有机热载体锅炉房的设计

徐 革

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

有机热载体锅炉房的设计

徐 革

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

对有机热载体锅炉房的设计进行了探讨，指出了设计中应该遵循的规范及有机热载体锅炉设备、管道设计的要点，给出供热系统工艺流程及流程参考图，环境保护设计的措施。

规范；设备及管道的布置；流程图；环保

有机热载体锅炉(简称导热油炉)在我国粮油加工领域(特别是食用油脂的加工领域)的应用范围越来越广，其和蒸汽锅炉、热水锅炉一样，同样为粮油加工的重要热力源。由于没有有关的有机热载体锅炉房的设计规范及设计手册，所以在建设有机热载体锅炉房时，通常由用户委托生产厂家自行设计和安装，往往留下了一些安全、消防上的隐患。作为从事了多年的导热油炉锅炉房设计的工程技术人员，来讨论一下有关有机热载体锅炉房的设计要点。

1 有机热载体炉房设计的规范

我国的《锅炉房设计规范》(GB 50041—2008)第1.0.3条及有关这条文的说明，明确了有机热载体锅炉房不适用于《锅炉房设计规范》(简称《规范》)，所以没有专门的有机热载体锅炉房的设计规范，我认为没有专门的规范不等于可以无的放矢的设计导热油锅炉房，还是应该按有关的规范设计。

根据有机热载体炉的加热运转原理和蒸汽、热水锅炉相近的特点，我认为在设计布置有机热载体炉设备时，有关锅炉本体、鼓引风机、上煤出渣设备等的布置可以按《锅炉房设计规范》中的有关要求。

和蒸汽、热水锅炉一样，有机热载体炉按燃烧的燃料种类可以分为燃煤炉、燃油炉及燃天然气炉，煤场、渣场、燃油设备、燃天然气设备的布置也按照《锅炉房设计规范》的要求。

有机热载体锅炉房设计时在消防上应该遵守《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)的要求，按消防规范表3.1.1的要求，有机热载体锅炉房一般应该属于丁类火灾危险性厂房，但当燃油炉及燃天然气炉中的油箱油泵间、天然气调压间的面积大于导热油炉房本层或本防火分区面积的5%时，则整个有机热载体炉房应该提高到和燃油、燃气生产车间同样的火灾危险性等级，分别为丙类和甲类厂房。所以在规划布置燃油、燃气有机热载体炉房时，在满足工艺设备布置的前提下，应该尽可能的把油箱油泵间、天然气调压间的面积控制在小于5%的锅炉房面积，使其还是属于丁类火灾危险性厂房的范围。因为在整个厂区的布置上，甲类或者丙类的车间和其它车间、仓库、民用建筑的防火间距较丁类车间的防火间距要严格得多，如果防火间距较大，则有时候可能影响到整个厂区的总图规划布置、厂区节约用地等等问题。

在《锅炉房设计规范》中，对锅炉房的消防及防爆要求有专门详细的规定，包括土建、水、通风的内容，是对《建筑设计防火规范》在锅炉房中的应用细化。基于前述的理由，在设计有机热载体锅炉房时，可以参照其要求执行。

有机热载体锅炉在运营中会产生噪音、废水、废气等环境污染问题，设计时应该和工艺设计同时进行，有关的锅炉房环保设计标准如下：

(1)《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)；

(2)《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)；

(3)《工业企业厂界噪声标准》(GB 12348—2008)。

2 工艺设备及管道的布置

2.1 有机热载体锅炉的工作原理

通过炉体内燃料(煤、油、气)的燃烧，间接加热有机热载体，使有机热载体的温度升高，一般供热温度可以达到300 ℃以上，同时其工作压力在1.0 MPa以下。其基本原理和蒸汽锅炉或热水锅炉相同，但相对于这两种常规锅炉，有机热载体锅炉可以实现较低压力下的的高温供热，避免了蒸汽锅炉为了达到高温供热必须高压运行的要求。因为有机热载体锅炉的工作压力较低，所以锅炉系统上配置的阀门、仪表、辅机设备的压力等级就低，可以降低设备的投资，同时也提高了锅炉房运营的安全性。有机热载体锅炉的工作流程见图1。

