油-汽联供余热锅炉设计以及在化纤行业的应用研究

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

当今全球正掀起以信息技术、生物技术、新材料技术和新能源技术为核心的新一轮技术革命高潮，智能化、数字化、精细化、低碳化已成为全球制造业的发展趋势[1-2]，这给化纤工业的产业形态、生产方式、商业模式等带来了深刻的影响，“十三五”规划、“中国制造2025”国家战略的实施，将加快推动我国化纤工业的智能化和绿色化发展。

化纤行业是高耗能行业，绿色节能和可持续发展是化纤行业未来发展道路。在化纤行业工艺加热中应用，有机热载体(又称导热油)应用范围越来越广。尤其是2018年1月1日《中华人民共和国环境保护税法》正式开始实施，化纤行业中燃煤型有机载体(导热油)锅炉面临着改造为天然气锅炉、燃料成本急剧上升的问题[3-4]。

文中提出应用油汽联供余热锅炉新型设备，其利用高温排烟余热同时生产两种介质：导热油和蒸汽，而且蒸汽负荷具有灵活调节特点，满足企业绿色节能用能需求和和可持续发展需求，帮助化纤企业在几乎不增加能源使用成本或者减少能源成本的情况下进行燃煤替代，既有利于国家环保政策的落实，又有利于帮助企业解决关停或搬迁的困境，具有市场普遍适用性。

1 导热油炉供热系统概述

1.1 导热油炉概念及特点

导热油炉供热系统的设计便是通过热对流和热辐射作为热量的传导，为需要供热的设备以循环往复的形式长时间不间断地提供热量，将导热油作为其中流动性的介质，以长时间保持设备所需的热量。而如今化纤行业中对于该供热系统的运用也是因为它在热量传导上有自身优化的特点广泛应用，导热油供热优点总结为以下几点[5]：

(1)导热油作为一项稳定的介质，为整体的热量供应提供了高度的热稳定性，不需要外界因素的干涉，也可以长时间地自行运作，不必担心腐蚀的可能。

(2)导热油炉的供热系统可以运用低压环境代替高压，甚至到达高压情况下其他导热装置数倍的效果，相对来说更为安全。

(3)导热油炉热效率高，达90%左右，而其他加热炉一般在75%左右。且导热油自动化程度高，导热油炉实现全自动控制，计算机监控，操作简单，也可由计算机实现无人自动运行或通过网络远程操作监控。

(4)由于导热油炉供热系统可以将不同的热量传达给不同的设备，可以随时根据热设备对于热量的需求进行调整和更改，节约了时间与空间上的资源浪费，也为整个热传导的系统提供了便利。

1.2 导热油炉提高效率措施

热效率是能源转化的综合性能体现。如果导热油锅炉运行的热效率较低，那么说明其在工作过程中存在很大的安全隐患。主要分成四个方面：烟气，设备，操作和生产任务。如果锅炉本身设计不合理，那么锅炉运行安全威胁很大，炉整设计不合理会造成炉墙透风，水处理设备不佳会使蒸汽管内或者受热面结垢[6]。在正常运行过程中，对工作人员的技能要求很严格，需要专业的操作技术水平，发现问题并及时解决。管理制度要随时更新，工作人员应严格遵守管理条例。在锅炉运行期间。不断的开启、关闭锅炉直接影响生产速度和效率工作人员认真履行自己的本职工作，保障生产链高效有序的进行。为了提高导热油炉热效率可以从一下几个方面进行。

(1)提高传热效率，降低排烟热损失和散热损失。一般炉体和炉膛散热损失的数量较少，而排烟热损失的数量较大。这是导热油炉热效率下降的一个主要因素。排烟温度的高低主要取决于导热油炉的传热情况，传热效果越好，排烟温度越低，排烟热损失也越小；但是，排烟温度过低易使尾部受热面产生烟气露点腐蚀。因此，排烟温度的选取需要进行优化。

(2)导热油炉的排烟温度过高时，加装省煤器或空气预热器等尾部受热面进行烟气余热回收。为了提高尾部受热的传热效率，采用热管换热器作为尾部受热面，从而可达到良好的节能减排效果。

(3) 导热油炉实行计算机优化控制，控制系统为软件程序模块的连接组成，从而免去相应模拟仪表的安装、配线等工作；控制系统的组成和更改非常灵活、方便、迅速；通过发挥计算机强有力的逻辑运算

(4)增加对导热油锅炉的定期检验是非常必要的，检验项目包括能效测试技术，检验能力和手段以及设计专家的咨询。首先进行能效检验，其次进行安全检验。在检验过程中，结合设备规模指标对发现的问题进行合理分析，同时提出改进的方法。改良安全隐患，重点维修反复出现的设备问题。在检验完毕后，进行试点。试点应根据性能特点等情况。提出科学合理的改进方案，根据进度表依次进行安全隐患的排除。

