油-汽聯(lián)供余熱鍋爐設(shè)計(jì)以及在化纖行業(yè)的應(yīng)用研究

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

當(dāng)今全球正掀起以信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)和新能源技術(shù)為核心的新一輪技術(shù)革命高潮，智能化、數(shù)字化、精細(xì)化、低碳化已成為全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢[1-2]，這給化纖工業(yè)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)、生產(chǎn)方式、商業(yè)模式等帶來了深刻的影響，“十三五”規(guī)劃、“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的實(shí)施，將加快推動我國化纖工業(yè)的智能化和綠色化發(fā)展。

化纖行業(yè)是高耗能行業(yè)，綠色節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展是化纖行業(yè)未來發(fā)展道路。在化纖行業(yè)工藝加熱中應(yīng)用，有機(jī)熱載體(又稱導(dǎo)熱油)應(yīng)用范圍越來越廣。尤其是2018年1月1日《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》正式開始實(shí)施，化纖行業(yè)中燃煤型有機(jī)載體(導(dǎo)熱油)鍋爐面臨著改造為天然氣鍋爐、燃料成本急劇上升的問題[3-4]。

文中提出應(yīng)用油汽聯(lián)供余熱鍋爐新型設(shè)備，其利用高溫排煙余熱同時生產(chǎn)兩種介質(zhì)：導(dǎo)熱油和蒸汽，而且蒸汽負(fù)荷具有靈活調(diào)節(jié)特點(diǎn)，滿足企業(yè)綠色節(jié)能用能需求和和可持續(xù)發(fā)展需求，幫助化纖企業(yè)在幾乎不增加能源使用成本或者減少能源成本的情況下進(jìn)行燃煤替代，既有利于國家環(huán)保政策的落實(shí)，又有利于幫助企業(yè)解決關(guān)停或搬遷的困境，具有市場普遍適用性。

1 導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)概述

1.1 導(dǎo)熱油爐概念及特點(diǎn)

導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便是通過熱對流和熱輻射作為熱量的傳導(dǎo)，為需要供熱的設(shè)備以循環(huán)往復(fù)的形式長時間不間斷地提供熱量，將導(dǎo)熱油作為其中流動性的介質(zhì)，以長時間保持設(shè)備所需的熱量。而如今化纖行業(yè)中對于該供熱系統(tǒng)的運(yùn)用也是因?yàn)樗跓崃總鲗?dǎo)上有自身優(yōu)化的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用，導(dǎo)熱油供熱優(yōu)點(diǎn)總結(jié)為以下幾點(diǎn)[5]：

(1)導(dǎo)熱油作為一項(xiàng)穩(wěn)定的介質(zhì)，為整體的熱量供應(yīng)提供了高度的熱穩(wěn)定性，不需要外界因素的干涉，也可以長時間地自行運(yùn)作，不必?fù)?dān)心腐蝕的可能。

(2)導(dǎo)熱油爐的供熱系統(tǒng)可以運(yùn)用低壓環(huán)境代替高壓，甚至到達(dá)高壓情況下其他導(dǎo)熱裝置數(shù)倍的效果，相對來說更為安全。

(3)導(dǎo)熱油爐熱效率高，達(dá)90%左右，而其他加熱爐一般在75%左右。且導(dǎo)熱油自動化程度高，導(dǎo)熱油爐實(shí)現(xiàn)全自動控制，計(jì)算機(jī)監(jiān)控，操作簡單，也可由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)無人自動運(yùn)行或通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作監(jiān)控。

(4)由于導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)可以將不同的熱量傳達(dá)給不同的設(shè)備，可以隨時根據(jù)熱設(shè)備對于熱量的需求進(jìn)行調(diào)整和更改，節(jié)約了時間與空間上的資源浪費(fèi)，也為整個熱傳導(dǎo)的系統(tǒng)提供了便利。

