热载体加热炉结构与节能减排措施的研究

汪 琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

上海热油炉设计开发中心

0 前言

在化工和纺织生产中进行高温操作时，经常会遇到需要均匀加热，且不允许采用火焰直接加热印染布料或电热棒直接加热化工物料等情况。因此可采用热载体加热炉输出的热载体去间接加热化工物料或纺织印染布料[1]。由于180 ℃时饱和水蒸气压力为1.0 MPa，所以当生产用热温度低于160 ℃时，饱和水蒸气就是一种很好的热载体，饱和水蒸气冷凝时的放热系数很高，需用量不大，温度易于调节，又能使化工物料或纺织印染棉布料被均匀地加热。但是随着饱和水蒸气温度的不断升高，水蒸气的压力会急剧上升，因此可以采用导热油炉[2]、熔盐炉、道生炉、中压中温热水炉就能在低压操作情况下均匀地加热化工物料或纺织印染化纤布料[3]。

1 导热油炉

为了消除化工物料突然过热，且达到均匀加热的目的，可使用导热油作为热载体，采用导热油炉液相加热和强制循环操作方法，将冷的导热油通过注油泵从贮油槽中抽出送至循环系统内，并由热油循环泵送入导热油炉内，导热油被加热后送至用热装置中进行热量交换，释放热能后的低温导热油进入气液分离器内，再返回流至热油循环泵后，又再次被送入导热油炉内加热升温，周而复始，达到导热油炉向外界供热的目的[4]。因为导热油在开始加热时体积会发生膨胀，所以，膨胀的导热油可通过膨胀管进入高位膨胀槽内。特别要注意的是在导热油循环供热系统运行时，如果热油循环泵运转突然停止，将会导致炉子内导热油过热结焦积垢现象发生，因此在生产运行过程中热油循环泵是要求连续运转的；同时导热油对过热现象又比较敏感，易于发生局部过热而产生热分解，使得导热油变质劣化[5]；另外，导热油在长期使用后黏度还会增大。所以在采用导热油液相循环加热时，必须使导热油在供热系统中不断循环运转，并且还应该严格控制导热油的使用温度。

燃油或燃气型导热油炉的圆筒形炉体结构紧凑[6]，炉膛内均为微正压操作，炉体内基本上无耐火衬里，炉管多为三层圆形盘管，依次套入炉体内，分别接受辐射和对流传热，燃烧器都是安装在立式炉的顶部或底部，以及卧式炉的端部，燃烧器可自动控制和安全联锁调节，从而对导热油炉液相强制循环的安全运行起到保护作用[7]。燃油或燃气型导热油炉的占地面积小、可以靠近用热装置运行操作，对厂房亦无特殊要求，可节省导热油的输送管道长度和投资费用。另外由于炉膛内没有耐火衬里，这不仅减轻了整个炉体重量，同时也减少了炉体的外形尺寸，从而节约炉用钢材、降低炉子造价。但缺点是炉子结构很紧凑，炉体内通道非常狭窄，使得检修清理不太方便。

燃煤链条炉排或往复炉排整体式快装导热油炉的结构非常紧凑，燃烧效果较好[8]，可以整体运输及安装，方便客户使用。另外，由于导热油炉是单纯加热导热油，同时导热油基本上又是采用强制循环，且导热油出口温度较高，但是导热油进、出口温差又比较低，故使得导热油炉的排烟温度较高，所以导热油炉的热效率均在65%～70%左右。为了节省能源，提高经济效益，必须考虑采用更多的方法来提高炉子热效率，例如加装省煤器或空气预热器，用于回收烟气余热，去加热成热水或热风，再加热生产工艺所用的低温物料。另外还要加强炉体保温措施减少热量损失，使整个循环供热系统的总热效率达到78%～80%左右[9]。分离式导热油炉是将炉座燃烧部分和炉体加热部分两者分开，采用链条炉排或往复炉排燃烧装置，炉管受热面没有布置在燃烧室内部，因此炉管受热面不会接触到1 000 ℃以上的高温火焰，这种加热方法使得炉管受热比较均匀，故适用于较大供热量的用户，而且还可以通过烟道旁路系统去调节烟气的流量；但是分离式导热油炉的占地面积比起整体式导热油炉要大了许多，其结构布置也不如整体式导热油炉紧凑，而且分离式导热油炉的耗用钢材量也比较多。

