蒸汽锅炉和电站锅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:介绍了燃油燃气锅炉的主要受压元件构成,探讨了低压蒸汽在热定型机中的应用方式,分析了燃煤电站锅炉的结构组成,研究了太阳能塔式光热发电站和槽式光热发电站的结构特点,讨论了热电厂中压中温蒸汽对热定型机进行加热的节能环保应用方法。

关键词:燃油燃气锅炉;燃煤电站锅炉;光热发电站;中压中温蒸汽;热定型机


前  言

涤纶、尼龙、腈纶等合成纤维及其混纺交织针织物以及含氨纶弹性针织物的热定形工序安排有预热定形和后热定形两种形式。预热定形是指对坯布进行的预热定形和对已经过松弛、练漂后但还未染色、印花的半制品进行的热定形。后热定形是以保证染整厂终端产品实现良好尺寸稳定性和克服前面加工过程中出现的不良现象为目的的整理。热定形会改变涤纶、尼龙等合成纤维的晶态结构,涤纶纤维热定形前和热定形后的晶态结构变化。纤维微结构的变化,必然会改变纤维的染色性能。正常的预热定形,大多会使纤维的得色量降低。

热风拉幅定型机在针织物染整加工中的用途是多样的,可用于热塑性纤维织物的坯布预热定形、染前热定形和后整理热定形,可用于各种纤维织物的烘干,还可用于涂料印花、涂层和防水防油等整理的焙烘等,许多针织品还要多次通过热定型机进行织物的烘燥和热定形,有时是真正对热塑性纤维的热定形,有时仅仅是进行织物拉幅烘干。不同用途的整理过程,虽然使用的是同样热定型机,但是采用的工艺流程和工艺条件是不相同的,坯布预热定形、染前预热定形、后整理热定形、拉幅烘干等,都是有各自的染整工艺要求。

热定型机可承担的拉幅烘干、预热定形、后整理热定形等工序,其加工后产品的质量除了与定形温度、定形时间、幅宽、超喂、落布温度等工艺参数的设置紧密相关外,还与热定型机的供热设备,如:燃油燃气锅炉、热电厂中压中温蒸汽、天然气直燃式热风炉、燃生物质导热油炉、燃天然气导热油炉等供热循环系统的配置得好也很重要[1],从而可使染整生产工艺科学化和印染企业经济效益合理化,并可达到环境保护与节能减排的双重效果。

1.燃油燃气锅炉

燃油锅炉燃料是采用轻油或重油,燃气锅炉燃料则采用天然气或液化石油气。燃油要经过雾化配风后燃烧,燃气经过配风后燃烧(不要雾化),两者都需要使用燃烧器喷入锅炉的炉膛内燃烧。而喷入炉膛内的雾化油气或者燃气,如果熄火或与空气在一定范围内混合,则容易形成爆炸性气体;所以,燃油燃气锅炉均采用自动化燃烧系统,包括火焰监测、熄火保护、防爆等安全设施。由于燃油锅炉需要将油滴雾化成油雾后进行燃烧,所以,燃油燃烧器需要携带油雾化器;而燃气锅炉是直接燃烧天然气或液化石油气,因此,燃气燃烧器不需要带雾化器。燃油燃气锅炉通常可分为火管锅炉与水管锅炉两类。

1.1 火管锅炉

火管锅炉的主要受压元件包括锅壳、封头、炉胆、火管等。锅壳作为火管锅炉汽水空间外壳的筒形压力容器。锅壳内盛有水与饱和蒸汽,锅壳外的各管座上装有主汽阀、副汽阀、安全阀、压力表、水位表、进水管、排污管等。通常锅壳内还装有汽水分离器及进水配水管,控制蒸汽压力与水位的传感器元件有时也会安装在锅壳内。

封头作为锅壳的封口部分。火管锅炉的封头通常有平盖封头与扳边封头两种形式。平盖封头与锅壳的连接采用的是角焊结构,而扳边封头与锅壳的连接则采用的是对接焊结构。因此,从受力情况来看,采用锅壳与扳边封头的对接焊的连接方式,要比采用锅壳与平盖封头的角焊连接的效果要好。封头可分前封头与后封头;另外,在火管锅炉的前、后封头上还开有许多管孔,用来安装烟管,因此也可称封头为管板。

