导热油间接加热染色机及炉管外表面清洗方法
汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑
（上海导热油炉设计开发中心 上海 200042）
摘 要：介绍了染色机的结构与型式，讨论了导热油间接加热染色机的使用方法，即采用了油加热换热器的染色机，以及在原有的蒸汽加热染色机结构上进行改装的油加热换热器，从而达到节能降耗的目的，分析了导热油炉的炉管外表面吹灰清焦的具体步骤，研究了导热油炉的炉管外表面的化学清洗方法。
关键词：导热油加热；染色机结构；导热油炉；炉管外表面；吹灰清焦；化学清洗
前 言
根据把染料施加于织物和使染料固着在纤维中的方式不同，染色方法可分为浸染（或称竭染）和轧染两种。浸染是将被染织物浸渍于染液中，通过染液循环及与被染物的相对运动，借助于染料对纤维的直接性而使染料上染，并在纤维上扩散、固着的染色方法。轧染则是将织物在染液中经过短暂的浸渍后，随即用轧辊轧压，将染液挤入织品的组织空隙中，并除去多余染液，使染料均匀分布在织物上，染料的上染是（或者主要是）在以后的汽蒸或焙烘等处理过程中完成的。
染色机械和设备对于染色时染料的上染速度、均染性、染料的利用率、染色操作、劳动强度、生产效率、能耗和染色成本等都有很大的影响。染色机的品种及型号可根据其运转操作是否连续、染物的形态、染色温度、压力、染液，及染物相对运动的情况和使用的染色方法等加以分类。染色机以染物的形态可分为：散纤维染色机、纱线染色机、织物染色机等。
在印染行业中对染色机染布的染液一般都是采用蒸汽加热器的方式进行加热染色，这种蒸汽加热染色的方式普遍存在着生产成本高、能源消耗大、环境污染严重，并且效率低下，难以满足印染行业对节能减排的生产要求；因此，采用导热油炉循环供热给染色机进行间接加热的方法，使用油加热换热器的染色机，以及在原有的蒸汽加热染色机上进行改装的油加热换热器，取代传统的染色机蒸汽加热，从而能够达到比原有生产成本降低30%～40%左右的节能减排效果。
1．染色机蒸汽加热改装使用导热油加热的方法
1.1 蒸汽直接加热染色机
染色机是利用加热染液对纺织物进行染色和前后处理，对染色液进行加热，一般采用直接加热或者间接加热。直接加热就是将高温、高压的蒸汽直接输入染色机的染缸体内，使染液达到所需要的工艺温度，其优点是加热方式简单；但缺点是蒸汽对染色液加热以后产生的冷凝水会与染液相互混合，从而会改变染色液的浓度，进而会影响染色加工的质量。因此，为了保持染色液浓度，就需要不断排放已使用过的、并且染色液浓度受到变化的染液水，同时还要新补充符合浓度的染色液；所以，蒸汽直接加热染色机的水浴比相对较高。
1.2 蒸汽间接加热染色机
蒸汽间接加热染色机是采用蒸汽通过一台热交换器进行间隔加热的方法，这样就使得蒸汽不会与染色液互相接触，其优点是不会改变染液的浓度。采用蒸汽加热的热交换器结构是在筒体内设置染液管，染液通过水泵强制进行循环。当染色液需要加热时，通过向筒体内输入蒸汽、且充满整个筒体内部空间的蒸汽对染液管内循环染色液进行间接加热；而当染色液需要冷却时，通过向筒体内输入冷水、且充满整个筒体内部空间的冷水对染液管内循环染色液进行间接冷却。
蒸汽间接加热染色机的水浴比相较于蒸汽直接加热染缸的水浴比要低很多，印染废水的排放量也要明显减少；但缺点是采用蒸汽对热交换器进行加热时，会有温度较高的冷凝水排出，但是大多数印染企业因为无法回收利用大量的外排蒸汽冷凝水，所以就会造成大量的低温热能和水资源的严重浪费现象。