1.2 導(dǎo)熱油爐提高效率措施

熱效率是能源轉(zhuǎn)化的綜合性能體現(xiàn)。如果導(dǎo)熱油鍋爐運(yùn)行的熱效率較低，那么說明其在工作過程中存在很大的安全隱患。主要分成四個方面：煙氣，設(shè)備，操作和生產(chǎn)任務(wù)。如果鍋爐本身設(shè)計(jì)不合理，那么鍋爐運(yùn)行安全威脅很大，爐整設(shè)計(jì)不合理會造成爐墻透風(fēng)，水處理設(shè)備不佳會使蒸汽管內(nèi)或者受熱面結(jié)垢[6]。在正常運(yùn)行過程中，對工作人員的技能要求很嚴(yán)格，需要專業(yè)的操作技術(shù)水平，發(fā)現(xiàn)問題并及時解決。管理制度要隨時更新，工作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守管理?xiàng)l例。在鍋爐運(yùn)行期間。不斷的開啟、關(guān)閉鍋爐直接影響生產(chǎn)速度和效率工作人員認(rèn)真履行自己的本職工作，保障生產(chǎn)鏈高效有序的進(jìn)行。為了提高導(dǎo)熱油爐熱效率可以從一下幾個方面進(jìn)行。

(1)提高傳熱效率，降低排煙熱損失和散熱損失。一般爐體和爐膛散熱損失的數(shù)量較少，而排煙熱損失的數(shù)量較大。這是導(dǎo)熱油爐熱效率下降的一個主要因素。排煙溫度的高低主要取決于導(dǎo)熱油爐的傳熱情況，傳熱效果越好，排煙溫度越低，排煙熱損失也越小；但是，排煙溫度過低易使尾部受熱面產(chǎn)生煙氣露點(diǎn)腐蝕。因此，排煙溫度的選取需要進(jìn)行優(yōu)化。

(2)導(dǎo)熱油爐的排煙溫度過高時，加裝省煤器或空氣預(yù)熱器等尾部受熱面進(jìn)行煙氣余熱回收。為了提高尾部受熱的傳熱效率，采用熱管換熱器作為尾部受熱面，從而可達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。

(3) 導(dǎo)熱油爐實(shí)行計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)為軟件程序模塊的連接組成，從而免去相應(yīng)模擬儀表的安裝、配線等工作；控制系統(tǒng)的組成和更改非常靈活、方便、迅速；通過發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的邏輯運(yùn)算

(4)增加對導(dǎo)熱油鍋爐的定期檢驗(yàn)是非常必要的，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括能效測試技術(shù)，檢驗(yàn)?zāi)芰褪侄我约霸O(shè)計(jì)專家的咨詢。首先進(jìn)行能效檢驗(yàn)，其次進(jìn)行安全檢驗(yàn)。在檢驗(yàn)過程中，結(jié)合設(shè)備規(guī)模指標(biāo)對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行合理分析，同時提出改進(jìn)的方法。改良安全隱患，重點(diǎn)維修反復(fù)出現(xiàn)的設(shè)備問題。在檢驗(yàn)完畢后，進(jìn)行試點(diǎn)。試點(diǎn)應(yīng)根據(jù)性能特點(diǎn)等情況。提出科學(xué)合理的改進(jìn)方案，根據(jù)進(jìn)度表依次進(jìn)行安全隱患的排除。

2 化纖行業(yè)工藝用熱現(xiàn)狀

化纖行業(yè)是高耗能和高耗水的產(chǎn)業(yè)，此類企業(yè)普遍的能源需求特點(diǎn)為：

(1)電力、蒸汽等能源負(fù)荷穩(wěn)定，全年波動很小；有導(dǎo)熱油加熱需求，熱電費(fèi)用占比可達(dá)生產(chǎn)成本的60%(如圖1所示)。

圖1 生產(chǎn)成本比例分布圖

(2) 蒸汽由煤電廠或小煤爐供應(yīng)，導(dǎo)熱油由燃煤熱媒鍋爐供應(yīng)，受環(huán)保政策影響，普遍存在“煤改氣”的需要，并希望在少增加或不增加總能源支出的前提下，實(shí)現(xiàn)以氣代煤，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策；

(3)電力能源需求與蒸汽能源需求大致相當(dāng)，導(dǎo)熱油需求高與蒸汽和電力需求；不同產(chǎn)品類型的企業(yè)，電力、導(dǎo)熱油和蒸汽的占比稍有不同，但熱(蒸汽需求與導(dǎo)熱油需求)電比相對穩(wěn)定，熱需求稍大于電需求。