炉胆是锅炉内承受水与饱和蒸汽外压的筒形炉膛,作为内燃式火管锅炉的燃烧空间和辐射受热面,因此炉胆也可称为火筒。炉胆通常有直炉胆和波形炉胆两种,也有在直炉胆中间加装波形膨胀环的结构形式。炉胆做成波纹状可以减少受热膨胀产生的热应力;另外,也可以增加炉胆的刚度,提高炉胆的承受外压能力,同时还可增强烟气的扰动,从而提高传热效果,并且锅炉的受热面积也会有所增加。炉胆与封头的连接形式通常采用角焊结构。

火管(烟管)作为烟气在管内冲刷的对流受热面。大部分火管锅炉都采用无缝钢管作为烟管,也有一些进口锅炉采用有缝钢管作为烟管;而为了提高锅炉的热效率,还有一部分火管锅炉采用螺纹钢管作为烟管。烟管与前管板、后管板的连接方式通常采用的是焊接或者胀接。

1.2 水管锅炉

水管锅炉的主要受压元件包括锅筒、水冷壁、管束、集箱。锅筒是水管锅炉中用来进行蒸汽分离净化、组成循环回路和蓄水的筒形压力容器。按照锅筒在锅炉内的安装布置方式可分为上锅筒(有蒸汽、水)和下锅筒(只有水),锅筒也称汽包。

水冷壁是布置在炉膛内壁的水管,主要是采用水冷却的辐射受热面,炉管外部直接承受火焰辐射,炉管内部流动的水带走热量。由带鳍片式水管拼焊成管屏组成的水冷壁俗称膜式水冷壁。用作对流受热面的管束,炉管外部受烟气冲刷,炉管内部流动的水吸收热量。根据管束吸收热量大小及具体布置形式,按照管束内蒸汽向上流动的炉管称作上升管,管束内水向下流动的炉管称作下降管。集箱是用来汇集或分配多根管子内流动水、蒸汽的筒形压力容器。集箱按其在锅炉内的位置可分为前后集箱、左右集箱、上下集箱等。

2.低压蒸汽在热定型机中的应用

印染厂内自建锅炉房采购的燃油燃气锅炉蒸汽压力在0.5~0.8MPa,饱和蒸汽温度较低,一般小于150℃烘焙温度,故只能对棉布热定型。使用低压蒸汽具有三个优点:第一是利用每吨低压蒸汽与中压蒸汽的热焓值相差不大的原理,而低压蒸汽的价格较为便宜,因此,棉布的低温热定型采用低压蒸汽可以极大地节省成本;第二是低压蒸汽对阀门和散热器的冲刷较轻,从而可以极大地延长阀门和散热器等设备的使用寿命;第三是低压蒸汽在做低温的棉布热定型时要比中压蒸汽温度更加稳定。

如果染整厂采购的燃油燃气锅炉蒸汽压力达到1.3~2.5MPa,饱和蒸汽温度为250~400℃,故可以满足定型工艺温度150~220℃区间要求,但是因为蒸汽压力提高,则锅炉受压元件要求也相应提高,从而锅炉制造加工费用比较贵,导致中压燃油燃气锅炉的价格很贵,并且锅炉运行成本和锅炉检测费用也会很高。

另外,轻油与天然气价格相比动力煤价格要高出很多,则燃料费用支出也比较高;但优点是印染企业自主掌握了蒸汽产出供应加热定型机,不会出现热电厂集中供给蒸汽由于某种原因突然停止蒸汽供应、或者蒸汽价格突然上涨等现象发生,从而导致印染厂被动的紧急停产放假,进而影响印染企业正常的生产运行。

3.燃煤电站锅炉

目前采用蒸汽轮机进行发电有燃煤发电站和光热发电站,燃煤电站锅炉有自然循环电站锅炉、多次强制循环电站锅炉、循环流化床电站锅炉等结构型式,燃煤粉电站锅炉的燃料通常采用煤粉。循环流化床电站锅炉的燃料包括各类烟煤、贫煤、无烟煤、褐煤、油页岩、煤矸石等,燃煤粒径要求在0~8mm,平均粒径为2.5~3.5mm,并且对煤粒的分布有一定的要求。

