清洁能源供热技术在印染定型机中的应用研究

汪 琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心，上海 200042）

1 燃天然气热风炉供热

1.1 燃天然气直接式

燃天然气直接式热风炉使用天然气作为燃料，最好配置低氮燃烧器，并且采用高速交叉回流旋卷的工作原理进行设计制造。笔者设计开发的直接式热风炉是由燃烧室、保温层、炉壳体等部分组合构成。燃烧室采用扇形耐火砖、耐热层和保温层砌筑而成，在燃烧室尾部交叉汇流成混合段、热风与掺冷风的汇聚混合段，需要安装两组热电偶及相应二次仪表，以便对燃气调节阀进行手动和自动控制。

燃天然气燃烧器的运行方式有单段火、两段火、两段渐进式以及比例调节式。在同等条件下可优先采用比例调节式；如果燃烧器经常在较低负荷下运行，应针对燃烧工况进行适应性调整。燃天然气的燃烧器选型时调节幅度要大，能够适应负荷变化的需要，以保证在不同工况下稳定地燃烧；同时，还要避免燃烧器反复起停，以减少热风炉的热损失。

直接式热风炉的燃烧器可选用双段滑动式燃烧天然气型号，并可根据用户的具体要求配置冷风-天然气自动比例式调节器，这样就能适应热定型机对热风温度的变化需求，从而对燃烧天然气的气量进行自动调节。燃天然气直接式热风炉可提供低于500 ℃的烟气式热风，热风温度可根据印染定型的生产工艺进行设定，升温速度快、温控精度高，满足定型机的供热需要。采用燃天然气直接式热风炉供热定型机的能耗比较低，因为天然气直燃式加热定型机时，热能没有经过多次热交换的过程，热能利用效率比较高。

1.2 燃天然气间接式

燃天然气直接式热风炉供热定型机对漂白产品的质量会有影响，为了保证漂白产品的质量，需采用燃天然气间接式热风炉供热定型机。燃天然气间接式热风炉是以天然气为燃料，产生清洁空气式热风的加热炉。该炉型可以提供低于350 ℃的清洁干净热空气，不会污染化纤和棉布织物；并且，燃天然气间接式热风炉的供热能力调节范围大，运行成本较低，运行操作方便，自动控制水平高，温控精度较高。

燃天然气间接式热风炉是由天然气燃烧器、鼓风机、换热筒体、自动控制系统等部分组成。天然气经过燃烧器高效燃烧后生成高温气体，再通过换热筒体或者换热管将鼓风机输入的干净冷空气间接地加热到定型机所要求的温度，供给热定型机烘箱的是清洁式高温热风。同时，炉子的自动控制系统通过对燃烧天然气的气量进行自动控制调节，以达到炉子的输出热风温度，满足印染定型温度的要求。

笔者设计开发的燃天然气间接式热风炉的换热筒体为烟气和空气双回程辐射——对流换热器。该换热筒体集燃烧与换热为一体，使烟气和空气各走其道，最终，空气经过炉子被加热后不被污染[2]。同时，为了降低烟气的排出温度，减少NOx排放量，提高炉子热效率，在换热筒体内设计了烟气再循环系统，即增设了烟气回流室；其作用是换热完成后的部分烟气回流，与燃烧器产生的高温烟气混合后，再次循环参加炉子的换热过程。由于烟气的回流作用会使天然气的燃烧温度降低，从而减少了向大气环境排出的烟气总量，降低了NOx排放量，减少了大气污染。

2 燃生物质能导热油炉供热

热定型机的平均热能利用率只有24%～29%，大部分热量会随热风直接从烘箱中抽出，排放到大气中，废气散发的热能达到61%，能源浪费十分严重。但是，燃生物质能导热油炉却能够提供稳定的高温导热油，再去加热烘箱中的干净空气，可以满足定型机的供热需要，还可以为蒸化机、焙烘机等其他需要高温的设备供热，但这些高温设备的天然气直燃式热风供热改造技术目前还不够成熟。