2 熔盐炉

熔盐采用的是亚硝酸盐、硝酸盐的混合物，其组成为40%NaNO2、7%NaNO3、53%KNO3或者是45%NaNO2、55%KNO3，以上混合物在常压下的熔点为142 ℃，沸点为680 ℃，重度在140～570 ℃时为1 970～1 680 kgf/m3，熔盐比热在固态时为0.32 kcal/(kg·℃)，在液态时为0.373 kcal/(kg·℃)，熔解潜热为20kcal/kg，因此当熔盐作为热载体时，在常压下可以达到530～540 ℃，最高工作温度可达到580 ℃，所以，熔盐是加热400 ℃以上时的最好热载体[10]。

燃油或燃气型熔盐炉通常采用圆筒形立式结构，燃烧器安装在炉子的顶部或底部，炉体内安装有12Cr1MoVG 特种无缝管制造的内、外两层圆形螺旋盘管，内圈盘管为辐射传热，外圈盘管为对流传热，其中内圈盘管为3 导程，外圈盘管为2 导程，内、外双层圆形螺旋盘管采用并联结构型式，以确保用户对于炉管内压降的要求。炉子壳体材料应根据所接触的烟气温度高低不同进行选取，也就是与高温烟气接触的炉子壳体材料采用0Cr18Ni9，可以承受870 ℃高温烟气；而与低温烟气接触的炉子壳体材料采用12 Cr1MoV，即可以承受580 ℃高温烟气；并且在炉子筒体外表面采用槽钢进行径向和轴向支撑加强。另外，炉管支撑形式是内圈盘管采取上部吊挂式、外圈盘管采取下部支撑式，也就是外圈盘管下部支撑在炉底支架上，从而向上可以自由膨胀；而内圈盘管和炉顶盘管采用上部吊挂装置吊挂在炉子壳体上，从而向下可以自由膨胀，并且内圈盘管上端部与炉顶小盖板之间保持相对静止，从而可以有效地保证烟气密封性以及降低炉顶外表面温度。

如果燃油或燃气的燃烧器安装在熔盐炉顶部中心，炉管束结构采用圆形螺旋盘管结构，其受热面是由内、外两层圆形螺旋盘管，以及圆形炉顶盘管(与内层盘管串联)组成，则燃烧器喷射的高温火焰向下燃烧，灼热的燃烧气体从圆形炉体中心向下流动，到达炉底部反转向流入两层螺旋盘管之间的烟气通道内，并将热量传递给螺旋盘管内的流动熔盐[11]。也就是说高温烟气由上而下与炉顶盘管、内层螺旋盘管进行辐射换热后，到达炉底部的中温烟气反转向进入内、外两层螺旋盘管之间所构成的烟气通道中进行对流换热，再次到达炉顶部的低温烟气反转向进入外层螺旋盘管与炉子壳体内表面之间所构成的烟气通道中进行对流换热，最终换热完成后烟气由炉子壳体下部的排烟口排出。然后余热烟气流入空气预热器内与助燃空气进行换热，最后的烟气进入烟气脱硫除尘器之后再排入到烟囱内排出。而流动熔盐由炉管束的下联集箱管进入炉体，在熔盐炉内吸收热量后，再从炉管束的上联集箱管流出炉体，因为熔盐流动是由下向上，刚好与烟气由上而下流动构成逆向对流换热，故换热效果是最好的。

3 道生炉

由26.5%联苯C8H5—C6H5和73.5%的二苯醚C8H5—O—C6H5所组成的低熔点混合物，简称为联苯混合物或称道生。道生在常压下的沸点为258 ℃，凝固点为12.3 ℃，临界温度为528 ℃，临界压力为4.1 MPa(绝)，在液态时为无色，且具有天竺葵花的气味，与水几乎不混合。道生具有足够的热稳定性，能在385 ℃下长期操作和在400 ℃下短期操作，具有较低的蒸汽压力。道生的饱和蒸汽温度250 ℃时，饱和蒸汽压力为0.1 MPa(绝)左右；而水蒸气在250 ℃时，饱和蒸汽压力为4.0 MPa(绝)。在350 ℃时，水的饱和蒸汽压力为16.86 MPa(绝)；而道生的相应饱和蒸汽压力仅为0.53 MPa(绝)。道生是不同于其它高温热载体，且具有一系列的优越性，比重及比热远较烟气为高，熔点比熔盐及易熔金属低得多，热稳定性要比导热油好很多。但缺点是稍微有毒性、渗透性很强，对密封要求很高。总之在385 ℃以下的高温加热情况下，使用道生的饱和蒸汽加热是非常有效，且又是非常经济的方法，其优点是可以准确地调节温度，放热系数比较高，加热非常均匀，且无局部过热的现象。管式道生炉的结构制造简单，受热面积较大，燃烧可以采用燃油、燃气或燃煤，还可以设置机械化烧煤设施及消烟除尘装置，管式道生炉通常用于道生气相循环供热系统的加热操作。其缺点是金属材料耗量较大，且占地面积较大。

