气能发生闪火时试油的最低温度。通常情况下，导热油的闪点不低于一个确定值（一般为110～140℃，因导热油的品牌不同而异）。而品质劣化的导热油，由于其结构组分发生了变化，导致轻质馏分含量增加，闪点降低。可见使用品质劣化的导热油是不安全的。

导热油的物理性指标是控制导热油热工性能和工艺品质的主要理论依据，必须定期进行测试。一般规定导热油加热系统运行一年或者连续运行8 000 h为一个测试周期。若导热油的黏度变化达到15%，闪点变化达到20%，酸值变化达到0.5%，残碳增加达到1.5%时，可以认为该导热油的品质劣化，需更换新的导热油。

3 导热油炉供热系统的组成

导热油炉供热系统是一个典型的液相强制循环系统[2]。

3.1 供热系统的基本组成

（1）热载体——供热系统中吸热、传热、放热的介质，即导热油。

（2）导热油炉——燃料（煤、油、气、电、木材加工剩余物）释放的能量被热载体吸收的装置。

（3）输送泵——热载体克服阻力使之流动的循环油泵。

（4）用热设备——将热载体热量传给生产工艺的设备，即热交换器、反应釜、烘箱等。

（5）控制器——为使循环供热系统安全、合理、方便、有效地运行，必须设立的操作、检测、控制、显示、保护、报警等装置，控制方式为自控、电控或手控。

3.2 供热系统的其他组成

有机载热体加热炉供热系统的典型工艺流程包括：（1）导热油的贮存、膨胀调节，由高位膨胀油槽、膨胀管、低位贮油槽等组成；（2）加油、放油、放空、气液分离等部分；（3）氮气密封安全保护部分。

3.3 典型供热系统外的其他循环系统

导热油加热炉供热系统可根据生产需要和工艺要求，组成相应的循环系统[3]，如：（1）多炉、多泵、多用热设备的加热供热（热网）系统；（2）一次循环、二次循环系统；（3）加热、冷却系统；（4）各种系统的组合。

当用热设备可以在某一温度下达到工艺要求时，可使用典型循环系统。若有下列情况之一，就需要设置二次循环系统：（1）导热油炉出口管只能提供某一油温，而工艺要求多种油温供热；（2）用热设备用热量与导热油炉供热量相互匹配，但要求用热设备进口、出口温差很小(即油流量很大)；（3）用热设备耗热量波动较大。

采用正确的方法进行循环供热系统设计，可以达到导热油炉与用热设备相互匹配、工艺温度稳定的技术要求，从而满足工艺生产的加工要求、达到节能增效的目的[4]。

液相炉导热油的进出口油温差不宜过大，否则会造成用热设备供热稳定性差，所以一般进出口油温差为20～30℃较为合适。

4 导热油的使用方法

导热油是由高分子有机化合物组成的传热载体，其热工品质和工艺性能是由其物理性指标决定的，而对导热油的物理性指标构成影响的主要因素是科学使用方法。

导热油的应用方式有气相和液相两种。气相应用为冷凝传热，传热系数大、温度稳定、加热均匀、适用性强。但是气相的导热油容易泄露，对设备要求严格，对操作技术要求高，并且用于气相的导热油主要是联苯类混合物[5]。液相为对流方式无相变的形式传热，其传热膜系数较小，导热油的体积流率较大，换热器需要较大的传热面积，泵送功率较大。但是液相导热油对设备的要求没有气相严格，操作简单、运行安全、易于普及。用于液相的导热油主要是长碳链饱和烃和以烷基萘为主要成分的纯碳氢化合物。

科学使用导热油要解决好以下一系列问题。

4.1 导热油加热炉的选择

加热炉的选择是科学使用导热油的关键，它主要取决于导热油炉的结构设计。结构合理的加热炉能使导热油在较长时间内保持良好的热工性和工艺状态（高效率、低消耗）；反之，则会使导热油在短期内结焦积碳，失去导热性能，甚至酿成爆炸起火等重大事故。导热油加热炉的选择是较为复杂的技术问题，一般应咨询有专门知识和实践经验的技术人员，或者实地考察生产加工单位，对几种不同结构的导热油炉进行比较鉴别后，作出正确的决策。

4.2 加热系统和用热设备的设计

加热系统和用热设备主要是指直接与物料发生热交换的系统和设备。物料加热应遵循以下两条基本原则∶一是要满足生产对物料温度要求的温度原则；二是所运用的加热工艺过程不降低物料的理化性能指标的质量原则。只有结构设计合理的加热系统和用热设备，才能满足上述两条基本原则[6]。合理设计应注意解决好以下三方面的问题。

（1）传热面积问题。传热面积必须经过热工理论计算和实际测试，合理配置。传热面积不宜过小，否则会降低温升梯度；传热面积亦不宜过大，否则会使导热油加热炉进出口的导热油温差过大，增加循环泵的流量。通常做法是根据生产需要确定温升梯度，再据此配置适当的传热面积。

（2）设备结构问题。应根据不同的物料对加热系统和用热设备进行分类设计，换热管应防止出现传热“死区”的现象。

（3）安全保障问题。在不设置氮气密封的条件下，导热油加热系统是开式循环系统，一般情况下是安全的。但是，由于系统在高温状态下运行，不安全因素仍然存在，所以循环供热系统设计应有安全保障。其措施主要是：设置导流管，用于应急临时停电；设置安全阀，用于应急阻力集中；设置压差装置，用于应急流程堵塞等意外情况。