3.1 自然循环电站锅炉

电站锅炉是一种用以生产过热蒸汽供电站发电应用的蒸汽锅炉。利用循环回路中上升管内汽水混合物和下降管内水的密度差建立工质循环的称为自然循环电站锅炉,其特点为具有锅筒和只能在临界压力以下工作。自然循环锅炉的循环回路是锅筒、集箱、下降管和上升管组成。下降管布置在炉墙外面,因此不受热,下降管上端和锅筒(汽包)相联接,使锅筒内的水流入管内,下降管下端和下集箱联接。上升管也称水冷壁管,布置在炉膛内,管内的水吸收火焰辐射热,使由下降管再经过下集箱进入上升管的水汽化产生蒸汽。上升管下端和下集箱联接,上升管上端和锅筒相联接,管内产生的汽水混合物回流进入锅筒。汽水在锅筒内分离,热水回流进入下降管,蒸汽流入过热器,经过加热后输往汽轮机供发电应用,因而锅筒是蒸发受热面和过热器之间的固定分界点。锅筒较难制造,耗费金属较多,安装运输较复杂且筒壁较厚;但是锅筒的蓄热和蓄水能力大,因而自然循环锅炉的自动调节要求较低,给水带入的盐分可用排污方式除掉,所以,对水处理要求也较低。

3.2 多次强制循环电站锅炉

多次强制循环电站锅炉的特点是在炉膛蒸发受热面的下降管和上升管之间安装循环水泵,以提高循环回路的流动压头,循环水泵的压头一般为0.25~0.35MPa。由于工质是采取强制循环流动的,因此可以采用直径较小的锅筒、上升管和下降管,锅炉的蒸发受热面布置比较自由,锅炉起停时间要比自然循环电站锅炉的短,且负荷调节范围增大。多次强制循环电站锅炉的循环倍率较小,蒸发受热面上升管出口的蒸汽干度较大,为了保证可靠的冷却管子,在设计时应对循环回路中各个管子的流量,通过在管子内加装节流圈进行精确分配;同时为了保证锅炉的安全运行,必须要确保循环水泵的质量。

3.3 循环流化床电站锅炉

循环流化床电站锅炉主要是由燃烧室、风室与风帽、高温绝热旋风分离器、回料装置、外部流化床热交换器、尾部烟道、冷却出渣器等组成。燃烧室上部布置膜式水冷壁,下部由耐磨耐火砖砌成绝热裤裆型。绝热式上排烟气高温旋风筒分离器布置在燃烧室左右两侧。在回料装置上的回料控制器中布置锥形回灰控制阀。外部流化床热交换器的作用是解决燃烧室和尾部烟道内受热面布置不下的问题,并便于调节蒸汽温度和炉膛温度。过热器与再热器分别布置在外部流化床热交换器和尾部烟道内。冷却出渣器布置在锅炉房的零米层,处在燃烧室下面两侧。

循环流化床电站锅炉具有三个显著优点:燃料适应性好、燃烧效率高;负荷调节范围大、调节性能好;低成本污染控制效果显著、脱硫与脱NOX的效果好。但缺点是N2O(俗称笑气)生成量较高,N2O是一种强温室效应气体,对大气臭氧层有破坏作用,导致直射到地球上的紫外线强度增加,引发皮肤癌。在过去40年间,N2O的排放量增加了30%,与CO2一样,N2O也能长期存在于大气中,平均存在114年后才会分解。N2O吸引红外线的能力是CO2的100倍以上,N2O加热大气的效率是CO2的300倍(比较单个分子的加热效率)。如果N2O以目前的年增长0.18%~0.26%速度增加,50年之后,N2O的温室效应将会等于CO2的温室效应。

4.太阳能光热发电站

光热发电站的供热能源是采用取之不尽、用之不绝的太阳能,所以,光热电站发出的电是属于绿色电力,整个发电过程中是不排放CO2、SO2、NOX等大气污染物,因此,光热电站属于清洁环保的绿色发电方式。

