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  • 燃生物質導熱油爐在熱定型機中的應用研究


    汪琦,張慧芬,俞紅嘯,汪育佑

    (上海熱油爐設計開發中心  上海  200042)


    摘  要:介紹了燃生物質導熱油爐在熱定型機中的應用,分析了生物質燃料的層狀燃燒裝置與擴散燃燒裝置的結構特點,研究了燃生物質燃料管架式導熱油爐和方箱型盤管式導熱油爐的結構型式,給出了燃煤導熱油爐改燒生物質燃料的整改措施,討論了導熱油爐及循環供熱系統管道內的清洗方法。

    關鍵詞:熱定型機;生物質燃料;生物質燃燒裝置;生物質導熱油爐;清洗方法


    一、前言

    熱定型機烘箱內的溫差會導致后整理產生邊色,考慮到導熱油爐可以供給熱定型機等后整理設備的高溫導熱油進行液相循環加熱,在熱定型機烘箱中的液相高溫導熱油散發的熱量穩定,烘箱內的溫差變化很小,各節烘箱溫度都能達到設定值,因此不但提高了定型的速度,還提高了印染產品的質量及合格率。所以,導熱油爐在印染熱定型中仍作為主要的供熱設備使用,但考慮到環境保護的要求,目前在印染企業中采用的導熱油爐燃燒的燃料是天然氣或生物質燃料[1]。

    世界氣象組織發布的關于2019年氣候狀況的聲明稱,自上世紀80年代以來,每一個連續10年的氣溫都比上一個10年高,2010年以來的10年里全球異常高溫達到創紀錄水平,大氣中的CO2濃度高于數百萬年來的任何時期。要實現將全球升溫控制在2℃以內的目標,需將現有各國自主減排的承諾水平提升3倍;而要實現1.5℃的控制目標,則需提升5倍以上。

    面對氣候變化正日益演變成氣候危機,全球變暖正逐漸轉為全球變熱的局勢,面對氣候變化對社會經濟發展和自然環境造成的影響變得日趨嚴峻,我們不得不面對燃燒煤炭對于氣候變化問題的認識與思考,因而采取燃燒生物質燃料等減少溫室氣體排放的行動與措施,并逐步形成全球性的“減煤電”和“去煤化”的國際大趨勢。

    生物質燃料屬于一種可再生能源,具有如下的優點:可再生性、低污染性和廣泛的分布性。由于生物質燃料中的硫含量和氮含量很低,因此在燃燒過程中產生的SO2、NOx較低。所以,當導熱油爐采用了生物質燃料進行燃燒以后,CO2的凈排放量近似于零,從而可以減少大氣中CO2含量,并可改善大氣酸雨環境,同時還可以有效地減少溫室效應。

    生物質燃料的特點是水分高、灰分小、揮發分高、發熱值偏低、形狀不規則。如果從燃燒理論上講,塊煤、煤粉、燃油或燃氣的燃燒裝置都可以燃燒生物質燃料,但由于生物質本身特有的燃燒特性,在這些燃燒裝置中燃燒生物質燃料還是存在很多的問題。

    例如:采用粉狀燃燒裝置時,首先要將生物質制作成粉末,但由于生物質燃料是非脆性材料,在生物質磨制時極易生成纖維團狀物,而不是粉末狀物,并且在磨制前還需要預先進行干燥,但是干燥高水分含量的生物質時需要消耗大量的熱能。因此,設計開發人員需要針對生物質燃料的特性,設計開發燃生物質導熱油爐和生物質燃料燃燒裝置應用在紡織印染行業中[2]。

    二、生物質燃料燃燒裝置

    1.生物質燃料層狀燃燒裝置

    目前國內大多數企業是采用將燃煤導熱油爐改造成為燃生物質燃料導熱油爐,其設備加工改造簡單,改造費用低,爐子運行操作容易。一般常用的生物質層狀燃燒裝置有手動爐排和機械爐排,手動爐排有固定傾斜爐排和振動爐排,機械爐排有鏈條爐排和往復爐排。手動爐排結構簡單、造價低廉,但熱效率低,燃燒時溫度難以控制,勞動強度大。