從上述分析得知化纖行業(yè)工藝所需熱能情況：導(dǎo)熱油和蒸汽；對于傳統(tǒng)的加熱方式，蒸汽加熱完介質(zhì)后直接排放，沒有回收措施，而導(dǎo)熱油在加熱完介質(zhì)后，往往會被輸送回導(dǎo)熱油鍋爐中循環(huán)反復(fù)使用，因此傳統(tǒng)上認(rèn)為導(dǎo)熱油的能量利用率比較高；而現(xiàn)在隨著工藝和技術(shù)的進(jìn)步，也對排放的蒸汽進(jìn)行二次回收利用，使用在其他工藝流程或生活用熱中，很大程度上可以提高蒸汽的熱能利用效率；目前化纖行業(yè)針對蒸汽加熱和導(dǎo)熱油加熱各有特點(diǎn)[7-8]，分別應(yīng)用在不同工藝過程中。

(1)導(dǎo)熱油加熱

工業(yè)上使用導(dǎo)熱油在換熱過程中作為加熱介質(zhì)已經(jīng)有超過50年的歷史。在工業(yè)爐中它首先被別的可燃材料如煤、重油、輕油等可燃液體、天然氣等可燃?xì)怏w加熱，待加熱到一定溫度后，利用油泵將熱油抽到導(dǎo)熱油管道中，通過管道傳送給用熱單元，待換熱完成后導(dǎo)熱油又被輸送回工業(yè)爐中重新加熱。

它的功能特點(diǎn)如下所示：

① 低壓條件下就可獲得較高溫度，系統(tǒng)處于低壓操作環(huán)境中使系統(tǒng)的安全性提高，同時增加了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性；

②可使用的溫度范圍較寬，同一系統(tǒng)的升溫降溫程序可用一種導(dǎo)熱油實(shí)現(xiàn)，簡化了系統(tǒng)操作程；

③省去了水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)熱效率較高，同時減少初期設(shè)備投資費(fèi)用以及日后的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用；

④ 導(dǎo)熱油系統(tǒng)的操作處于低壓環(huán)境下，引發(fā)泄漏的可能性要小于水蒸氣系統(tǒng)。

(2)蒸汽加熱

蒸汽作為熱介質(zhì)，廣泛用作生產(chǎn)工藝過程的動力源、熱源等，還具有加濕作用。它最顯著的兩個特點(diǎn)是來源充裕、成本低廉，此外它還有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 化學(xué)性能穩(wěn)定，對人體健康無害，對環(huán)境無害；

② 輸送和分配起來方便，控制起來也簡單；

③ 熱容量高，熱量是同溫度下同質(zhì)量空氣或煙氣的25倍，因此輸送大量的熱量可以使用很小口徑的管道，節(jié)約了管道材料；

④ 易于調(diào)節(jié)控制，其熱量也可逐級降壓釋放，適合重復(fù)加熱和蒸發(fā)，符合熱電聯(lián)合生產(chǎn)的要求，能獲得較大的經(jīng)濟(jì)效果。

蒸汽的主要用途也非常廣泛，主要有下列幾個方面：

① 蒸發(fā)過程——使溶液中水分蒸發(fā)；

② 干燥過程——使固體中水分蒸發(fā)；

③ 升溫工藝——通過換熱器間接加熱或蒸汽與待加熱介質(zhì)直接接觸直接加熱的方法，使待加熱介質(zhì)溫度升高；

④ 保溫工藝——補(bǔ)充工藝過程中介質(zhì)的熱損耗，保證工藝過程所要求的恒溫過程等；

⑤ 蒸餾工藝——用來分餾、精餾產(chǎn)品；

⑥ 重整工藝——蒸汽作為原料之一，用來提高產(chǎn)品氣質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)品氣用途。

3 油汽聯(lián)供余熱鍋爐工藝概述

油汽聯(lián)供余熱鍋爐屬于余熱利用設(shè)備，文中油汽聯(lián)供余熱鍋爐的余熱來源為燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排煙，為了充分利用燃?xì)廨啓C(jī)煙氣余熱生產(chǎn)導(dǎo)熱油和蒸汽，同時結(jié)合導(dǎo)熱油鍋爐、余熱蒸汽鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等主設(shè)備特性，并依據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，通過合理的熱平衡負(fù)荷分配設(shè)計(jì)計(jì)算，各換熱模塊結(jié)構(gòu)布置等設(shè)計(jì)，最大效率利用煙氣余熱，提過本鍋爐效率，同時實(shí)現(xiàn)蒸汽、導(dǎo)熱油負(fù)荷的實(shí)時聯(lián)動調(diào)整，并保障油-汽聯(lián)供鍋爐系統(tǒng)安全運(yùn)行，自主研制的油-汽聯(lián)供余熱鍋爐的工藝流程如圖2所示。