2 化纤行业工艺用热现状

化纤行业是高耗能和高耗水的产业，此类企业普遍的能源需求特点为：

(1)电力、蒸汽等能源负荷稳定，全年波动很小；有导热油加热需求，热电费用占比可达生产成本的60%(如图1所示)。

图1 生产成本比例分布图

(2) 蒸汽由煤电厂或小煤炉供应，导热油由燃煤热媒锅炉供应，受环保政策影响，普遍存在“煤改气”的需要，并希望在少增加或不增加总能源支出的前提下，实现以气代煤，响应国家节能减排政策；

(3)电力能源需求与蒸汽能源需求大致相当，导热油需求高与蒸汽和电力需求；不同产品类型的企业，电力、导热油和蒸汽的占比稍有不同，但热(蒸汽需求与导热油需求)电比相对稳定，热需求稍大于电需求。

从上述分析得知化纤行业工艺所需热能情况：导热油和蒸汽；对于传统的加热方式，蒸汽加热完介质后直接排放，没有回收措施，而导热油在加热完介质后，往往会被输送回导热油锅炉中循环反复使用，因此传统上认为导热油的能量利用率比较高；而现在随着工艺和技术的进步，也对排放的蒸汽进行二次回收利用，使用在其他工艺流程或生活用热中，很大程度上可以提高蒸汽的热能利用效率；目前化纤行业针对蒸汽加热和导热油加热各有特点[7-8]，分别应用在不同工艺过程中。

(1)导热油加热

工业上使用导热油在换热过程中作为加热介质已经有超过50年的历史。在工业炉中它首先被别的可燃材料如煤、重油、轻油等可燃液体、天然气等可燃气体加热，待加热到一定温度后，利用油泵将热油抽到导热油管道中，通过管道传送给用热单元，待换热完成后导热油又被输送回工业炉中重新加热。

它的功能特点如下所示：

① 低压条件下就可获得较高温度，系统处于低压操作环境中使系统的安全性提高，同时增加了系统设备的可靠性；

②可使用的温度范围较宽，同一系统的升温降温程序可用一种导热油实现，简化了系统操作程；

③省去了水处理系统，系统热效率较高，同时减少初期设备投资费用以及日后的设备维护费用；

④ 导热油系统的操作处于低压环境下，引发泄漏的可能性要小于水蒸气系统。

(2)蒸汽加热

蒸汽作为热介质，广泛用作生产工艺过程的动力源、热源等，还具有加湿作用。它最显著的两个特点是来源充裕、成本低廉，此外它还有以下优点：

① 化学性能稳定，对人体健康无害，对环境无害；

② 输送和分配起来方便，控制起来也简单；

③ 热容量高，热量是同温度下同质量空气或烟气的25倍，因此输送大量的热量可以使用很小口径的管道，节约了管道材料；

④ 易于调节控制，其热量也可逐级降压释放，适合重复加热和蒸发，符合热电联合生产的要求，能获得较大的经济效果。

蒸汽的主要用途也非常广泛，主要有下列几个方面：

① 蒸发过程——使溶液中水分蒸发；

② 干燥过程——使固体中水分蒸发；

③ 升温工艺——通过换热器间接加热或蒸汽与待加热介质直接接触直接加热的方法，使待加热介质温度升高；

④ 保温工艺——补充工艺过程中介质的热损耗，保证工艺过程所要求的恒温过程等；

⑤ 蒸馏工艺——用来分馏、精馏产品；

⑥ 重整工艺——蒸汽作为原料之一，用来提高产品气质量，扩大产品气用途。

3 油汽联供余热锅炉工艺概述

油汽联供余热锅炉属于余热利用设备，文中油汽联供余热锅炉的余热来源为燃气轮机的高温排烟，为了充分利用燃气轮机烟气余热生产导热油和蒸汽，同时结合导热油锅炉、余热蒸汽锅炉、燃气轮机等主设备特性，并依据锅炉设计相关标准与规范，通过合理的热平衡负荷分配设计计算，各换热模块结构布置等设计，最大效率利用烟气余热，提过本锅炉效率，同时实现蒸汽、导热油负荷的实时联动调整，并保障油-汽联供锅炉系统安全运行，自主研制的油-汽联供余热锅炉的工艺流程如图2所示。

图2 油汽联供余热锅炉工艺流程图

油-汽联供余热锅炉主要由导热油换热器、低压蒸汽换热器、省煤器、除氧加热器、油汽换热器、导热油自循环系统、给水系统、蒸汽减压调节系统等组成。燃气轮机的高温排烟首先进入导热油换热器，利用烟气的中高温段温度(约350～580 ℃)余热加热导热油；从导热油换热器排出的烟气进入低压蒸汽换热器，其利用中低温烟气余热(200～350 ℃)产生低压蒸汽；再经过省煤器加热锅炉给水，提升锅炉给水温度；最后烟气经过除氧加热器生产0.02 MPa的饱和蒸汽，满足给水除氧需求。

设置除氧加热器是为了降低排烟温度，提升余热利用效率。文中由于余热锅炉给水流量较小，回收余热能力有限，经过省煤器后的排烟温度仍然较高，因此对给水除氧热源作了重新设计，由常规的低压蒸汽除氧改为烟气加热除氧，为除氧器配置低压蒸汽发生器，生产低压饱和蒸汽满足给水除氧需求。