    而采用機械爐排在燃燒生物質燃料時,生物質通過料斗輸送到爐排上面,不可能像燃煤那樣均勻分布,容易在爐排上形成生物質燃料層疏密不均,從而形成空氣送風量分布不均勻現象。在生物質燃料薄層處空氣會形成短路,從而不能用來充分燃燒;而在生物質燃料厚層處,則需要供給大量空氣用于燃燒,但由于厚層處的空氣阻力較大,因而供給空氣量會少于燃燒所需的空氣量,致使生物質燃料不能充分燃燒和燃盡。

    由于生物質燃料的揮發分很高,在燃燒開始階段生物質燃料的揮發分大量析出,從而需要大量空氣用于燃燒,但如果在這個時候空氣供應量不足,則會導致揮發分可燃氣體與空氣混合不好,從而會造成揮發分可燃氣體不完全燃燒,生物質燃料的熱量損失會急劇增加。同時由于生物質燃料的重量輕,很容易被鼓風空氣吹離床層而帶出爐膛,這樣就會造成生物質燃料的固體成份不完全燃燒損失很大,從而導致燃燒效率很低。

    另外,當生物質燃料含水率很高的時候,水分蒸發需要消耗大量的熱能,從而使得生物質燃料的干燥及預熱過程需要花費較長的時間,進而導致層狀燃燒裝置的燃燒效率降低。而當生物質燃料一旦燃盡之后,由于生物質燃料灰分很少,不能在鏈條爐排上形成一層灰的保護層,以保護爐膛后部的鏈條爐排尾部不會出現過熱,這樣將會導致鏈條爐排被燒壞的現象發生。所以,層狀燃燒裝置可以燃燒生物質燃料,但不是最好的燃燒裝置。

    2.生物質燃料擴散燃燒裝置

    生物質燃料擴散燃燒裝置是利用機械動力或風力將粉碎后的生物質燃料分散,然后在空氣中燃燒。在生物質燃料擴散燃燒裝置中,生物質燃料與空氣的接觸及混合較為充分;所以,生物質燃料燃燒完全,燃燒溫度也較為穩定。生物質燃料擴散燃燒裝置一般是由爐膛燃燒室、生物質燃料的進料裝置、二次風切向進風裝置等部件組成。

    一次風是從爐膛底部輸入助燃空氣,向上穿過爐排進入爐膛燃燒室內。二次風是從爐膛中部位置的四個切向進風管口引入爐膛燃燒室,并在爐膛燃燒室內產生旋流作用,使生物質燃料和空氣充分混合[3]。而旋轉渦流風的作用是使生物質小顆粒與大顆粒燃料分離,并且小顆粒燃料處于懸浮燃燒狀態。較重的大顆粒燃料能夠落到爐排上面的燃料堆層,由于燃料堆層中沒有細小顆粒燃料;所以,一次風和輻射熱可以穿透爐排上的燃料堆層,但較輕的小顆粒燃料則是在懸浮狀態下完成燃燒過程。

    另外,由于細小顆粒生物質燃料燃盡后會隨煙氣排出爐膛,不會進入爐排上面的燃料堆層,因此便于爐膛內空氣流通和輻射熱傳遞,從而使得爐排上的生物質燃料能夠快速干燥和充分燃燒。

    二次風切向進入裝置采用了收縮喉管的方式,這樣可以增強空氣切向進入爐膛燃燒室內的速度和紊流度。爐膛燃燒室的四個切向進入的二次風空氣管道及空氣調風門是相互獨立分開,這樣便于空氣風量調節控制和各個二次風切向空氣管道的清理。而在爐膛燃燒室內的煙氣同心旋轉渦流的作用是增強了生物質揮發分氣體與空氣的混合程度,從而延長了生物質燃料的燃燒時間,使得生物質燃料能夠充分燃燒;另一方也是利用旋轉離心力的分離作用,減少煙氣中灰粒的濃度,達到煙氣在爐膛內除塵的目的。