1.3 导热油间接加热染色机
采用导热油炉循环供热给染色机进行间接加热的方法[1]，提供一种加热或冷却分别在不同的热交换器内进行，且加热时对染液或者加热的热源（高温导热油）没有影响的节能环保加热方法，即采用导热油间接加热染色机，在染布的染缸体内设有水位管，其上部一侧位置设有进出布口，染缸体通过管道分别与过滤器、染液的给排水阀相连接，过滤器的另一端通过管道与加料桶、染液循环水泵相连通，而在染布的染缸体与染液循环水泵之间相连接、且有通过法兰合二为一的水冷却交换器以及油加热换热器。
油加热换热器包括筒体，其内部设有分层排列的受热管，且受热管内流动染液，筒体外壳两端分别设有导热油进口与出口，筒体内两侧皆设有形状与之相配、且密封的热源封头与染液封头；另外，热源封头与染液封头之间形成空腔，受热管两端分别穿过热源封头及染液封头，筒体与两端热源封头之间形成的空间内充满热源；受热管两端分别穿过热源封头与染液封头时的结合处呈现密封状态。筒体外壳上对应于空腔的下侧，皆设有渗漏液出口，受热管可以采用金属圆管或传热系数较高的异型金属管制成，筒体内设有上、下间隔排列的折流挡板，折流挡板面积小于筒体内径尺寸，分层排列的受热管分别穿过对应的折流挡板。
筒体的一个侧面设有染液进口。水冷却交换器包括筒体，其内部设有分层排列的染液管，而在染液管内流动着染色液，筒体外壳两端分别设有冷水进口与冷水出口，筒体内两侧皆设有其形状与筒体两侧封头之间形成的空间内充满冷却水，染液管两端分别穿过封头时的结合处呈现密封状态。
筒体的另一个侧面设有染液出口，染液管采用金属圆管或者传热系数较高的异型金属管制造而成，筒体内设有上、下间隔排列的折流挡板，折流挡板的面积小于筒体内径尺寸，分层排列的染液管分别穿过对应的折流挡板。而通过法兰合二为一的油加热换热器以及水冷却交换器，会根据生产过程中的工艺需要分别对染液进行加热与冷却，从而达到染色工艺要求的染液温度。
另外，油加热换热器的结构设计是通过供热的热源（高温导热油）直接对受热管内的染液进行加热，从而提高了热量交换率。受热管可以采用异型金属管制作而成，这样会增加受热面的面积，并使得受热管内流动的染液发生搅动作用，从而可以增加金属管壁的传热效率。档板的作用也在于使进入筒体内的热源（高温导热油）随着折流挡板阻隔的方向而流动，从而可以进一步增加热源（高温导热油）与受热管的接触。
热源封头与染液封头之间形成空腔的作用、在于当受热管两端分别穿过热源封头与染液封头时的结合处发生渗漏时，渗漏液体可以通过空腔以及渗漏液出口排出。水冷却交换器的结构设计也是相同的原理，这样就可以极大提高了染液的冷却效果。
2．染色机结构与型式
染色机对不同的纤维与不同类别的纺织品具有差别化和专一性，因此，需要明确染色机所能适应的纤维，以及适应的机织物还是针织物，若是适应于针织物，还需区分是适应于经编织物、纬编织物还是横编织物；另外，还应了解该染色机是局限于单一品种的，还是数类别品种均可以使用的复合型。
2.1 散纤维染色机
染物的形态为散纤维、纤维条，散纤维染色容易染得匀透，但由于散纤维容易散乱；所以，一般采用染物散纤维填装而染液循环的染色机。散纤维染色机最初是用于羊毛的染色，故称为散毛染色机，至今仍有应用，通常把散毛染色机作为此类染色机的代表。纤维经初步纺织制成的纤维条或纤维条球，以此种染物形态的染色机也归入散纤维染色机类。
