導熱油爐循環供熱系統與導熱油使用運行研究

汪 琦俞紅嘯張慧芬季炳奎季 俊

1上海熱油爐設計開發中心 (上海 200042)

2上海恒欣化工有限公司 (上海 200436)

1 導熱油的特點

國內外生產導熱油的廠家很多，牌號品種繁雜，因此選用導熱油時應該從以下幾點綜合考慮：（1）良好的導熱性能。熱導率大，比熱容高，傳熱效率高。（2）較高的極限使用溫度。導熱油是否具有較高的極限使用溫度，是其能否滿足加熱工藝的需要、提供良好的穩定性和抗氧化性、具有較長使用壽命的關鍵。（3）具有較高的閃點、自然點、沸點，以確保導熱油在液態下安全使用。（4）具有較低的酸值和殘碳量，能較好地保證供熱系統內設備、管道及附件不發生化學腐蝕作用。（5）低黏度、低凝固點。黏度低運動阻力小，導熱油流動暢通；凝固點低，適用于較寒冷地區。（6）無毒無害，不污染環境。

導熱油的優點是在較低壓力下可以獲得較高的溫度，而且有較好的熱穩定性。但這些特性與優點必須是在質量有保證的前提下才能得到。因此，導熱油加熱爐能否正常運行，與導熱油的質量有很大關系。為了保證導熱油正常使用，對其性能指標，如最高使用溫度、黏度、閃點、殘碳、酸值等都有嚴格規定[1]。

對使用中的導熱油應該每年進行一次分析，黏度、閃點、殘碳、酸值等4項指標中有2項不合格或導熱油分解成分含量超過10%時，應進行更換或對其進行再生。

影響導熱油壽命的一個重要因素是其最高使用溫度和液膜溫度。一般情況下，規定的導熱油最高使用溫度是指導熱油的主流溫度。礦物型導熱油的液膜溫度與主流溫度之差一般取20～30℃。

2 導熱油的種類及其特性

物理性指標是評價導熱油品質優劣、導熱性能好壞的根本性指標，常用指標有以下5個。

（1）密度。密度是評價導熱油質量的常用指標，指單位體積內所含導熱油的質量。對某一確定牌號的導熱油而言，在某一標定溫度(一般為20℃)條件下測量時，其密度值均為常數。導熱油的工藝品質劣化，必然導致其密度增大。這是因為導熱油是用適當的石油餾分加抗氧耐熱添加劑后生產的，其組分主要是環烴基、烷基萘、芳烴基原油或者苯基醚、聚苯、烷基苯等高分子有機化合物。在惡劣工藝條件下（如氧化、局部高溫等），導熱油中的組分會發生分解或聚合：氧化后聚合生成膠體物質，使相對分子質量成倍增大；高溫分解，疊合生成碳化物，進而分解為相對分子質量較大的游離碳（俗稱炭渣），這些物質游離懸浮于導熱油母體中，使其顏色變黑，密度增大。

（2）黏度。黏度是導熱油的主要使用指標之一，其物理含義是導熱油的內部摩擦阻力。導熱油黏度是由其組分決定的。通常情況下，導熱油的黏度較低，黏溫性（黏度隨溫度變化的程度）較好。品質劣化的導熱油黏度增大、黏溫性變差。

（3）殘碳。殘碳的測定方法是在測定裝置的坩堝中，按規定的試驗條件加熱試油，使其蒸發分解并形成焦黑色殘留物，冷卻稱量后計算出殘碳比例。通常，導熱油的殘碳值不大于0.05%；而品質劣化的導熱油，其殘碳值大于1.5%。其原因是，惡劣的工藝條件使導熱油的組分發生變化，大量碳化物的生成使導熱油中炭渣的比率增大，有效組分降低。

（4）酸值。酸值是評價導熱油使用品質的重要指標，以中和1 g試油所需的氫氧化鉀毫克數為計量單位（mgKOH/g）。酸度過大的導熱油不僅會腐蝕管道與設備，而且會增加導熱油加熱爐及供熱系統的結焦和積垢，以致造成更大的磨損，并會進一步促使導熱油品質的劣化，因而需要嚴格控制。通常情況下，導熱油的酸值不大于0.02 mgKOH/g，而品質劣化的導熱油酸值會顯著增大，其原因是惡劣的工藝條件使導熱油的分子結構失去平衡，大量氫離子游離出來分散于導熱油母體中，導致酸性增加。