2.1 燃生物质颗粒燃料

生物质颗粒燃料作为一种新型的清洁能源，采用木屑、秸秆、稻壳、玉米芯、树枝、麦杆、稻草等农林废弃物为原料，经过粉碎、烘干、混合、挤压等工艺制成颗粒状，是可直接燃烧的新型洁净燃料。由于燃料为颗粒状，压缩了体积，节省了储存空间，同时也便于运输，减少了运输成本；另外，生物质颗粒燃料的燃烧效率较高，易完全燃烧，残留量很少。

植物园中的盆栽桂花、银边翠、时令蔬菜，质量分数为4.2%的碳酸氢钠溶液、质量分数为25%的氢氧化钠溶液、质量分数为0.1%的碘液。

卧式链条炉排方箱形燃生物质颗粒燃料的导热油炉由卧式方箱形炉本体和链条炉排燃烧装置组成，炉膛内辐射受热面是将直径相同的数根炉管密集地沿炉身盘卷而成螺旋长方形盘管密排布置，不仅密封性能好，保温隔热材料用量少，而且能较好地与机械化链条炉排燃烧装置相匹配[3]。对流受热面采用多组蛇形管片结构，并且在炉顶部布置了多根顶棚管，炉管受热面和进出口集箱互相连接，构成了炉本体支撑框架。笔者在结构设计上配备了二次风结构，二次风约占总风量的30%，在燃生物质颗粒燃料导热油炉的燃烧中起到十分关键的作用。二次风旋流搅拌炉膛内气体使炉内烟气产生漩涡，延长悬浮的飞灰及飞灰可燃物在炉膛内的行程，使飞灰量及飞灰可燃物量进一步降低。此外，二次风对悬浮可燃物提供了新鲜空气，有利于提高导热油炉的热效率，降低导热油炉初始排烟浓度。由于采用了旋流强化对流换热技术，使烟气低温差换热更加优化，并且不容易积灰。此外，采用了喉口及炉膛出口烟气温度控制技术，可以使导热油加热过程更加均衡稳定。

燃生物质能导热油炉输出的高温导热油经循环热油泵输送到热定型机烘箱内的翅片式散热器中，导热油携带的热量经散热器传递给空气，热空气再经喷嘴吹到布面上，将热量传递到织物，最后由循环风机抽出。造成热损失的最大因素是定型机烘箱的排风过程，在烘箱排出的高温废气中，只有一部分是水蒸气，其余的为热空气，可采用废气热能回收装置，将烘箱排出的高温废气余热回收利用。排风机的风量可通过风机转速来调节，当排风量过大时，也可通过排风管上的风门来进行调节。

生物质颗粒燃料的特点是：燃烧点低、易于点火、颗粒密度较高，发热量在15 900～20 100 kJ/kg，经炭化后的发热量高达29 300～33 500 kJ/kg。生物质颗粒燃料不含硫、磷，燃烧时不产生二氧化硫和五氧化二磷，不会污染大气环境，不会导致酸雨。燃生物质颗粒燃料导热油炉如果满负荷运行时，无黑烟，林格曼黑度为0，炉膛挥发分燃尽率为100%，排出灰渣含碳量为3%～5%，总体燃尽率为95%～97%，节能效果显著。另外，燃烧后的灰烬还可以作为钾肥直接使用，可以更好地为企业创收。总之，生物质颗粒燃料作为一种新型的清洁能源，其特有的经济优势和环保效益符合可持续发展的要求。

2.2 燃生物质固硫型煤

生物质固硫型煤属于干式冷态成型煤，内部加入了纤维状态的生物质，如稻草、玉米秆、秸秆等，生物质不仅具有粘结作用，还有助燃作用。生物质固硫型煤进入导热油炉的炉膛后，由于炉膛的高温辐射，生物质首先燃烧，并且由于型煤表面形成了蜂窝状，使氧气能够逐渐进入型煤内部，增大了燃烧面积，加快了燃烧速度，使燃烧充分而完全。燃生物质固硫型煤导热油炉输出的高温导热油，通过热油循环泵输送给热定型机烘箱中的翅片式散热器，再加热空气，加热后的热风经循环风机送入喷嘴，吹到湿织物上，蒸发织物上的水，并且加热织物达到工艺所需的温度。