散纤维染色机包括：吊筐式散纤维染色机、毛条球染色机。
2.2 纱线染色机
纱线根据其形状有绞纱（包括绞丝、绒线）、筒子纱、经轴纱等，纱线染色产品主要供色织或针织用。纱线染色机包括：绞纱染色机、筒子纱染色机、经轴染纱机、连续染纱机。
2.2.1 绞纱染色机
绞纱染色机包括：喷射式绞纱染色机、液流式染色机、高温高压染纱机。
（1）喷射式绞纱染色机
绞纱套在多孔管上，用泵将染液从染槽送入多孔管，喷淋于绞纱上，顺绞纱下流至染槽，与此同时，回转棒转动使套在多孔管上的绞纱渐渐转动，改变和管子的接触位置而达到均匀染色的目的。
（2）液流式染色机
染物保持不动，用旋浆或用泵使染液循环流经染物，其结构简单、浴比较大，可以密闭、容量大，质量好，多用于绞纱。
（3）高温高压染纱机
染色时将绞纱堆放在纱笼中，将压板盖好拧紧，然后将纱笼架吊入染槽内，加入染液，依靠泵的作用，使染液由纱笼中间的喷管喷射经绞纱，再从四周回流，经过一定时间以后再换向循环。高温高压绞纱染色机采用密封操作，升温和染色时间均可自动控制，浴比较小。高温高压染纱机多用于涤纶及其混纺纱的染色，也可用于其他纤维的染色，适应性较好。
2.2.2 筒子纱染色机
高温高压筒子纱染色机的结构是由高压染缸、纤维支架、染小样机、四通阀、循环泵、膨胀缸、加料槽、压缩空气、辅助槽等部件组成，纱线卷绕在空心的多孔管上，筒子染色机的基本结构与绞纱高温高压染纱机相似，所不同的是纱笼架被筒子托架所代替。
2.2.3 经轴染纱机
经轴染纱机可分为立式和卧式高温染纱机，经纱卷在中空且表面布满小孔的卷轴上，放在圆筒形机体的中央，染液是由泵自内向外循环或自外向内循环，染后经轴纱可以直接或再经过一定处理后用于织造，比绞纱染色的工序要简化得多。
2.2.4 连续染纱机
连续染纱机适宜大比量低支数的纱、线或带的染色，纱线经过染液浸轧、汽蒸、后处理连续完成染色过程，劳动生产率高，主要用于硫化、靛蓝、直接等染料的染色。
2.3 织物染色机
织物染色机可分为浸染和连续轧染，浸染机大多适用于针织物、毛织物、丝绸织物等；连续轧染设备适用于棉、麻、涤纶/棉、涤纶/麻等机织物染色；浸染设备有绳状和平幅，浸染式有绳状染色机、溢流染色机、喷射溢流染色机等；平幅染色机有各种轧染机、卷染机、经轴卷染机和星形架染色机等。
2.3.1 绳状浸染设备
（1）绞盘式绳状染色机
绞盘式绳状染色机习惯上称为染机，绞盘式绳状染色机的形状根据容布量不同而略有不同，染布量多的形状一般为扁而宽，织物进出染色机需要手工操作，因此产量低。
（2）绞盘式高温高压绳状染色机
绞盘式高温高压绳状染色机由机体、绞盘、离心泵、过滤器、热交换器、升压器、升压控制阀、溢流口、溢流控制阀、多孔衬里、连续清洗开关、四氟乙烯层等部件组成，其基本结构与绳状染色机相似，但能够密封和耐压，可以在高温高压条件下或在常温常压下运行；适用的染料以及织物品种较为广泛，且蒸汽耗量较低。
（3）高温高压溢流染色机
高温高压溢流染色机内的织物是由主动导辊以及染液溢流带动进行循环，在染色过程中织物呈松弛状态、张力很小、染色均匀、得色鲜艳、产品手感柔软；主要用于合成纤维经编、纬编织物以及弹性织物等染色，可用于高温高压染色、也可用于常温常压染色。
（4）高温高压喷射染色机
高温高压喷射染色机的种类很多，按照外形不同可以分为U字形立式喷染机、C字形轮胎式喷染机等，通常附有程控装置，可以按预定工艺控制时间、升降温度。喷射染色机与溢流染色机的区别是：溢流染色机中织物的上升是依靠主动导辊的带动；但在喷射染色机中织物的上升是由喷口喷射染液带动的，因而织物的张力更小，各部分所受到的作用力更为均匀，染色织物手感比较柔软。