（5）閃點。閃點是保證導熱油安全儲運和使用的指標。其測量方法是在規定的開杯或閉杯內，將規定數量的試油加熱到其蒸發的油氣和空氣的混合氣能發生閃火時試油的最低溫度。通常情況下，導熱油的閃點不低于一個確定值（一般為110～140℃，因導熱油的品牌不同而異）。而品質劣化的導熱油，由于其結構組分發生了變化，導致輕質餾分含量增加，閃點降低。可見使用品質劣化的導熱油是不安全的。

導熱油的物理性指標是控制導熱油熱工性能和工藝品質的主要理論依據，必須定期進行測試。一般規定導熱油加熱系統運行一年或者連續運行8 000 h為一個測試周期。若導熱油的黏度變化達到15%，閃點變化達到20%，酸值變化達到0.5%，殘碳增加達到1.5%時，可以認為該導熱油的品質劣化，需更換新的導熱油。

3 導熱油爐供熱系統的組成

導熱油爐供熱系統是一個典型的液相強制循環系統[2]。

3.1 供熱系統的基本組成

（1）熱載體——供熱系統中吸熱、傳熱、放熱的介質，即導熱油。

（2）導熱油爐——燃料（煤、油、氣、電、木材加工剩余物）釋放的能量被熱載體吸收的裝置。

（3）輸送泵——熱載體克服阻力使之流動的循環油泵。

（4）用熱設備——將熱載體熱量傳給生產工藝的設備，即熱交換器、反應釜、烘箱等。

（5）控制器——為使循環供熱系統安全、合理、方便、有效地運行，必須設立的操作、檢測、控制、顯示、保護、報警等裝置，控制方式為自控、電控或手控。

3.2 供熱系統的其他組成

有機載熱體加熱爐供熱系統的典型工藝流程包括：（1）導熱油的貯存、膨脹調節，由高位膨脹油槽、膨脹管、低位貯油槽等組成；（2）加油、放油、放空、氣液分離等部分；（3）氮氣密封安全保護部分。

3.3 典型供熱系統外的其他循環系統

導熱油加熱爐供熱系統可根據生產需要和工藝要求，組成相應的循環系統[3]，如：（1）多爐、多泵、多用熱設備的加熱供熱（熱網）系統；（2）一次循環、二次循環系統；（3）加熱、冷卻系統；（4）各種系統的組合。

當用熱設備可以在某一溫度下達到工藝要求時，可使用典型循環系統。若有下列情況之一，就需要設置二次循環系統：（1）導熱油爐出口管只能提供某一油溫，而工藝要求多種油溫供熱；（2）用熱設備用熱量與導熱油爐供熱量相互匹配，但要求用熱設備進口、出口溫差很小(即油流量很大)；（3）用熱設備耗熱量波動較大。

采用正確的方法進行循環供熱系統設計，可以達到導熱油爐與用熱設備相互匹配、工藝溫度穩定的技術要求，從而滿足工藝生產的加工要求、達到節能增效的目的[4]。

液相爐導熱油的進出口油溫差不宜過大，否則會造成用熱設備供熱穩定性差，所以一般進出口油溫差為20～30℃較為合適。

4 導熱油的使用方法

導熱油是由高分子有機化合物組成的傳熱載體，其熱工品質和工藝性能是由其物理性指標決定的，而對導熱油的物理性指標構成影響的主要因素是科學使用方法。

導熱油的應用方式有氣相和液相兩種。氣相應用為冷凝傳熱，傳熱系數大、溫度穩定、加熱均勻、適用性強。但是氣相的導熱油容易泄露，對設備要求嚴格，對操作技術要求高，并且用于氣相的導熱油主要是聯苯類混合物[5]。液相為對流方式無相變的形式傳熱，其傳熱膜系數較小，導熱油的體積流率較大，換熱器需要較大的傳熱面積，泵送功率較大。但是液相導熱油對設備的要求沒有氣相嚴格，操作簡單、運行安全、易于普及。用于液相的導熱油主要是長碳鏈飽和烴和以烷基萘為主要成分的純碳氫化合物。