为了满足余热锅炉负荷变动的需要，系统配置油汽蒸发器，利用导热油换热器进口导热油加热锅炉给水，生产2.0 MPa的饱和蒸汽，除满足高压蒸汽需求外，同时对低压蒸汽不足部分进行补充。

4 余热锅炉关键换热模块设计

根据浙江某其化纤企业的用能情况以及实际生产需求为基础设计油汽联供锅炉，已知设计条件如下：

(1)燃气轮机排烟参数为582 ℃，烟气流量为49 320 kg/h；

(2)导热油是THERMINOL 66，导热油进口温度为298 ℃；

(3)蒸汽需求分为2.0 MPa和0.6 MPa的两种高低压饱和蒸汽，其中要求高压饱和蒸汽变化范围0.96～2.0 t/h ；

(4)低温段余热蒸汽锅炉产生0.6 MPa的饱和蒸汽；

(5)油汽换热器产生2.0 MPa的饱和蒸汽；

(6)排烟温度达到环保锅炉设计等要求，尽量利用烟气余热；

(7)调节导热油供能负荷时，不得通过调节导热油流量实现负荷调节，可以通过调节导热油换热器进口温度来调节导热油供能量；余热锅炉设计出油温度按不大于导热油允许的安全温度进行设计。

(8)余热锅炉设计应满足导热油锅炉及蒸汽锅炉设计的标准及规范，应配置必要的保护，以保障余热锅炉系统的安全。

下面对油汽余热锅炉的核心换热模块：导热油换热器和低压蒸汽换热器为例，进行计算设计说明确定其热交换量，并进行结构布置设计说明。

4.1 导热油换热器模块

导热油换热器的产热能力确定是设计的关键之一，产热能力受燃气轮机尾气温度及导热油回油温度限制，尾气温度越高，可产生的热量越大，导热油回油温度越低，可产生的热量越大。在燃气轮机与导热油温度确定情况下，导热油换热器的产热能力越大，余热锅炉的造价越高，因此应对低压蒸汽换热器与导热油换热器热量分配进行研究，寻找最佳投入产出平衡点。

(1)热力计算，见表1

表1 导热油换热器热力平衡计算表

续表1

序号名 称符号单 位数值5散热损失q5%56锅炉总热损失∑q%59.5567锅炉的效率η%40.4448保热系数ψ/0.899进口油焓比热C'kcal/(kg·℃)0.61110出口油焓比热C″kcal/(kg·℃)0.6211锅炉有效利用热Qglkcal/h323878112总烟气消耗量BNm3/h39774

(2)导热油换热器结构设计特性

根据导热油换热器热力计算以及强度等设计计算确定导热油换热器的结构布置设计，如图3所示。

图3 导热油换热器结构布置图

(1)烟气流向

运行时，高温余热烟气横向冲刷翅片管，烟气温度传递给翅片管，热载体吸收热量带出。

(2)结构特性与规格

a．锅炉为水平放置，管子布置为错列。

b．锅炉的受热面：横向22排，纵向14排的翅片管，管子采用 φ76x4，材料为20-GB/T3087，翅片高度为15 mm，间距为10 mm，材料为Q235。

c．所有管子间用180°的弯头连接，材料为20-GB/T3087。

d.集箱为下进上出，集箱管子采用 φ325x10，材料为20-GB/T3087。

4.2 低压蒸汽换热模块

低压蒸汽换热器的产汽能力是设计的关键之一，产汽能力受导热油回油温度的限制，回油温度决定了产汽能力的下限，在满足产汽能力下限的情况下，合理设定低压蒸汽换热器的产汽量，在投资与蒸汽负荷调节范围间寻找最佳平衡点。

(1)热力计算，见表2。

表2 低压蒸汽换热器热力平衡计算表

(2)低压蒸汽换热器结构设计特性

根据导热油换热器热力计算以及强度等设计计算确定低压蒸汽换热器的结构布置设计，如图4所示。

图4 低压蒸汽换热器结构布置图

低压蒸汽受热面分为上锅筒和对流管束区、上升管、下降管、连接管道等组成。

(1)对流管束区由横向20排，纵向16排的翅片管，管子采用 φ38x3，材料为20-GB/T3087，翅片高度为10 mm，间距为8 mm，材料为Q235。顺列布置。翅片管与上升管相连，上升管：φ38x3，材料为20-GB/T3087。

(2)上锅筒t=10 Q345R GB/T713下部布置两根下降管φ159x6，材料为20-GB/T3087，由锅筒引入两侧集箱，在集箱上布置上升管φ76x4，材料为20-GB/T3087,与对流管形束成循环回路。蒸汽由上连接管φ108x4，材料为20-GB/T3087，引入锅筒。

5 结束语

文中研制的油汽联供余热锅炉属于新型设备，基于能源阶级利用原理充分利用高温烟气余热生产导热油和蒸汽，具有高效率、节能、可靠运行等优点，可满足化纤、印染行业的节能、环保、低碳、绿色、智慧化产业升级改造需求以及绿色可持续发展需求，具有良好的市场前景。同时对于工艺需要导热油和蒸汽加热的医药领域、造纸领域，该研制设备也将都会有很大的市场应用前景。