（5）高温高压喷射溢流染色机
高温高压喷射溢流染色机是在喷射和溢流染色机的基础上发展起来的，其染色机内既有溢流装置，又有喷射装置；与溢流染色机相比，织物所受到的张力较小、染色浴比小，染液与染物的循环速度快，匀染性较好，但容易产生大量泡沫。而与喷射染色机相比，其操作较为简单。
2.3.2 平幅染色机
（1）经轴染色机
高温高压经轴染色机是由经轴、染槽、循环泵、蛇形蒸汽加热管、染液加料桶、进液泵、连续循环冷却器等部件组成，经轴染色机大多用于针织物染色，某些轻薄机织物有时也采用。
（2）星形架染色机
星形架染色机适用于不耐轧压的织物（如丝绒）以及容易擦伤的织物（如真丝织物）的染色，与星形架染色机相类似的还有方形架染色机、压力棒轮染布机、挂染槽染色机等。
（3）卷染机
卷染机是在染槽上装有一对卷布辊，通过调速齿轮箱，决定其主动与被动；同时织物以一定的张力，织物经导布辊通过染液，卷绕在另一个卷布辊上（主动卷布辊），织物经过被动卷辊被退卷入染槽，再绕到主动卷布辊上，这样运转一次称为一道；普通卷染机是敞口型，因此蒸汽耗量大，会影响车间的环境，并且在染色温度高的时候，卷布辊上的织物两边温度与中间温度不相同，故容易造成织物边中色差，所以目前很少使用了。
（4）连续轧染机
连续轧染机适用于大批量的染色加工，劳动生产率高，棉机织物和涤棉混纺织物大都采用连续轧染工艺；各种染料由于染色工艺过程与工艺条件不同，因而有各种型式的连续轧染机：如还原染料悬浮体轧染机，不溶性偶氮染料连续轧染机，活性/分散染料、还原/分散染料连续轧染机等。
3．吹灰清焦
导热油炉及循环供热系统在长时间运行使用后，炉管外表面会形成积灰结焦的现象，因此，需要采用吹灰清焦、化学清洗等方法进行炉管外表面的清洗。
3.1 吹灰
导热油炉内炉管外表面烟气侧积灰或结焦都会增加热阻而影响传热，因此必须及时吹灰，避免外部积灰；积灰部位一般在对流受热面烟气侧。
用饱和蒸汽吹灰，往往由于蒸汽中带水，水滴会把灰粘在管壁上，越结越厚，并会结成硬层。用压缩空气吹灰效果较好。大型导热油炉需要安装吹灰装置[2]，及时进行吹灰。吹灰的顺序必须沿烟气流动的方向，由前向后逐步冲扫。
3.2 清焦
炉管外表面结焦是指积灰熔融了再冷却后形成的熔渣。而熔渣主要出现在炉膛内辐射受热面上。在这些区域内，炉内温度最高，煤中的灰粒大部分处于熔融或软化状态，碰到辐射炉管外壁后就被冷却凝固，粘结在受热面的外表面上。结焦不仅影响受热面的换热能力，而且还会带来炉管外壁管的热偏差和流量偏差，造成爆管，有时还会引起受热面的高温腐蚀使管壁变薄。
结焦的原因也是多方面的，煤的灰分熔点过低；炉膛结构不恰当，如炉膛容积热强度设计偏高，炉管外壁受热面积偏小，运行不当使火焰中心偏移，或火焰中心向上移动等都是影响结焦的因素。应检查其原因采取不同的方法加以避免。
炉膛内结焦严重时要求停炉清焦[3]，清焦是从上往下进行。在炉膛温度降至70℃时，虽然还不能进入炉膛，就应从炉外打开人孔门，看火孔等用铁棍清焦，待到能进入炉膛后，再进入炉内进一步清焦。清焦要有可靠的安全措施，避免焦块坠落轧伤人或损害炉管外壁。
4．化学清洗