图1 有机热载体锅炉的工作流程

2.2 有机热载体锅炉的设备、管道设计

前面已述锅炉、鼓引风机、上煤出渣设备可以和蒸汽、热水锅炉相同的设备按《规范》布置，有机热载体锅炉配套设备中有自己特殊要求及用途的主要是导热油循环泵、油气分离器、导热油膨胀槽(高位槽)、导热油低位储油槽、注油泵，这些设备及管道的布置有自己的要求，根据本人的工程设计实践，提出设计布置这些设备及管道的要求如下：

2.2.1 导热油循环泵

其作用是将有机热载体加压注入到加热炉本体内，经过加热升温后输送给热用户进行热交换，油泵的进口接导热油回油管吸入有机热载体的回油，如此反复循环，从而达到加热用热体的目的。

有机热载体炉供热系统中的循环油泵一般由生产厂家在有机热载体炉出厂前预先选定，设计师应针对具体的工程校核其技术性能是否满足系统的要求，主要应该校核循环油泵最高工作温度是否大于有机热载体的最高工作温度，流量、扬程是不是满足热载体循环系统的要求，如果有不符合的，应该和厂家技术人员一起配合重新选择循环油泵。因为循环油泵的工作温度通常>300 ℃，注意到热载体的高温性和渗透性，从安全角度考虑，应该单独设置在独立的油泵房内。

在把有机热载体锅炉和蒸汽、热水锅炉布置在一起的工程中，考虑到循环油泵的特殊性，也应尽可能把循环油泵布置在独立的油泵房内，如果锅炉房面积较小不能做到，可以把循环油泵和锅炉给水泵布置在一起，但是循环油泵应该布置在相对独立的区域。

循环油泵应考虑备用泵，数量一般应≥2台。循环油泵的工作温度通常较高，为了保证循环油泵的正常运行，除了像一般的泵类在管路上配置过滤器、止回阀外，在主管路旁宜配置设计暖泵的管路，使处于停泵备用状态的导热油循环泵能保持较高的温度，处于预热状态，这个是导热油循环泵和一般水泵设计的不同之处，暖泵的管道管径用DN20或者DN25就可以了。循环油泵的管道设计见图2。

图2 循环油泵的管道设计示意

2.2.2 注油泵

注油泵在系统中的主要作用：将外部输送过来的有机热载体输入到低位储油槽或者导热油膨胀槽中；将有机热载体从低位储油槽输送到导热油膨胀槽(高位槽)中，及时补充整个有机热载体循环系统的导热油，防止发生缺油事故；其第3个作用在必要时还可以将有机热载体排出系统外。

注油泵虽然小，作用很重要，一般采用齿轮油泵，其布置位置应该尽可能地布置在离低位储油槽近的地方，以减少注油泵的进油管上的阻力，因其尺寸较小，可以将注油泵就近室外布置在低位储油槽附近。注油泵应设置备用泵，一般1用1备即可。

2.2.3 导热油低位储油槽

有机热载体炉供热系统中要设计低位储油槽，其主要作用是：储存供热系统中的导热油；容纳系统中热膨胀溢出的导热油；为供热系统提供补充的导热油。

根据低位储油槽的作用，其容积应该大于整个供热系统中的导热油总容积，考虑到热膨胀量及安全裕量，容量取≥1.2倍系统导热油总容积。

低位储油槽应该设计在整个供热系统的最低点，考虑到其内部储存的是丙类火灾危险性的液体(闪点温度>60 ℃)，及运输操作的方便，宜将其设计在锅炉房建筑的外部。低位储油槽在锅炉房建筑的外部时，应该和锅炉房之间设置防火间距，根据储罐容量的大小，距离在12～25 m之间，详见《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)表4.2.1中的要求。