圖2 油汽聯(lián)供余熱鍋爐工藝流程圖

油-汽聯(lián)供余熱鍋爐主要由導(dǎo)熱油換熱器、低壓蒸汽換熱器、省煤器、除氧加熱器、油汽換熱器、導(dǎo)熱油自循環(huán)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽減壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排煙首先進(jìn)入導(dǎo)熱油換熱器，利用煙氣的中高溫段溫度(約350～580 ℃)余熱加熱導(dǎo)熱油；從導(dǎo)熱油換熱器排出的煙氣進(jìn)入低壓蒸汽換熱器，其利用中低溫?zé)煔庥酂?200～350 ℃)產(chǎn)生低壓蒸汽；再經(jīng)過省煤器加熱鍋爐給水，提升鍋爐給水溫度；最后煙氣經(jīng)過除氧加熱器生產(chǎn)0.02 MPa的飽和蒸汽，滿足給水除氧需求。

設(shè)置除氧加熱器是為了降低排煙溫度，提升余熱利用效率。文中由于余熱鍋爐給水流量較小，回收余熱能力有限，經(jīng)過省煤器后的排煙溫度仍然較高，因此對給水除氧熱源作了重新設(shè)計(jì)，由常規(guī)的低壓蒸汽除氧改為煙氣加熱除氧，為除氧器配置低壓蒸汽發(fā)生器，生產(chǎn)低壓飽和蒸汽滿足給水除氧需求。

為了滿足余熱鍋爐負(fù)荷變動的需要，系統(tǒng)配置油汽蒸發(fā)器，利用導(dǎo)熱油換熱器進(jìn)口導(dǎo)熱油加熱鍋爐給水，生產(chǎn)2.0 MPa的飽和蒸汽，除滿足高壓蒸汽需求外，同時對低壓蒸汽不足部分進(jìn)行補(bǔ)充。

4 余熱鍋爐關(guān)鍵換熱模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)浙江某其化纖企業(yè)的用能情況以及實(shí)際生產(chǎn)需求為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)油汽聯(lián)供鍋爐，已知設(shè)計(jì)條件如下：

(1)燃?xì)廨啓C(jī)排煙參數(shù)為582 ℃，煙氣流量為49 320 kg/h；

(2)導(dǎo)熱油是THERMINOL 66，導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為298 ℃；

(3)蒸汽需求分為2.0 MPa和0.6 MPa的兩種高低壓飽和蒸汽，其中要求高壓飽和蒸汽變化范圍0.96～2.0 t/h ；

(4)低溫段余熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生0.6 MPa的飽和蒸汽；

(5)油汽換熱器產(chǎn)生2.0 MPa的飽和蒸汽；

(6)排煙溫度達(dá)到環(huán)保鍋爐設(shè)計(jì)等要求，盡量利用煙氣余熱；

(7)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油供能負(fù)荷時，不得通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油流量實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油換熱器進(jìn)口溫度來調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油供能量；余熱鍋爐設(shè)計(jì)出油溫度按不大于導(dǎo)熱油允許的安全溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(8)余熱鍋爐設(shè)計(jì)應(yīng)滿足導(dǎo)熱油鍋爐及蒸汽鍋爐設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，應(yīng)配置必要的保護(hù)，以保障余熱鍋爐系統(tǒng)的安全。

下面對油汽余熱鍋爐的核心換熱模塊：導(dǎo)熱油換熱器和低壓蒸汽換熱器為例，進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)說明確定其熱交換量，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)說明。

4.1 導(dǎo)熱油換熱器模塊

導(dǎo)熱油換熱器的產(chǎn)熱能力確定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，產(chǎn)熱能力受燃?xì)廨啓C(jī)尾氣溫度及導(dǎo)熱油回油溫度限制，尾氣溫度越高，可產(chǎn)生的熱量越大，導(dǎo)熱油回油溫度越低，可產(chǎn)生的熱量越大。在燃?xì)廨啓C(jī)與導(dǎo)熱油溫度確定情況下，導(dǎo)熱油換熱器的產(chǎn)熱能力越大，余熱鍋爐的造價越高，因此應(yīng)對低壓蒸汽換熱器與導(dǎo)熱油換熱器熱量分配進(jìn)行研究，尋找最佳投入產(chǎn)出平衡點(diǎn)。