科學使用導熱油要解決好以下一系列問題。

4.1 導熱油加熱爐的選擇

加熱爐的選擇是科學使用導熱油的關鍵，它主要取決于導熱油爐的結構設計。結構合理的加熱爐能使導熱油在較長時間內保持良好的熱工性和工藝狀態（高效率、低消耗）；反之，則會使導熱油在短期內結焦積碳，失去導熱性能，甚至釀成爆炸起火等重大事故。導熱油加熱爐的選擇是較為復雜的技術問題，一般應咨詢有專門知識和實踐經驗的技術人員，或者實地考察生產加工單位，對幾種不同結構的導熱油爐進行比較鑒別后，作出正確的決策。

4.2 加熱系統和用熱設備的設計

加熱系統和用熱設備主要是指直接與物料發生熱交換的系統和設備。物料加熱應遵循以下兩條基本原則∶一是要滿足生產對物料溫度要求的溫度原則；二是所運用的加熱工藝過程不降低物料的理化性能指標的質量原則。只有結構設計合理的加熱系統和用熱設備，才能滿足上述兩條基本原則[6]。合理設計應注意解決好以下三方面的問題。

（1）傳熱面積問題。傳熱面積必須經過熱工理論計算和實際測試，合理配置。傳熱面積不宜過小，否則會降低溫升梯度；傳熱面積亦不宜過大，否則會使導熱油加熱爐進出口的導熱油溫差過大，增加循環泵的流量。通常做法是根據生產需要確定溫升梯度，再據此配置適當的傳熱面積。

（2）設備結構問題。應根據不同的物料對加熱系統和用熱設備進行分類設計，換熱管應防止出現傳熱“死區”的現象。

（3）安全保障問題。在不設置氮氣密封的條件下，導熱油加熱系統是開式循環系統，一般情況下是安全的。但是，由于系統在高溫狀態下運行，不安全因素仍然存在，所以循環供熱系統設計應有安全保障。其措施主要是：設置導流管，用于應急臨時停電；設置安全閥，用于應急阻力集中；設置壓差裝置，用于應急流程堵塞等意外情況。

4.3 規范操作規程。

導熱油加熱系統的啟動、運行和停機全過程，必須由經過專門訓練的操作人員按照規范的程序操作與控制[7]。在生產運行過程中，應嚴格控制以下4個指標。

（1）最高使用溫度。理論上應比導熱油的液膜溫度低50℃，實際上應比標定的最高使用溫度低20℃。

（2）壓差波動。這是監視導熱油爐管內流量的一個安全性指標。正常情況下，導熱油爐進出口的壓差波動很小，并應在確定的范圍內波動，如果發生局部堵塞、汽蝕等異常情況，壓差波動會增加甚至超出常規范圍，應立即采取爐內壓火降溫措施，并檢查排除故障。

（3）膨脹槽液位高度。這是一個保證性指標，如果高位膨脹槽液位過低，容易形成汽蝕而使供熱系統運行異常。通常，液位高度應穩定在1/3以上。

（4）熱油循環泵停機溫度。這也是一個保證性指標。導熱油加熱系統中的循環泵一經啟動，必須保持連續運行狀態，一般規定導熱油溫度降到100℃以下方可停止運行。

5 延長導熱油使用壽命的方法

5.1 影響導熱油使用壽命的因素

（1）導熱油本身質量是影響其使用壽命的關鍵。一般把導熱油的原始理化指標(主要是酸值、殘碳、黏度、閃點)看作導熱油的質量指標，但這很不確切。導熱油的本身質量應查看原始的理化指標，同時更應注重導熱油使用過程中理化指標的變化趨勢。理化指標在高溫運行中的變化速率越慢，則導熱油的壽命越長。

（2）導熱油是在加熱設備中運行的，加熱設備的好壞、安裝是否合理等，直接影響導熱油的使用壽命。加熱設備安裝必須正確合理，調試時需及時整改，才有利于導熱油壽命的延長。