圆筒道生炉通常有立管圆筒型和盘管圆筒型，该圆筒炉型结构比较适用于燃油、燃气作为燃料，圆筒炉型的占地面积较小，可露天放置，无需送风、引风设备，可节约风机电能，圆筒道生炉可用于道生液相循环供热系统的加热操作[12]。盘管圆筒道生炉是将受热管做成圆盘管，其管间距和受热管直径近似相等，圆盘管彼此紧密相联，分层放置，一般层数为2～4层，而通常是采用三层结构。其中最内层圆盘管的内侧一半炉管面受火焰辐射加热，外侧一半炉管面受高温烟气对流加热，中层圆盘炉管和外层圆盘炉管全部是受烟气对流加热。由于炉盘管紧密相联，同心分层放置，使炉体结构比较紧凑、体积减小，耗用金属材料及占地面积亦少。同时炉体结构密封，可以正压操作，也可以负压操作。炉子的燃料可以采用燃油或燃气，也可以使用燃煤，故对燃料的适应性较好。

道生在受热的炉管中要有一定的流速，在这个流速下应有较大的传热系数、较小的阻力降，避免局部过热而使道生结焦，对于道生气相加热系统，道生在炉管内流速可选取1.0～1.5 m/s；而对于道生液相加热系统，道生在炉管内流速可选用为1.5～2.5 m/s。确定了炉管内流速之后，可根据炉子的供热量及道生进出口温度，确定道生的循环量，进一步计算可得出炉管的直径，考虑到加热效果及制造方便，建议炉管的管径不宜选得过大[13]。对于炉管材质的选择，主要是根据炉管的最高管壁温及道生对炉管的腐蚀性而确定，由于道生对金属材料的腐蚀性极微，故选材的决定因素是炉管的最高管壁温；从道生使用温度来看，一般都低于300 ℃，最高的也超不过385 ℃，所以其炉管壁温都低于450 ℃，因此，可以选用锅炉钢管作为管式道生炉的辐射面受热管，普通碳钢管作为对流面受热管。另外还必须进行炉内的传热计算，以确定满足供热要求的管式道生炉受热面积。

4 中压中温热水炉

中压中温热水炉的热载体是汽水混合物，它在密闭的循环系统中靠本身的比重差来进行自然循环，通常采用0.6～1.0 MPa 水蒸气可使化工物料加热到150～160 ℃。在密闭循环系统中，水承受中压中温，不允许结垢产生，所以最好使用蒸馏水。在启动之前全部密闭循环系统内需注入蒸馏水，以便排出管道中的空气，然后开始将水加热。加热时充满密闭循环系统中的水因受热而膨胀，故密闭循环系统内的压力也迅速增大，逐渐由放出活门将水放出一部分，以维持密闭循环系统内的压力，使其略高于当时炉管内温度所对应的饱和蒸汽压力。这样一方面加热，一方面排去部分多余的水，逐渐将其温度和压力升高到临界状态，在这个过程中，任何时间内密闭循环系统中都要充满水，而不能有空气或蒸汽存在。此后关闭放出活门，即可准备正常运转。而当密闭循环系统冷却后，水占的容积较少，所余部分容积，将被与水相同温度的饱和蒸汽充填。当然任何时间内密闭循环系统中蒸汽与水均具有相同的压力和其相当的饱和蒸汽温度。

利用自然循环的热水炉是不要给水，不要排污，不要大汽包。且被加热设备必须安装在高于热水炉4～5 m 处位置，以保证水能够自然循环。水在热水炉体内的管束中被高温烟气加热，产生汽水混合物，由于比容增大，被加热的汽水混合物沿着管道上升。并通过被加热设备的换热管，在该换热管处的汽水混合物释放出热量[14]。冷却后的水具有较大的重度，故能沿着管道回流到热水炉内的管束中，重新加热形成循环。中压中温热水炉优点是能够灵敏地调节温度，使化工物料均匀加热；但缺点是需要较高的压力，对设备的制造、检验要求很高。

