燃生物质导热油炉在热定型机中的应用研究


汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑

(上海热油炉设计开发中心  上海  200042)


摘  要:介绍了燃生物质导热油炉在热定型机中的应用,分析了生物质燃料的层状燃烧装置与扩散燃烧装置的结构特点,研究了燃生物质燃料管架式导热油炉和方箱型盘管式导热油炉的结构型式,给出了燃煤导热油炉改烧生物质燃料的整改措施,讨论了导热油炉及循环供热系统管道内的清洗方法。

关键词:热定型机;生物质燃料;生物质燃烧装置;生物质导热油炉;清洗方法


一、前言

热定型机烘箱内的温差会导致后整理产生边色,考虑到导热油炉可以供给热定型机等后整理设备的高温导热油进行液相循环加热,在热定型机烘箱中的液相高温导热油散发的热量稳定,烘箱内的温差变化很小,各节烘箱温度都能达到设定值,因此不但提高了定型的速度,还提高了印染产品的质量及合格率。所以,导热油炉在印染热定型中仍作为主要的供热设备使用,但考虑到环境保护的要求,目前在印染企业中采用的导热油炉燃烧的燃料是天然气或生物质燃料[1]

世界气象组织发布的关于2019年气候状况的声明称,自上世纪80年代以来,每一个连续10年的气温都比上一个10年高,2010年以来的10年里全球异常高温达到创纪录水平,大气中的CO2浓度高于数百万年来的任何时期。要实现将全球升温控制在2℃以内的目标,需将现有各国自主减排的承诺水平提升3倍;而要实现1.5℃的控制目标,则需提升5倍以上。

面对气候变化正日益演变成气候危机,全球变暖正逐渐转为全球变热的局势,面对气候变化对社会经济发展和自然环境造成的影响变得日趋严峻,我们不得不面对燃烧煤炭对于气候变化问题的认识与思考,因而采取燃烧生物质燃料等减少温室气体排放的行动与措施,并逐步形成全球性的“减煤电”和“去煤化”的国际大趋势。

生物质燃料属于一种可再生能源,具有如下的优点:可再生性、低污染性和广泛的分布性。由于生物质燃料中的硫含量和氮含量很低,因此在燃烧过程中产生的SO2、NOx较低。所以,当导热油炉采用了生物质燃料进行燃烧以后,CO2的净排放量近似于零,从而可以减少大气中CO2含量,并可改善大气酸雨环境,同时还可以有效地减少温室效应。

生物质燃料的特点是水分高、灰分小、挥发分高、发热值偏低、形状不规则。如果从燃烧理论上讲,块煤、煤粉、燃油或燃气的燃烧装置都可以燃烧生物质燃料,但由于生物质本身特有的燃烧特性,在这些燃烧装置中燃烧生物质燃料还是存在很多的问题。

例如:采用粉状燃烧装置时,首先要将生物质制作成粉末,但由于生物质燃料是非脆性材料,在生物质磨制时极易生成纤维团状物,而不是粉末状物,并且在磨制前还需要预先进行干燥,但是干燥高水分含量的生物质时需要消耗大量的热能。因此,设计开发人员需要针对生物质燃料的特性,设计开发燃生物质导热油炉和生物质燃料燃烧装置应用在纺织印染行业中[2]

二、生物质燃料燃烧装置

1.生物质燃料层状燃烧装置

目前国内大多数企业是采用将燃煤导热油炉改造成为燃生物质燃料导热油炉,其设备加工改造简单,改造费用低,炉子运行操作容易。一般常用的生物质层状燃烧装置有手动炉排和机械炉排,手动炉排有固定倾斜炉排和振动炉排,机械炉排有链条炉排和往复炉排。手动炉排结构简单、造价低廉,但热效率低,燃烧时温度难以控制,劳动强度大。

而采用机械炉排在燃烧生物质燃料时,生物质通过料斗输送到炉排上面,不可能像燃煤那样均匀分布,容易在炉排上形成生物质燃料层疏密不均,从而形成空气送风量分布不均匀现象。在生物质燃料薄层处空气会形成短路,从而不能用来充分燃烧;而在生物质燃料厚层处,则需要供给大量空气用于燃烧,但由于厚层处的空气阻力较大,因而供给空气量会少于燃烧所需的空气量,致使生物质燃料不能充分燃烧和燃尽。

由于生物质燃料的挥发分很高,在燃烧开始阶段生物质燃料的挥发分大量析出,从而需要大量空气用于燃烧,但如果在这个时候空气供应量不足,则会导致挥发分可燃气体与空气混合不好,从而会造成挥发分可燃气体不完全燃烧,生物质燃料的热量损失会急剧增加。同时由于生物质燃料的重量轻,很容易被鼓风空气吹离床层而带出炉膛,这样就会造成生物质燃料的固体成份不完全燃烧损失很大,从而导致燃烧效率很低。