（3）相同的加熱設備和導熱油，由不同的操作人員來使用，導熱油的壽命也會不盡相同。目前，很多生產企業的導熱油循環供熱系統自動化程度不高，操作人員的情緒與操作方式是否規范息息相關，從而會影響對系統參數的控制，也必將影響導熱油的使用壽命。

（4）導熱油在高溫運行時會產生一些雜質，這些雜質會在爐管壁上沉積形成焦質，焦質層逐漸增厚，將明顯降低傳熱效果，只能增加油溫以達到原定的熱載體導熱效果，這樣運行溫度會升高，導熱油的壽命將縮短。因此供熱系統是否定期進行清洗除焦也會影響導熱油的壽命[8]。

5.2 延長導熱油使用壽命的方法

（1）導熱油在線清洗。根據以前的實際經驗，若采用停工停產進行供熱系統清洗除焦的方式會帶來諸多弊端，目前可以采用一種導熱油在線清洗劑，在導熱油正常運行時直接進行在線清洗，清除其中的雜質，以減慢變化速率，延長導熱油的使用壽命。

（2）添加導熱油增壽添加劑。根據導熱油分子結構的不同，補加一定量的增壽添加劑來改變導熱油的變化速率，從而延長導熱油的使用壽命。

6 結語

導熱油爐供熱系統由導熱油爐、配套輔助裝置、導熱油循環管路、用熱設備等組成，其配套輔助裝置主要有高位膨脹槽、低位貯油槽、循環熱油泵、油氣分離器、導熱油過濾器、注油泵等。導熱油爐循環供熱系統采用導熱油作為傳輸熱能的中間載熱體，通過導熱油爐的受熱面將燃料燃燒產生的熱能傳遞給導熱油，使導熱油被加熱到工作溫度，然后由循環熱油泵注入到用熱設備，釋放熱量后的低溫導熱油再返回到導熱油爐中重新被加熱。通過循環往復流動達到利用導熱油爐向用熱設備連續供熱的目的。

導熱油是呈淡黃色或褐色的油狀液體，多數無毒無味，少數具有一定程度的毒性和刺鼻臭味。導熱油具有較高的沸點，可以在很低的飽和壓力下被加熱到較高的工作溫度，并具有較好的熱穩定性。導熱油在運行中一般不會腐蝕金屬管道和用熱設備，在工作溫度下導熱油的黏度比較低，故輸送性能也比較好。在運行過程中，當導熱油的工作溫度超過80℃時，必須要有隔離空氣的措施，否則導熱油會因急劇氧化而發生變質。由于導熱油可燃，故在使用過程中必須注意防火。另外，如果導熱油超過使用溫度工作時，會發生裂解并出現析碳現象，使得其黏度增加，從而使傳熱效果下降，導熱油結焦積垢后還會引發過熱爆管事故。最后需要特別注意的是，當導熱油混合使用時，導熱油生產廠家需要提供混合使用的條件和要求，當兩種不同的導熱油混用時，其混合導熱油出口溫度不得超過兩種導熱油中任何一種的最高允許使用溫度。

參考文獻：

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油爐循環加熱供酯化縮聚反應器使用的研究[J].上海化工，2016，41(3)：15-18.

[2]汪琦.載熱體加熱系統的工藝流程 [J].化工裝備技術，1994，15(1)：8-10.

[3]汪琦，季炳奎，季俊.燃水煤漿導熱油爐供熱系統設計[J].工業爐，2014，36(3)：35-37.

[4]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熱載體加熱技術在壓延法人造革生產中的應用研究[J].上海化工，2016，41(1)：13-16.

[5]汪琦.道生爐和道生加熱系統的設計[J].化工裝備技術，2001，22（5）：1-5.

[6]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油循環加熱系統供熱管路的設計[J].工業爐，2016，38(1)：33-36.

[7]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油爐開車調試和升溫操作[J].上海化工，2015，40(12)：14-16.

[8]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油爐的清灰除焦與運行檢驗研究[J].化工裝備技術，2015，36(2)：10-12.