太阳能光热发电站可分为塔式光热发电站、槽式光热发电站、碟式光热发电站三种类型。塔式光热电站主要包括聚光反射装置、聚光吸热器、冷熔盐储罐、热熔盐储罐、熔盐泵、熔盐蒸汽发生器、熔盐预热器、熔盐过热器、熔盐融化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、熔盐防冻、抗冻和解冻加热装置、熔盐安全防泄漏装置、配套辅机和阀门、自动控制装置[2]

塔式光热电站的熔盐循环系统工作时,冷熔盐储罐内的熔融盐,通过熔盐泵输送到太阳能集热器内,吸引太阳辐射能后升温进入热熔盐储罐内,然后高温熔融盐从热熔盐储罐中依次流入熔盐蒸汽发生器、熔盐预热器、熔盐过热器,加热水产生过热蒸汽,驱动蒸汽涡轮机运行发电,而熔融盐温度降低后再流回冷熔盐储罐[3]。同时在熔盐循环系统内设置了熔融盐中间回路,使得太阳能集热系统和蒸汽发电系统相互独立运行,从而发电机组不会出现频繁启停的情况[4]

太阳能槽式光热发电站是由集热系统、导热油循环系统、熔盐储热系统、蒸汽发生系统和常规发电系统组成。光热电站采用导热油作为太阳能集热器的吸热介质,并采用熔盐作为储热介质[5]。太阳能集热器采用槽式抛物面聚光器,槽式抛物面将太阳光聚焦在一条线上,在这焦线上安装管状集热器,以吸收聚焦太阳辐射能,并且将众多的槽式聚光器串联、并联成聚光集热场的阵列[6]。槽式聚光器对太阳辐射能进行一维跟踪,将太阳光聚集到管状集热器,从而将流入管内的导热油加热,被加热后的高温导热油进入蒸汽发生器加热水变成饱和蒸汽,用于驱动汽轮机组发电;而其中一部分高温导热油通过导热油/熔盐换热器和熔盐储热系统,将热能储存在高温熔融盐储罐内,以便在夜晚或雨雪天气时释放出热能产生电力[7]

在国家要求实现“碳达峰”和“碳中和”的战略目标下,大型发电站从纯火电到大部分用火电,再到逐步降低火电的比例,进而提升太阳能发电和风力发电的使用比例;同时利用可生能源、清洁能源与储能技术,更多地生产输出绿色电力,降低全周期碳足迹,实现绿色清洁能源发电的可持续发展目标,并在发电企业、能源企业、制造企业之间签订购买绿色电力、绿色蒸汽的绿色协议,从而可在各种工业制造产品价值上体现出低碳与环护的绿色效果。

5.热电厂中压中温蒸汽对热定型机进行加热的方法

热电厂提供的中压过热蒸汽热量包括三个部分:过热度热量、饱和相变热量、冷凝水的热量。其中过热度热量占总热量的10%左右,饱和相变热量占总热量的70%左右,冷凝水热量占总热量20%左右。所以,中压过热蒸汽的大部分热量是相变热,也称之为潜热;而蒸汽饱和温度的高低与蒸汽压力相关,因此中压蒸汽的重要指标之一就是压力,过热度多少对蒸汽影响不大。如果过热度太高,由于过热蒸汽的导热性能差,反而会影响热定型机烘箱的升温效果。

采用热电厂集中供热的方式供给压力2.5~2.8MPa过热蒸汽温度为260℃,可以满足定形温度150℃~220℃区间要求,而化纤织物定形温度至少要达到180℃以上,对应的蒸汽饱和压力是1.6MPa以上;氨纶等织物定形温度则需要220℃,对应的蒸汽饱和压力是2.6MPa以上,故需要利用蒸汽的汽化潜热来热定形化纤织物[8]

热电厂提供中压中温蒸汽的温度和压力均会超过热定型机的额定工艺参数;另外,染整厂存在多台热定型机与染色机的用热温度、蒸汽压力的需求参数不一致的情况,此时就需要对热电厂提供的中压中温蒸汽进行减温和减压,将过热蒸汽中的显热转化为潜热,进而降低过热蒸汽的压力和温度,使过热蒸汽转化为符合热定型机烘箱内加热要求的饱和蒸汽。