(1)熱力計(jì)算，見表1

表1 導(dǎo)熱油換熱器熱力平衡計(jì)算表

續(xù)表1

序號名 稱符號單 位數(shù)值5散熱損失q5%56鍋爐總熱損失∑q%59.5567鍋爐的效率η%40.4448保熱系數(shù)ψ/0.899進(jìn)口油焓比熱C'kcal/(kg·℃)0.61110出口油焓比熱C″kcal/(kg·℃)0.6211鍋爐有效利用熱Qglkcal/h323878112總煙氣消耗量BNm3/h39774

(2)導(dǎo)熱油換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性

根據(jù)導(dǎo)熱油換熱器熱力計(jì)算以及強(qiáng)度等設(shè)計(jì)計(jì)算確定導(dǎo)熱油換熱器的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)熱油換熱器結(jié)構(gòu)布置圖

(1)煙氣流向

運(yùn)行時，高溫余熱煙氣橫向沖刷翅片管，煙氣溫度傳遞給翅片管，熱載體吸收熱量帶出。

(2)結(jié)構(gòu)特性與規(guī)格

a．鍋爐為水平放置，管子布置為錯列。

b．鍋爐的受熱面：橫向22排，縱向14排的翅片管，管子采用 φ76x4，材料為20-GB/T3087，翅片高度為15 mm，間距為10 mm，材料為Q235。

c．所有管子間用180°的彎頭連接，材料為20-GB/T3087。

d.集箱為下進(jìn)上出，集箱管子采用 φ325x10，材料為20-GB/T3087。

4.2 低壓蒸汽換熱模塊

低壓蒸汽換熱器的產(chǎn)汽能力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，產(chǎn)汽能力受導(dǎo)熱油回油溫度的限制，回油溫度決定了產(chǎn)汽能力的下限，在滿足產(chǎn)汽能力下限的情況下，合理設(shè)定低壓蒸汽換熱器的產(chǎn)汽量，在投資與蒸汽負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍間尋找最佳平衡點(diǎn)。

(1)熱力計(jì)算，見表2。

表2 低壓蒸汽換熱器熱力平衡計(jì)算表

(2)低壓蒸汽換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性

根據(jù)導(dǎo)熱油換熱器熱力計(jì)算以及強(qiáng)度等設(shè)計(jì)計(jì)算確定低壓蒸汽換熱器的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 低壓蒸汽換熱器結(jié)構(gòu)布置圖

低壓蒸汽受熱面分為上鍋筒和對流管束區(qū)、上升管、下降管、連接管道等組成。

(1)對流管束區(qū)由橫向20排，縱向16排的翅片管，管子采用 φ38x3，材料為20-GB/T3087，翅片高度為10 mm，間距為8 mm，材料為Q235。順列布置。翅片管與上升管相連，上升管：φ38x3，材料為20-GB/T3087。

(2)上鍋筒t=10 Q345R GB/T713下部布置兩根下降管φ159x6，材料為20-GB/T3087，由鍋筒引入兩側(cè)集箱，在集箱上布置上升管φ76x4，材料為20-GB/T3087,與對流管形束成循環(huán)回路。蒸汽由上連接管φ108x4，材料為20-GB/T3087，引入鍋筒。

5 結(jié)束語

文中研制的油汽聯(lián)供余熱鍋爐屬于新型設(shè)備，基于能源階級利用原理充分利用高溫?zé)煔庥酂嵘a(chǎn)導(dǎo)熱油和蒸汽，具有高效率、節(jié)能、可靠運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，可滿足化纖、印染行業(yè)的節(jié)能、環(huán)保、低碳、綠色、智慧化產(chǎn)業(yè)升級改造需求以及綠色可持續(xù)發(fā)展需求，具有良好的市場前景。同時對于工藝需要導(dǎo)熱油和蒸汽加熱的醫(yī)藥領(lǐng)域、造紙領(lǐng)域，該研制設(shè)備也將都會有很大的市場應(yīng)用前景。