2.2.4 导热油膨胀槽

有机热载体炉供热系统中的导热油在运营中由于温度的变化，其体积会发生膨胀或收缩，所以要设置膨胀槽在导热油膨胀时容纳体积的膨胀量，在收缩时向系统补充导热油，起到稳定缓冲的作用，保证供热系统的安全运营。高温的导热油在接入循环油泵吸入口时，应保证一定的压力，这样循环泵才能正常工作，所以膨胀槽又可以起到系统定压的作用，它应该设置在整个系统的最高点上≥1.5 m。为保证加热循环系统的顺利循环，系统中的空气应该排除，所以系统中的空气经过油气分离器分离出来后通过膨胀槽排放，膨胀槽又起到排空气的作用。膨胀槽内的导热油因为不直接在系统中加热循环，所以温度(一般<70 ℃)较循环系统内的导热油低，其位于最高点，可以隔绝空气和高温的导热油接触，防止导热油被氧化。导热油膨胀槽还有一个作用就是当有机热载体锅炉发生停电或其它事故紧急停炉时，膨胀槽内的冷态导热油可以用来置换锅炉内的热态导热油，防止停炉时炉内导热油过热及由此而引起的更大事故的发生。

从上所述，导热油膨胀槽在系统中作用是十分重要的，布置时首先要布置在系统的最高点1.5 m以上，其次布置时不能设置在有机热载体炉的正上方，防止导热油溢出引发事故。另外膨胀槽不应该保温，其应该离开油气分离器一定的距离，防止供热循环系统中的热量传递到槽内，保持的距离应>1 m。膨胀槽和油气分离器连接的膨胀管也不应该保温，且应该保证其一定的上升坡度以利用空气的排放。

导热油膨胀槽的大小应该通过计算来确定，先查出导热油在常态(20 ℃)时的密度ρ1，再查出导热油在热态(>300 ℃)时的密度ρ2，可以计算出导热油的膨胀率为(ρ1-ρ2)/ρ2，按整个导热油循环加热系统内(包括有机热载体锅炉内的容量、锅炉循环管道的容量、工作设备容量、膨胀槽最低液位时导热油的容量)的导热油常态体积V，计算出导热油的热膨胀体积Vδ=V×(ρ1-ρ2)/ρ2，考虑膨胀槽的安全余量，取槽内装满率为2/3(0.67)左右，则可以计算出导热油膨胀槽的体积为V1=Vδ/0.67。

在进行初步方案设计时，导热油膨胀槽的有效容积按大于整个供热系统的导热油膨胀容积(约总容积的0.3倍)的1. 3倍来初步估算。

2.2.5 油气分离器

在循环运行的导热油供热管道系统中，如果有空气、蒸汽或其它的气体，将使液相的导热油不能稳定的运行，和热水循环系统一样，发生“气堵”现象，所以我们设计时要通过油气分离器将系统中的气体分离出来，通过膨胀槽排放到系统外，保证循环系统的运行。在布置油气分离器时，应该布置在供热循环管道最高点，但是其最高点应该在导热油膨胀槽的下方，使得气体能够排放到膨胀槽内。同时应该和膨胀槽保持>1 m的水平距离，防止供热管道系统内的热量传递到膨胀槽内。

2.2.6 导热油管道的设计

导热油管道内的有机热载体是丙类火灾危险性的可燃液体，属于压力管道，根据管道的工作压力、温度判别，属于GC2级压力管道，设计时应按照GC2级压力管道的有关技术规范要求。设计规范有《工业金属管道设计规范》GB 50316—2000(2008年版)、《压力管道规范-工业管道》GB/T 20801—2006。设计的管道应采用《输送流体用无缝钢管》GB/T 8163—2008中20#(1.6MPa)钢管，弯管、弯头、三通、封头和堵头的材料与所连接的材料一致。法兰组件的材料按HG-T 20592～20635—2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选用。垫片选用金属缠绕垫片。管道除与阀门连接处采用法兰连接外，均采用焊接连接。管道焊接按《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》GB 50236—2011执行。根据《工业金属管道工程施工质量验收规范》GB 50184—2011，GC2级管道的焊缝应进行抽样射线照相检验，抽检比例不得低于5%，其质量不得低于IV级。

3 有机热载体炉的加热循环工艺流程图

根据上述的设计有机热载体炉的设计要点，给出12 MW导热油炉工艺流程见图3。

图3 12 MW导热油炉工艺流程

4 有机热载体炉环境保护设计

4.1 有机热载体炉的主要污染源

4.1.1 锅炉废气

前面已述有机热载体炉按燃烧的燃料种类可以分为燃煤炉、燃油炉及燃天然气炉，3种锅炉在运行中燃料燃烧产生废气，废气中主要有烟尘颗粒物、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)等污染物，其中以燃煤炉产生的废气污染最为严重。