而利用饱和蒸汽对热定型机烘箱进行加热的优点是:利用潜热快速、均匀的加热,控制压力就可以控制温度,传热系数高。从而可以提高印染产品的质量和生产效率,并且可以迅速的确定和控制温度,要求的换热器传热面积相对较小,能够有效地降低换热设备的制造费用。

热电厂中压中温蒸汽进入热定型机烘箱内的蒸汽散热器中,把中压蒸汽内的热量传递给空气中,而吸引热量后的高温热空气可用于对织物进行热定形,同时通过控制蒸汽压力和蒸汽流量的方式,获取不同品种湿坯布所需要的不同定型温度,从而实现了织物定型温度的精确控制,定型温度最高持续可达到220℃。另外,当蒸汽的汽化潜热全部释放,经过换热后的饱和凝结水通过疏水阀排出,再经过凝结水回收装置加以回收利用后输送给染色水洗设备中使用。

热电厂中压中温蒸汽对热定型机进行加热的节能优化方法是:蒸汽的产生、蒸汽传输、蒸汽使用、换热后的转换成低压蒸汽梯级再利用、凝结水回收利用等。因此,印染企业通过蒸汽供热系统的稳定高效使用、蒸汽节能优化改造、提高蒸汽系列的梯级利用、凝结水回收利用等方法,从而可以降低印染企业的单位能耗成本、提高产品的市场竞争力。

6.结语

染整厂使用的热定型机及其相关配置单元设备包括对中装置、超喂上针、针铗链的伸幅、加热区、冷风降温、冷水辊降温以及进布和落布,这是热定型机的基本构造部分。而热定型机基本构造配置的最大不同点是:针铗链在加热区的伸幅宽度是“固定式”或“可变式”。固定式是指织物以固定幅宽经过所有的加热区,可变式是指织物经过的每个加热区的幅度都是可调的。用热定型机对织物进行烘燥称热风拉幅烘干,是利用针铗链可以实现超喂和伸幅,这样不管在什么温度下都能适当地调整织物幅宽、长度及密度,从而改变织物形态。

热电厂中压中温蒸汽是加热定型机的一种安全可靠的热源介质,能够满足印染企业生产所需要的换热、伴热、工艺混合等重要功能。从能源利用效率来看,中压中温蒸汽对热定型机进行加热方式的热效能与产能更高,换热后的剩余蒸汽还可实现能量梯级利用,即换热后剩余的常压蒸汽还可继续输送到染色车间的染缸中进行利用,从而能源整体利用效率高。

采用热电厂中压中温蒸汽对热定型机进行供热的优点是加热速度快、热能利用率高、清洁环保,对织物进行热定形是安全可靠,使用完后的废气排放可通过集中整治的方式进行,故能很好地控制环境污染;但是高温蒸汽对热定型机烘箱加热后产生过高的烘干温度,会使某些纤维泛黄和强力下降,还会使分散染料的热迁移加重而导致染色牢度降低,并且会影响涤纶、腈纶等合成纤维绒面织物的立绒效果。因此,必须要根据织物中纤维的性能、织物风格要求和染料性能等诸多因素,来确定热定型机烘箱的烘干温度。

 

参考文献:

[1]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.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.熔盐塔式太阳能发电站与熔盐吸热器的研究[J].化工装备技术,2018,39(3):55-58.

[3]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发[J].上海化工,2016,41(11):34-37.

[4]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发[J].化工装备技术,2014,35(1):11-14.

[5]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热载体蓄热储能技术在光热电站中的应用研究[J].上海节能,2020,No.8(第8期):866-871.

[6]汪琦,俞红啸,张慧芬.熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究[J].工业炉,2016,38(3):34-38,48.

[7]汪琦,张慧芬,俞红啸等.太阳能光热发电中导热油循环系统的设计开发[J].上海节能,2020,No.3(第3期):224-230.

[8]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热定型机采用天然气或中压蒸汽供热方式研究[A].第十三届广东纺织助剂行业年会论文集[C],广东佛山,2021年9月:108-114.

 

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、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

手  机:13311629783    13817605032

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