另外,当生物质燃料含水率很高的时候,水分蒸发需要消耗大量的热能,从而使得生物质燃料的干燥及预热过程需要花费较长的时间,进而导致层状燃烧装置的燃烧效率降低。而当生物质燃料一旦燃尽之后,由于生物质燃料灰分很少,不能在链条炉排上形成一层灰的保护层,以保护炉膛后部的链条炉排尾部不会出现过热,这样将会导致链条炉排被烧坏的现象发生。所以,层状燃烧装置可以燃烧生物质燃料,但不是最好的燃烧装置。

2.生物质燃料扩散燃烧装置

生物质燃料扩散燃烧装置是利用机械动力或风力将粉碎后的生物质燃料分散,然后在空气中燃烧。在生物质燃料扩散燃烧装置中,生物质燃料与空气的接触及混合较为充分;所以,生物质燃料燃烧完全,燃烧温度也较为稳定。生物质燃料扩散燃烧装置一般是由炉膛燃烧室、生物质燃料的进料装置、二次风切向进风装置等部件组成。

一次风是从炉膛底部输入助燃空气,向上穿过炉排进入炉膛燃烧室内。二次风是从炉膛中部位置的四个切向进风管口引入炉膛燃烧室,并在炉膛燃烧室内产生旋流作用,使生物质燃料和空气充分混合[3]。而旋转涡流风的作用是使生物质小颗粒与大颗粒燃料分离,并且小颗粒燃料处于悬浮燃烧状态。较重的大颗粒燃料能够落到炉排上面的燃料堆层,由于燃料堆层中没有细小颗粒燃料;所以,一次风和辐射热可以穿透炉排上的燃料堆层,但较轻的小颗粒燃料则是在悬浮状态下完成燃烧过程。

另外,由于细小颗粒生物质燃料燃尽后会随烟气排出炉膛,不会进入炉排上面的燃料堆层,因此便于炉膛内空气流通和辐射热传递,从而使得炉排上的生物质燃料能够快速干燥和充分燃烧。

二次风切向进入装置采用了收缩喉管的方式,这样可以增强空气切向进入炉膛燃烧室内的速度和紊流度。炉膛燃烧室的四个切向进入的二次风空气管道及空气调风门是相互独立分开,这样便于空气风量调节控制和各个二次风切向空气管道的清理。而在炉膛燃烧室内的烟气同心旋转涡流的作用是增强了生物质挥发分气体与空气的混合程度,从而延长了生物质燃料的燃烧时间,使得生物质燃料能够充分燃烧;另一方也是利用旋转离心力的分离作用,减少烟气中灰粒的浓度,达到烟气在炉膛内除尘的目的。

三、燃生物质燃料导热油炉

燃生物质燃料导热油炉由炉本体和生物质燃烧装置两部分组成,机械化层燃生物质燃烧装置采用的是链条式鳞片炉排或往复炉排,但炉排片的材料必须采用RQTSi-4.5,因为只有这样才能保证机械炉排的长期安全可靠运行。另外,为了使生物质导热油炉的辐射受热面与机械化层燃链条炉排或往复炉排相互匹配适应,炉体结构应采用管架式结构或方箱形盘管式结构。

而当导热油炉的回油温度为240℃时,导热油炉的排烟温度一般在280~320℃左右,因此,为了提高导热油炉的热效率,必须在导热油炉的尾部增设空气预热器,以使导热油炉的排烟温度降低到200℃以下,从而达到节能减排效果。

燃生物质燃料管架式导热油炉主要由炉本体、生物质燃烧装置、炉墙、空气预热器等组成,其中炉本体由门形管、顶棚管、集箱、对流蛇形管片等主要受压元件组成。生物质燃料从料斗进入炉膛内燃烧,产生的高温烟气进入由门形管、顶棚管围绕成的辐射室,高温烟气对顶棚管、门形管组成的辐射受热面进行辐射传热后,再进入由对流蛇形管片组成的对流受热面,隔挡烟气炉墙将对流受热面分成两部分,烟气经转折流入两个回程之后,从导热油炉本体排出,最后经空气预热器后从烟囱排出进入大气[4]

燃生物质燃料管架式导热油炉具有炉体结构紧凑、制造成本低、启动速度快、炉子外形美观、消烟除尘效果好、运输安装方便等优点;但也存在门形管易出现爆管的现象,辐射受热面炉管内导热油会发生劣化变质的问题。