4.3 规范操作规程。

导热油加热系统的启动、运行和停机全过程，必须由经过专门训练的操作人员按照规范的程序操作与控制[7]。在生产运行过程中，应严格控制以下4个指标。

（1）最高使用温度。理论上应比导热油的液膜温度低50℃，实际上应比标定的最高使用温度低20℃。

（2）压差波动。这是监视导热油炉管内流量的一个安全性指标。正常情况下，导热油炉进出口的压差波动很小，并应在确定的范围内波动，如果发生局部堵塞、汽蚀等异常情况，压差波动会增加甚至超出常规范围，应立即采取炉内压火降温措施，并检查排除故障。

（3）膨胀槽液位高度。这是一个保证性指标，如果高位膨胀槽液位过低，容易形成汽蚀而使供热系统运行异常。通常，液位高度应稳定在1/3以上。

（4）热油循环泵停机温度。这也是一个保证性指标。导热油加热系统中的循环泵一经启动，必须保持连续运行状态，一般规定导热油温度降到100℃以下方可停止运行。

5 延长导热油使用寿命的方法

5.1 影响导热油使用寿命的因素

（1）导热油本身质量是影响其使用寿命的关键。一般把导热油的原始理化指标(主要是酸值、残碳、黏度、闪点)看作导热油的质量指标，但这很不确切。导热油的本身质量应查看原始的理化指标，同时更应注重导热油使用过程中理化指标的变化趋势。理化指标在高温运行中的变化速率越慢，则导热油的寿命越长。

（2）导热油是在加热设备中运行的，加热设备的好坏、安装是否合理等，直接影响导热油的使用寿命。加热设备安装必须正确合理，调试时需及时整改，才有利于导热油寿命的延长。

（3）相同的加热设备和导热油，由不同的操作人员来使用，导热油的寿命也会不尽相同。目前，很多生产企业的导热油循环供热系统自动化程度不高，操作人员的情绪与操作方式是否规范息息相关，从而会影响对系统参数的控制，也必将影响导热油的使用寿命。

（4）导热油在高温运行时会产生一些杂质，这些杂质会在炉管壁上沉积形成焦质，焦质层逐渐增厚，将明显降低传热效果，只能增加油温以达到原定的热载体导热效果，这样运行温度会升高，导热油的寿命将缩短。因此供热系统是否定期进行清洗除焦也会影响导热油的寿命[8]。

5.2 延长导热油使用寿命的方法

（1）导热油在线清洗。根据以前的实际经验，若采用停工停产进行供热系统清洗除焦的方式会带来诸多弊端，目前可以采用一种导热油在线清洗剂，在导热油正常运行时直接进行在线清洗，清除其中的杂质，以减慢变化速率，延长导热油的使用寿命。

（2）添加导热油增寿添加剂。根据导热油分子结构的不同，补加一定量的增寿添加剂来改变导热油的变化速率，从而延长导热油的使用寿命。

6 结语

导热油炉供热系统由导热油炉、配套辅助装置、导热油循环管路、用热设备等组成，其配套辅助装置主要有高位膨胀槽、低位贮油槽、循环热油泵、油气分离器、导热油过滤器、注油泵等。导热油炉循环供热系统采用导热油作为传输热能的中间载热体，通过导热油炉的受热面将燃料燃烧产生的热能传递给导热油，使导热油被加热到工作温度，然后由循环热油泵注入到用热设备，释放热量后的低温导热油再返回到导热油炉中重新被加热。通过循环往复流动达到利用导热油炉向用热设备连续供热的目的。

导热油是呈淡黄色或褐色的油状液体，多数无毒无味，少数具有一定程度的毒性和刺鼻臭味。导热油具有较高的沸点，可以在很低的饱和压力下被加热到较高的工作温度，并具有较好的热稳定性。导热油在运行中一般不会腐蚀金属管道和用热设备，在工作温度下导热油的黏度比较低，故输送性能也比较好。在运行过程中，当导热油的工作温度超过80℃时，必须要有隔离空气的措施，否则导热油会因急剧氧化而发生变质。由于导热油可燃，故在使用过程中必须注意防火。另外，如果导热油超过使用温度工作时，会发生裂解并出现析碳现象，使得其黏度增加，从而使传热效果下降，导热油结焦积垢后还会引发过热爆管事故。最后需要特别注意的是，当导热油混合使用时，导热油生产厂家需要提供混合使用的条件和要求，当两种不同的导热油混用时，其混合导热油出口温度不得超过两种导热油中任何一种的最高允许使用温度。

参考文献：

[1]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油炉循环加热供酯化缩聚反应器使用的研究[J].上海化工，2016，41(3)：15-18.

[2]汪琦.载热体加热系统的工艺流程 [J].化工装备技术，1994，15(1)：8-10.

[3]汪琦，季炳奎，季俊.燃水煤浆导热油炉供热系统设计[J].工业炉，2014，36(3)：35-37.

[4]汪琦，俞红啸，张慧芬.热载体加热技术在压延法人造革生产中的应用研究[J].上海化工，2016，41(1)：13-16.

[5]汪琦.道生炉和道生加热系统的设计[J].化工装备技术，2001，22（5）：1-5.

[6]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油循环加热系统供热管路的设计[J].工业炉，2016，38(1)：33-36.

[7]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油炉开车调试和升温操作[J].上海化工，2015，40(12)：14-16.

[8]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油炉的清灰除焦与运行检验研究[J].化工装备技术，2015，36(2)：10-12.