燃煤导热油炉的化学清灰剂以氧化型为主，成份为碱金属硝酸盐混合一些助燃剂或分散剂。燃油导热油炉的化学清灰剂以还原型为主，主要成分为铵盐混合一些活性剂或添加剂。它们都是在燃烧时产生碱金属阳离子附着在受热面上，有防止灰垢沉积的作用，它们产生熔融的硝酸盐与受热面上的灰垢形成低熔物，使灰垢疏松，变脆易于脱落，并且还有防蚀，催化助燃作用，提高热效率、减少污染。
导热油炉受热面的积灰分为高温积灰和低温积灰两种形式。高温积灰以硫酸钠为主，主要成分为SiO2、钙、镁、铁、钾等硫酸盐和氧化物相互粘接，其挥发物含量只有10%，硫酸钙为主要胶粘剂，它使积灰密实而坚硬。化学清灰剂中的氧化物可以与积灰中的硫酸钙发生复合分解反应，使其变成易挥发和易分解的物质，从而使其松动多孔[4]。同时，化学清灰剂中的氧化物在活性剂的作用下，在高温区瞬间分解而产生微爆，使受热面上的积灰自动脱落。
在燃煤导热油炉中，高温腐蚀是由于生成了低熔点的硫酸钠，它附于受热面上与SO2反应生成焦硫酸钠。焦硫酸钠在650℃左右可与受热面上的氧化铁反应，生成熔点更低，具有强腐蚀性的硫酸铁钠复盐。在燃重油导热油炉中，高温腐蚀则是由于在600～700℃的温度下V2O5和钒酸钠发生的钒腐蚀。
化学清灰剂中的碱性物质可与积灰中强酸性的焦硫酸钠等物质反应，防止其对金属的腐蚀。这些碱性物质还可以与钒类物质作用，提高含钒化合物的熔点，并改善积灰的物化性质，使其疏松多孔。化学清灰剂中的耐高温添加剂可以极小的颗粒分散在积灰中，它可吸附具有腐蚀性的酸盐。防腐蚀分解而产生的亚硝酸盐和铜盐锰盐类可使铁钝化形成钝化膜，它们都是阳极缓蚀剂。
低温积灰主要是硫酸的凝出，常发生在对流受热面后段的空气预热器的受热面，结渣的酸性很强。所以，防止积灰和腐蚀可以从两方面入手：一是降低烟气露点，避免或减少硫酸或亚硫酸的凝出，二是使生产的硫酸和亚硫酸加以中和。化学清灰剂中的氧化物等碱性物质可以中和酸，使结渣由黏性变干，易于裂化脱落。化学清灰剂分解时产生的二氧化镁和氧化锌可以在低温受热面上结成一层薄膜，它与烟气中SO2起中和作用，使烟气中SO2含量下降，露点也随之降低。
化学清灰剂中的助燃剂进入炉膛后，一方面促使化学清灰剂的主体组分瞬时分解；另一方面作为氧的载体提供氧，其中碱金属盐、氧化铁、氧化锰等还可以在燃烧时捕捉原子氧或对燃烧起催化作用。
导热油炉中炉管表面积灰的热阻比炉管内导热油垢的热阻大，设计研究资料提出导热油垢的热阻是炉管材料热阻的20倍，而烟垢热阻为导热油垢热阻的20倍。采用化学清灰剂后，使炉管受热面外部保持洁净，改善传热条件，不仅提高了导热油炉的热效率，还可减少烟气中二氧化硫及二氧化氮的排放量，杜绝爆管事故的发生。
使用化学清灰剂可以节约能源5%～15%，而且还可以减少排放烟气中的二氧化硫及二氧化氮的生成，可减少二氧化硫10%～20%的排放量，并减少二氧化氮20%～60%的排放量，极大改善对环境污染。
化学清洗剂的类型如下：
（1） 循环供热系统和导热油炉中炉管内化学清洗剂。
（2） 导热油炉内炉管外表面化学清洗剂。
（3） 导热油炉内炉管外表面化学清焦剂。
5．清洗方法
在实际运行过程中，为了避免炉管表面上积灰结焦现象发生，应尽量将炉膛的排烟温度控制在850℃以下，同时设置吹灰清洗装置，每年定期采用化学清焦剂进行清灰除焦处理。在实际使用过程中，应每隔半个月左右在燃料中加入化学清灰剂对炉管外表面进行清灰除渣处理；每周用压缩空气对炉膛和炉管外表面进行吹扫清灰处理。以保证炉管受热面的清洁干净，改善传热条件，提高导热油炉的热效率。