    三、燃生物質燃料導熱油爐

    燃生物質燃料導熱油爐由爐本體和生物質燃燒裝置兩部分組成,機械化層燃生物質燃燒裝置采用的是鏈條式鱗片爐排或往復爐排,但爐排片的材料必須采用RQTSi-4.5,因為只有這樣才能保證機械爐排的長期安全可靠運行。另外,為了使生物質導熱油爐的輻射受熱面與機械化層燃鏈條爐排或往復爐排相互匹配適應,爐體結構應采用管架式結構或方箱形盤管式結構。

    而當導熱油爐的回油溫度為240℃時,導熱油爐的排煙溫度一般在280~320℃左右,因此,為了提高導熱油爐的熱效率,必須在導熱油爐的尾部增設空氣預熱器,以使導熱油爐的排煙溫度降低到200℃以下,從而達到節能減排效果。

    燃生物質燃料管架式導熱油爐主要由爐本體、生物質燃燒裝置、爐墻、空氣預熱器等組成,其中爐本體由門形管、頂棚管、集箱、對流蛇形管片等主要受壓元件組成。生物質燃料從料斗進入爐膛內燃燒,產生的高溫煙氣進入由門形管、頂棚管圍繞成的輻射室,高溫煙氣對頂棚管、門形管組成的輻射受熱面進行輻射傳熱后,再進入由對流蛇形管片組成的對流受熱面,隔擋煙氣爐墻將對流受熱面分成兩部分,煙氣經轉折流入兩個回程之后,從導熱油爐本體排出,最后經空氣預熱器后從煙囪排出進入大氣[4]。

    燃生物質燃料管架式導熱油爐具有爐體結構緊湊、制造成本低、啟動速度快、爐子外形美觀、消煙除塵效果好、運輸安裝方便等優點;但也存在門形管易出現爆管的現象,輻射受熱面爐管內導熱油會發生劣化變質的問題。

    燃生物質燃料方箱形盤管式導熱油爐是由爐體和生物質燃燒裝置組成,爐膛內輻射受熱面是將直徑相同的數根爐管密集地沿爐體輻射段盤卷而成螺旋長方形盤管密排布置,不僅密封性能好,保溫隔熱材料用量少,而且能很好地與機械化層燃鏈條爐排或往復爐排相互匹配。對流受熱面采用多組對流蛇形管片結構,并在爐頂布置了多根頂棚管,輻射長方形盤管和對流蛇形管及頂棚管與集箱互相連接構成了爐本體支撐框架[5]。

    在爐膛結構設計上配備了二次風切向進入裝置,二次風量約占總風量的30%左右,二次風旋流攪拌爐膛內氣體使之混合,使爐膛內煙氣產生漩渦流動,從而延長懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐膛內的行程,使飛灰量及飛灰可燃物量進一步降低。此外,輸入二次風對爐膛內懸浮可燃物供給了新鮮空氣,故有利于提高生物質導熱油爐的熱效率,降低了生物質導熱油爐的初始排煙濃度,達到節能減排效果。

    由于采用了旋流強化對流換熱技術,使得煙氣在對流低溫差時的換熱效能更加優化,并且不容易積灰結垢。采用爐膛喉口及爐膛出煙口的煙氣溫度控制技術,可以使導熱油加熱過程更加均衡穩定;但是方箱形盤管式導熱油爐也存在輻射受熱面的爐管利用率低、鋼材耗量大等缺點;而且方箱形盤管的加工方式是先彎曲成型好一段爐管后,再對接焊好一段爐管。所以,方箱形盤管的爐管對接接頭較多,對制造工藝水平要求較高。

    四、燃煤導熱油爐改燒生物質燃料的供熱系統清洗方法

    在役使用的燃煤導熱油爐改燒生物質燃料的整改措施如下:導熱油爐鏈條爐排片的材料最好采用耐高溫材料RQTSi-4.5,從而可保證鏈條爐排的長期安全可靠運行。對使用中的導熱油的粘度、殘炭、閃點、酸值應進行抽查檢測,若四個項目中的變化值超過新導熱油原始數據的20%時,應考慮及時更換新的導熱油。