5 节能减排措施

热载体加热炉节能减排的主要措施是：烟气余热回收利用、增加炉体保温措施减少热量损失、增强炉体密封措施减少漏风损失、采用高效燃烧技术与节能装置、调整优化空气/燃料的燃烧比例。

5.1 烟气余热回收利用

由于热载体加热炉的排烟温度较高，烟气带走的热量占到热载体加热炉供热量的30%～50%，所以，排烟热损失在能源消耗中占有相当大的比例，为了节省能源，提高经济效益，需要采取烟气余热回收利用的节能措施。例如在烟气出口处安装省煤器或空气预热器、波纹管换热器等装置，将排出的中温烟气余热用于生产蒸汽、热风烘干、热水洗涤等生产工艺[15]，从而可提高热载体加热炉供热循环系统的总供热效率，但同时也要考虑余热回收装置投资的经济性，且投资回收周期不能过长。

5.2 增加炉体保温措施减少热量损失

增加炉体保温措施减少热量损失，例如使用耐火纤维等绝热材料降低炉墙的当量导热系数，减少炉体导热所致的散热损失，炉体采用轻质耐火材料可以降低炉墙容积比热，减少炉体蓄热损失。另外，还可以在炉拱表面或炉墙表面喷涂、覆盖高温高辐射涂料，强化炉膛内的辐射传热，增加炉内燃烧室辐射换热角系数，降低灰度系数，实现燃烧室内高温火焰烟气与炉管内热载体之间辐射与吸引的良好匹配，从而有助于炉体内热能的充分利用，提高热载体加热炉的节能效果。

5.3 增强炉体密封措施减少漏风损失

增强炉体密封措施减少漏风损失，包括炉膛内的炉门密封、观火门密封、清灰门密封、炉体与炉座处密封、炉体与炉端盖处密封、给煤装置处密封等部位，因为如果炉体密封不严，将会造成跑火、喷火等现象，并造成能源大量浪费、设备烧坏、环境恶劣等状况，所以炉体密封不严将会直接影响到热载体加热炉的能耗和热效率，而采用耐火纤维制品的密封毡、密封绳、密封片等产品可以使炉体密封实现其软密封的效果。如果再配以弹簧压紧或汽缸压紧，则可以有效地解决炉体密封问题，避免密封面之间的摩擦，从而提高密封部位的使用寿命。

5.4 采用高效燃烧技术与节能装置

高效燃烧技术有高温空气燃烧技术、富氧燃烧技术、重油掺水乳化技术、炉窑燃料入炉前的磁化处理技术等。而热载体加热炉目前广泛采用的节能装置是空气预热器，是通过烟气回收使常温空气的预热温度达到150～250 ℃，然后将其送入炉膛内参与燃烧的技术，该节能装置具有高效节能、清洁环保、低污染、炉膛内燃烧稳定性好、燃烧区域大、燃料适应性广、便于燃烧控制、节能设备投资费用省、炉子使用寿命长、操作简单实用等诸多优点。

5.5 调整优化空气/燃料的燃烧比例

为了保证燃料充分燃烧，防止燃料过量或者不足而造成燃料不完全燃烧热损失，应该根据燃料成分及燃料种类确定其理论空气量和过剩空气系数，调整优化空气与燃料的燃烧比例。并采用高效燃烧装置改善其燃烧状况，从而可以加强气流刚性，获得一定的空气动力场，以保证稳定迅速着火燃烧，同时又能使空气及时与燃料迅速混合，缩短其燃烧时间，达到提高热载体加热炉的热效率，减少不完全燃烧热损失的目的。

6 结束语

热载体加热炉包括导热油炉、熔盐炉、道生炉、热水炉等型式，热载体加热炉节能减排的主要措施是：烟气余热回收利用、增加炉体保温措施减少热量损失、增强炉体密封措施减少漏风损失、采用高效燃烧技术与节能装置、调整优化空气/燃料的燃烧比例。而在对现有的热载体加热炉进行节能减排改造的同时，还应进行环境污染治理，努力降低CO2、SO2、NOX的排放，消除有害废气和烟尘的排放，并采用清洁能源和新型生物燃料代替传统的煤炭及石油等燃料，设计制造出节能环保型的智能化热载体加热炉，从而可大幅度降低能源消耗，减少环境污染，走可持续的绿色发展之路。