燃生物质燃料方箱形盘管式导热油炉是由炉体和生物质燃烧装置组成,炉膛内辐射受热面是将直径相同的数根炉管密集地沿炉体辐射段盘卷而成螺旋长方形盘管密排布置,不仅密封性能好,保温隔热材料用量少,而且能很好地与机械化层燃链条炉排或往复炉排相互匹配。对流受热面采用多组对流蛇形管片结构,并在炉顶布置了多根顶棚管,辐射长方形盘管和对流蛇形管及顶棚管与集箱互相连接构成了炉本体支撑框架[5]。

在炉膛结构设计上配备了二次风切向进入装置,二次风量约占总风量的30%左右,二次风旋流搅拌炉膛内气体使之混合,使炉膛内烟气产生漩涡流动,从而延长悬浮的飞灰及飞灰可燃物在炉膛内的行程,使飞灰量及飞灰可燃物量进一步降低。此外,输入二次风对炉膛内悬浮可燃物供给了新鲜空气,故有利于提高生物质导热油炉的热效率,降低了生物质导热油炉的初始排烟浓度,达到节能减排效果。

由于采用了旋流强化对流换热技术,使得烟气在对流低温差时的换热效能更加优化,并且不容易积灰结垢。采用炉膛喉口及炉膛出烟口的烟气温度控制技术,可以使导热油加热过程更加均衡稳定;但是方箱形盘管式导热油炉也存在辐射受热面的炉管利用率低、钢材耗量大等缺点;而且方箱形盘管的加工方式是先弯曲成型好一段炉管后,再对接焊好一段炉管。所以,方箱形盘管的炉管对接接头较多,对制造工艺水平要求较高。

四、燃煤导热油炉改烧生物质燃料的供热系统清洗方法

在役使用的燃煤导热油炉改烧生物质燃料的整改措施如下:导热油炉链条炉排片的材料最好采用耐高温材料RQTSi-4.5,从而可保证链条炉排的长期安全可靠运行。对使用中的导热油的粘度、残炭、闪点、酸值应进行抽查检测,若四个项目中的变化值超过新导热油原始数据的20%时,应考虑及时更换新的导热油。

而对于当地暂无化验条件的纺织印染企业,可以从放油管放出导热油的外观特征来大致判断导热油劣化程度,当放出的导热油呈稀沥青状时,就应更换新的导热油;同时在换新油之前应对导热油炉及循环供热系统进行化学清洗。

首先将导热油炉及循环供热系统内的旧导热油排放干净,再将导热油炉及循环供热系统注满水,开启循环泵,然后检查导热油炉的炉管和循环供热系统输油管道是否有堵塞、泄漏或异常现象,如果有泄漏或异常情况应该迅速处理;然后在导热油炉膛内燃烧小火,采取边循环流动、边加热水温至80℃左右,并检查循环供热系统中各个换热器的输送管道受热温度是否均匀,若有不易受热的管道,则说明管路有可能被污堵,故需要对该循环管路加强水力冲洗疏通,必要时可采取排水后拆开换热器的输送管道进行人工疏通。

当热水在导热油炉内和供热系统中循环流动冲洗一定时间之后,采取炉膛内熄火、炉管及输送管道内排水,再将已经配制好的清洗液放入导热油炉及循环供热系统中,并开启循环泵,循环均匀并确定炉子及供热系统无泄漏之后,在炉膛内点燃小火,采取边循环流动、边加热清洗的方法。

清洗温度和清洗时间应根据清洗剂的特性和管内油污的程度而确定,一般情况下的清洗温度为80℃~95℃,清洗时间是8~36小时;也可以将炉管内的除油清洗和除焦清洗分步进行,即先加入除油清洗剂进行清洗6~12小时,清洗除去管内的表面油污后,再改换放入除焦清洗剂、并进行再次清洗8~24小时,从而清洗除去管内的结焦积碳[6];但如果管内的油污和结焦程度严重,则需要延长清洗时间。

为了提高炉管内及系统管道中除焦去污的效果,应设置分路清洗的方法,即对结焦程度不严重的循环供热系统管路可采取循环与浸泡相互结合的方法,并在清洗过程中适时关闭循环系统的部分清洗管路的出口阀门和进口阀门,以增加导热油炉管内清洗液流速或者油污程度较严重的换热器管路内清洗液流量,从而达到重点清洗炉导热油炉管内结焦积垢或者换热器管路内油污堵塞严重的部位。

如果循环供热系统管路有阻塞现象,也可采用分组进行循环清洗的方法,增强清洗液的流量冲通阻塞的管道。清洗过程结束的判断标准因为采用了不同清洗剂而有所不同,一般情况下可以通过循环系统压力的平稳性、清洗液颜色的变化程度、过滤阀滤出的杂质数量、换热器管路受热的均匀性等因素来进行判断。