    而對于當地暫無化驗條件的紡織印染企業,可以從放油管放出導熱油的外觀特征來大致判斷導熱油劣化程度,當放出的導熱油呈稀瀝青狀時,就應更換新的導熱油;同時在換新油之前應對導熱油爐及循環供熱系統進行化學清洗。

    首先將導熱油爐及循環供熱系統內的舊導熱油排放干凈,再將導熱油爐及循環供熱系統注滿水,開啟循環泵,然后檢查導熱油爐的爐管和循環供熱系統輸油管道是否有堵塞、泄漏或異?,F象,如果有泄漏或異常情況應該迅速處理;然后在導熱油爐膛內燃燒小火,采取邊循環流動、邊加熱水溫至80℃左右,并檢查循環供熱系統中各個換熱器的輸送管道受熱溫度是否均勻,若有不易受熱的管道,則說明管路有可能被污堵,故需要對該循環管路加強水力沖洗疏通,必要時可采取排水后拆開換熱器的輸送管道進行人工疏通。

    當熱水在導熱油爐內和供熱系統中循環流動沖洗一定時間之后,采取爐膛內熄火、爐管及輸送管道內排水,再將已經配制好的清洗液放入導熱油爐及循環供熱系統中,并開啟循環泵,循環均勻并確定爐子及供熱系統無泄漏之后,在爐膛內點燃小火,采取邊循環流動、邊加熱清洗的方法。

    清洗溫度和清洗時間應根據清洗劑的特性和管內油污的程度而確定,一般情況下的清洗溫度為80℃~95℃,清洗時間是8~36小時;也可以將爐管內的除油清洗和除焦清洗分步進行,即先加入除油清洗劑進行清洗6~12小時,清洗除去管內的表面油污后,再改換放入除焦清洗劑、并進行再次清洗8~24小時,從而清洗除去管內的結焦積碳[6];但如果管內的油污和結焦程度嚴重,則需要延長清洗時間。

    為了提高爐管內及系統管道中除焦去污的效果,應設置分路清洗的方法,即對結焦程度不嚴重的循環供熱系統管路可采取循環與浸泡相互結合的方法,并在清洗過程中適時關閉循環系統的部分清洗管路的出口閥門和進口閥門,以增加導熱油爐管內清洗液流速或者油污程度較嚴重的換熱器管路內清洗液流量,從而達到重點清洗爐導熱油爐管內結焦積垢或者換熱器管路內油污堵塞嚴重的部位。

    如果循環供熱系統管路有阻塞現象,也可采用分組進行循環清洗的方法,增強清洗液的流量沖通阻塞的管道。清洗過程結束的判斷標準因為采用了不同清洗劑而有所不同,一般情況下可以通過循環系統壓力的平穩性、清洗液顏色的變化程度、過濾閥濾出的雜質數量、換熱器管路受熱的均勻性等因素來進行判斷。

    當清洗過程達到了預定時間后,各個循環管路上壓力平穩、清洗液顏色不再發生變化、換熱器管路的溫度均勻,檢查過濾閥干凈,并將過濾網更換或者清理干凈后,再循環清洗1小時檢查過濾網上基本無新增油污和渣滓,則可以判斷清洗過程結束,然后停止爐膛內燃燒小火加熱;但還需要保持清洗液的循環流動狀態,等到清洗液溫度降低至70℃~80℃時進行排放。

    待到清洗廢液排放完畢后,將導熱油爐的爐管內及循環系統管道中注滿清水,然后一邊循環流動,一邊在爐膛內點燃小火加熱水溫至80℃~90℃,同時檢查過濾閥濾網處是否有殘渣積聚,并且通過檢查循環管路受熱是否均勻,來判斷循環管路及換熱器是否有堵塞現象。