4.1.2 锅炉生产过程中噪声污染

锅炉运行中会产生设备的机械噪声和通风机的空气动力噪声，噪声源约90 dB左右。

4.1.3 锅炉运行中的水污染

主要会产生高温的锅炉排污水、锅炉烟气处理中产生的废水。

4.1.4 锅炉灰渣

如果采用的是燃煤型有机热载体炉，锅炉燃煤在炉膛中燃烧后会产生灰渣，这个也是燃煤型有机热载体炉特有的一个污染源。

4.2 有机热载体炉污染的防治措施

4.2.1 有机热载体炉废气的治理

燃油、燃气型有机热载体炉一般只有在不能充分燃烧的情况下才产生超出国家排放标准的废气污染物，所以它们的废气治理措施主要是锅炉生产厂家要选用先进的燃烧器，在运行时要进行合适的空气量调节配比，选用低硫的天然气和燃油，一般采取了这些措施后可以满足《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)有关废气的排放要求。当采取上述措施后还不能满足排放要求时，则应该再采取有效的烟气脱硫、脱硝净化处理措施。

燃煤型的有机热载体炉生产时产生的废气污染物远较燃油、燃气型炉严重得多，其处理的过程也比燃油燃气炉复杂得多，具体措施为：

(1)确保燃煤锅炉燃用低硫烟煤，做好防止大气污染的第一步。

(2)锅炉烟气一般采用“静电除尘器(或布袋除尘)+脱硫+脱硝”，处理达标后的烟气经烟囱高空排放。

静电除尘器(或布袋除尘)及脱硫器、脱硝器尺寸都比较大，还要考虑烟道、烟囱的布置位置，所以在布置燃煤型的有机热载体炉房时，一定要给环保设备、烟囱等留有足够的面积。根据笔者设计的工程实例，一般环保设备及烟囱的占地宽度和锅炉房的宽度一样即可以，环保设备的占地长度和锅炉房的长度之比要≥1.2，有的甚至达到了1.35以上。

除尘器、脱硫器、脱硝器等环保设备的选用应和有机热载体炉厂家密切配合，由锅炉厂家提供初始的烟气成分表，根据成分表选择合适的环保除尘器。也可以由锅炉厂家提供有关烟气环保设备的配置方案，设计人员作校核审查有关设备的配置。

4.2.2 消声减噪措施

(1)设备的选型尽可能选用噪声低、震动小的设备，对强噪声设备(如风机)，在设备支架下面安装橡胶减震设施，风机进出口采用软连接，以减少风管振动，降低噪声。

(2)锅炉的鼓风机的进风口处配置消声器，降低其噪声对环境的影响。

(3)严格控制夜间作业时段。

4.2.3 污水处理措施

高温的锅炉排污水先进入排污降温池处理后再排放至室外的污水管网。经过排污降温池后可以将温度降低至≤40 ℃，同时可以沉淀水中的杂质，满足污水排放标准的要求。

锅炉烟气处理中产生的废水设沉淀池回收，底部的脱硫产物由排液泵抽出，送去脱水或作进一步处理。

4.2.4 锅炉灰渣处理

在锅炉房周边应该设灰渣罐(场)，应采取密闭或围护措施，不能露天存放，使得有机热载体锅炉房尘土飞扬，在最后的环节出环保问题。灰渣罐应考虑定期运输车运至建筑材料厂用于新型建材的生产，达到废物利用的目的，灰渣罐设计布置时应考虑运输车的通道。

The design of TOH house

Xu Ge

Wuxi COFCO Engineering & Technology Co., Ltd.( Wuxi 214035)

The design of the TOH house was discussed. The specifications that should be followed in the design and the key points of pipeline design and TOH equipment were pointed out. The design should follow the process and process reference diagram of heating system, as well as the design of environmental protection measures.

specifications; equipment and piping layout; flow charts; environmental protection

2017-06-12

徐 革，男，1963年出生，高级工程师，从事暖通、热力工程设计工作。

TS228

B

1672-5026(2017)04-065-05