当清洗过程达到了预定时间后,各个循环管路上压力平稳、清洗液颜色不再发生变化、换热器管路的温度均匀,检查过滤阀干净,并将过滤网更换或者清理干净后,再循环清洗1小时检查过滤网上基本无新增油污和渣滓,则可以判断清洗过程结束,然后停止炉膛内燃烧小火加热;但还需要保持清洗液的循环流动状态,等到清洗液温度降低至70℃~80℃时进行排放。

待到清洗废液排放完毕后,将导热油炉的炉管内及循环系统管道中注满清水,然后一边循环流动,一边在炉膛内点燃小火加热水温至80℃~90℃,同时检查过滤阀滤网处是否有残渣积聚,并且通过检查循环管路受热是否均匀,来判断循环管路及换热器是否有堵塞现象。

待到温水循环流动1小时后炉膛内熄火,趁热将温水排放干净,如果管道内有残渣积聚或残留物堵塞,则应该进行管内疏通清渣;然后再次向导热油炉及循环系统管路内注满清水,待到清水循环流动0.5~1小时后排放干净。

如果循环系统中各个换热器或每个循环支路上安装有排放阀门,则应该打开每个排放阀,来检查导热油炉及循环系统中各个排放口排出的水是否呈中性;若是导热油炉及循环系统中的水呈碱性,则需要再次重新更换清水进行冲洗,直至所有排放口排出的水呈中性pH≈7。

等到导热油炉及循环系统管路内的水排放干净后,再使用抽吸泵抽吸各个排放口,抽出管道内残留水,然后再采用压缩空气吹干管道内壁水渍。特别需要注意的是,不能采用空炉加热烘烤的方法来除去炉管内残留水,因为这种方法会对导热油炉造成损害。

清洗完成以后再将导热油注入到导热油炉及循环供热系统管路内,并按照导热油升温脱水的操作步骤进行,其升温过程要遵循“一慢二停”的原则:一慢即升温速度要慢;二停即在95℃~110℃和210℃~230℃两个温度区间,要减弱导热油炉膛内燃烧加热、停止导热油升温,并维持这个温度一段时间[7]

五、结束语

我国已经确定了“碳排放”与“碳中和”的目标和时间表,为了彻底摆脱对化石能源的依赖,应必须停止燃烧煤炭燃料,进而采取可再生能源的供应体系。由于生物质燃料不含硫、磷,因此生物质燃料在燃烧时不产生SO2和P2O5,因而不会导致酸雨的产生,也不会污染大气环境,所以生物质燃料具有很好的环保效益。

近年来随着蒸汽、燃料、水、电力价格的增长,印染企业生产成本进一步增加,产品竞争更加激烈。拉幅定型机的作用是脱水、整理、烘干、焙烘、定型,而为了进一步降低能耗与节能减排,印染企业逐渐采用燃生物质导热油炉作为主要的供热设备使用,为热定型机烘箱内提供稳定的热量,并减少烘箱内的温差变化。

燃生物质燃料导热油炉常用的结构型式有管架式与方箱型盘管式,燃生物质燃料的燃烧装置常用的有层状燃烧装置与扩散燃烧装置。燃生物质燃料导热油炉如果满负荷运行时,炉子排烟口处无黑烟冒出,林格曼黑度为0,炉膛内挥发分燃尽率为100%,排出灰渣含碳量为3%~5%,总体燃尽率为95%~97%,因此,节能效果非常显著!另外,生物质燃料燃烧后灰烬还可以作为钾肥直接使用,从而可以更好地为用户创利。

所以,生物质燃料作为一种可再生的清洁能源,以其特有的经济效益优势和节能环保效果,完全符合经济与环境可持续发展的要求。


参考文献:

[1]汪琦,张慧芬,俞红啸等.导热油循环供热系统在热定型机中的应用[J].染整技术,2020,42(5):25-31.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.清洁能源供热技术在印染定型机中的应用研究[J].染整技术,2019,41(5):40-43.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃生物质固硫型煤热管式热风炉的设计开发[J].上海化工,2019,44(8):24-28.

[4]汪琦,俞红啸,张慧芬.燃生物质固硫型煤导热油炉的设计开发[J].化工装备技术,2014,35(6):4-7.

[5]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃生物质颗粒燃料导热油炉的研究开发[J].化工装备技术,2017,38(3):26-30.

[6]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉中炉管内外表面的清洗方法[J].工业炉,2017,39(6):30-34.

[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.


作者简介:

汪琦,硕士,高级工程师,长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

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