    待到溫水循環流動1小時后爐膛內熄火,趁熱將溫水排放干凈,如果管道內有殘渣積聚或殘留物堵塞,則應該進行管內疏通清渣;然后再次向導熱油爐及循環系統管路內注滿清水,待到清水循環流動0.5~1小時后排放干凈。

    如果循環系統中各個換熱器或每個循環支路上安裝有排放閥門,則應該打開每個排放閥,來檢查導熱油爐及循環系統中各個排放口排出的水是否呈中性;若是導熱油爐及循環系統中的水呈堿性,則需要再次重新更換清水進行沖洗,直至所有排放口排出的水呈中性pH≈7。

    等到導熱油爐及循環系統管路內的水排放干凈后,再使用抽吸泵抽吸各個排放口,抽出管道內殘留水,然后再采用壓縮空氣吹干管道內壁水漬。特別需要注意的是,不能采用空爐加熱烘烤的方法來除去爐管內殘留水,因為這種方法會對導熱油爐造成損害。

    清洗完成以后再將導熱油注入到導熱油爐及循環供熱系統管路內,并按照導熱油升溫脫水的操作步驟進行,其升溫過程要遵循“一慢二?!钡脑瓌t:一慢即升溫速度要慢;二停即在95℃~110℃和210℃~230℃兩個溫度區間,要減弱導熱油爐膛內燃燒加熱、停止導熱油升溫,并維持這個溫度一段時間[7]。

    五、結束語

    我國已經確定了“碳排放”與“碳中和”的目標和時間表,為了徹底擺脫對化石能源的依賴,應必須停止燃燒煤炭燃料,進而采取可再生能源的供應體系。由于生物質燃料不含硫、磷,因此生物質燃料在燃燒時不產生SO2和P2O5,因而不會導致酸雨的產生,也不會污染大氣環境,所以生物質燃料具有很好的環保效益。

    近年來隨著蒸汽、燃料、水、電力價格的增長,印染企業生產成本進一步增加,產品競爭更加激烈。拉幅定型機的作用是脫水、整理、烘干、焙烘、定型,而為了進一步降低能耗與節能減排,印染企業逐漸采用燃生物質導熱油爐作為主要的供熱設備使用,為熱定型機烘箱內提供穩定的熱量,并減少烘箱內的溫差變化。

    燃生物質燃料導熱油爐常用的結構型式有管架式與方箱型盤管式,燃生物質燃料的燃燒裝置常用的有層狀燃燒裝置與擴散燃燒裝置。燃生物質燃料導熱油爐如果滿負荷運行時,爐子排煙口處無黑煙冒出,林格曼黑度為0,爐膛內揮發分燃盡率為100%,排出灰渣含碳量為3%~5%,總體燃盡率為95%~97%,因此,節能效果非常顯著!另外,生物質燃料燃燒后灰燼還可以作為鉀肥直接使用,從而可以更好地為用戶創利。

    所以,生物質燃料作為一種可再生的清潔能源,以其特有的經濟效益優勢和節能環保效果,完全符合經濟與環境可持續發展的要求。


    參考文獻:

    [1]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.導熱油循環供熱系統在熱定型機中的應用[J].染整技術,2020,42(5):25-31.

    [2]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.清潔能源供熱技術在印染定型機中的應用研究[J].染整技術,2019,41(5):40-43.

    [3]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐的設計開發[J].上?;?2019,44(8):24-28.

    [4]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.燃生物質固硫型煤導熱油爐的設計開發[J].化工裝備技術,2014,35(6):4-7.

    [5]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.燃生物質顆粒燃料導熱油爐的研究開發[J].化工裝備技術,2017,38(3):26-30.

    [6]汪琦,俞紅嘯,張慧芬等.導熱油爐中爐管內外表面的清洗方法[J].工業爐,2017,39(6):30-34.

    [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?;?2015,40(12):14-16.


    作者簡介:

    汪琦,碩士,高級工程師,長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、焚燒爐、生物質氣化爐的研究設計開發工作。

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