在实际使用过程中，如果导热油出现劣化不能继续使用时，则必须采用化学清洗剂对导热油炉和循环供热系统与热定型机、染色机的油加热换热器进行清洗。在导热油炉及循环供热系统的实际运行时，如果导热油炉的炉管内壁结焦积碳严重，导热油的流量下降，循环油泵出口压力出现大范围波动，导热油炉进出口压力差增大、进出口温差增大，则需要采用化学清洗剂对导热油炉及循环供热系统进行清洗[5]。
综上所述，导热油炉及循环供热系统的定期清洗，对确保印染企业的热定型机与染色机的安全运行、高效节能等至关重要。另外，应该定期对导热油炉和循环供热系统以及热定型机、染色机的油加热换热器进行检验分析、清洗、保养，防止导热油炉出现炉管结焦积碳的现象[6]，保证导热油循环供热系统与热定型机、染色机的油加热换热器的正常运行。
6．结语
高速高压喷射染色机适用于涤纶经编织物的染色，也适合于涤纶加工长丝中厚型仿毛风格的机织坯布染色，但它却不适合涤纶长丝类低密度的薄型机织物（如雨纱、特丽纶等绸类）的染色，也不适用于涤黏、涤棉等混纺纤维类织物和纬编类针织物的染色，否则很容易在染色后出现豁裂纰缝（长丝低密度薄型机织物）或起毛起球（涤黏、涤棉混纺纤维类织物）或使织物原来应有的弹性特征丧失（纬编类织物）。
卷染机适合于轻重厚薄范围较广的小批量多品种的机织物染色，但不能用于线圈结构的针织物染色。溢流染色机适用于纬编织物、涤黏、涤棉混纺纤维类和弹性要求较高的针织物，但不适用于经编、机织类织物的染色。真丝类机织物宜在卷染机上进行染色，但同为真丝机织的绉纱类织物和真丝针织绸织物应在专门设计的、与棉用溢流染色机有明显不同的机器上染色。
以前的印染企业染色机大都采用大浴比的蒸汽直接加热方式，用水量与用电量都比较高，水浴比在1︰12以上。现在的节能型染色机都是采用小浴比的蒸汽间接加热方式，水浴比在1︰4～1︰5。而为了更进一步对小浴比的蒸汽间接加热染色机进行节能降耗，可以采用导热油加热取代水蒸汽加热的染色机改造方法；即采用导热油炉循环加热染色机和热定型机进行导热油间接加热的方法，将染色机改用油加热换热器。
经过生产实践证明安全可靠、运行稳定，可降低生产成本30%～40%左右，从而节约了能耗、延长了染色机和热定型机的使用寿命，克服了传统染色机采用蒸汽加热器加热染色的弊病，降低了用电费用，达到了十分显著的经济效益和环保效果，符合节能减排和资源再利用的绿色环保政策。
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,汪萍,俞红啸等. 载热体加热炉对流室中两层盘管之间的吹灰结构设计[J]. 工业加热,2015,44(3):57-60.
[3]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):10-12,20.
[4]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.
[5]汪琦,俞红啸,张慧芬. 太阳能光热发电中导热油结焦机理与清洗技术的研究[J]. 上海化工,2016,41(12):22-25.
[6]汪琦. 螺纹管对导热油的强化传热和结焦预防研究[J]. 化工设备技术,1997,18(3):8-9.
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。
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