生物质固硫型煤采用干式工艺生产，煤料干度必须达到含水小于4%，生物质含水小于7%。生物质固硫型煤在导热油炉中的燃烧效果很好，炉渣含碳量可达8%～10%；同时，通过加入消烟固硫剂还可达到较好的消烟、固硫效果，脱硫率最高可达71.9%。生物质固硫型煤使燃烧过程中产生的SO2与固硫剂作用，生成硫酸盐而被固定在灰渣中，减少了SO2的排放量。常用的固硫剂可分为钙系、钠系及其他金属氧化物，钙系固硫剂如石灰石（CaCO3）或消石灰[Ca(OH)2]，因其来源广、易取得、价格低，成为工业加工中最常用的燃煤固硫剂。目前，生物质固硫型煤常采用石灰石粉作为固硫剂，生物质选用破碎的稻草或玉米秆，生物质与原料煤的质量比通常为3∶17 左右。这样生产出来的生物质固硫型煤具有高热值、易点燃、不会结焦、火焰较长、烟尘量较低、环保效果较好等特点。

笔者设计开发的燃生物质固硫型煤导热油炉是将一次能源（煤炭）和可再生能源（生物质）结合在一起，是一种把节能减排技术与洁净生物质型煤燃烧技术相结合的清洁能源产品[4]。燃生物质固硫型煤导热油炉具有如下优点：易点火燃烧并且燃烧时间长，燃尽率高、热值高；有明显的固硫、固尘效果，固硫率可达50%～70%；同时，在燃烧过程中，SO2排放量可减少60%以上，烟尘排放量可减少90%以上，减排效果明显。如果采用煤泥、煤粉、无烟煤等低质原料混配，总节煤率可达30%以上，节能效果明显。

2.3 燃沼气

沼气是指有机物在厌氧条件下经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃性混合气体，主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。通常情况下，甲烷约占60%、二氧化碳约占40%，还有少量氢气（H2）、氮气（N2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）和氨气（NH3）等。沼气发酵的工艺流程为：原料收集、预处理、消化器（厌氧反应器）处理、出料后处理、沼气净化与储存。

笔者设计开发的燃沼气导热油炉是由沼气燃烧器、炉本体、保温层、圆筒钢壳体、镀锌彩板外壳、烟气出口等组成[5]。炉本体结构采用圆形盘管式，炉管的受热面由钢管盘绕成的具有一定直径、一定长度的几组同心管圈组成；管圈中，管子之间无间隙密排布置，管圈既作为受热面又作为烟气隔墙。内圈盘管包围的圆柱形空间是燃烧室，沼气在燃烧室内燃烧经辐射放热后，高温烟气依次进入内圈盘管与中圈盘管以及中圈盘管与外圈盘管之间的烟气通道，经两回程的对流换热，烟气由炉体后部进入尾部烟气余热回收装置，并经环保处理后，最终引至烟囱排入大气。内圈盘管的内侧为辐射受热面，而内圈盘管的外侧与中圈盘管、外圈盘管的内侧表面构成对流受热面。

燃沼气导热油炉供热是燃烧沼气产生的热量被炉膛中螺旋盘管内的导热油吸收，再由循环热油泵送到定型机烘箱的热交换器中，空气经热交换器加热后，再经喷嘴吹到湿织物的表面上，部分热风带着从织物上蒸发的水汽和其他挥发性物质，由排风机抽出，并经环保处理后从废气管道排到室外。所以，燃沼气导热油炉供热是一项保护绿色环境、实现节能减排的清洁能源供热技术。

在印染定型生产工艺的中、后整理过程中需要进行加热，尤其是热定型机需要提供高达180～250 ℃的定型温度，用于化纤织物定型，如果印染企业内没有沼气的来源，也可以采用燃天然气导热油炉供热的方法对热定型机烘箱进行供热[6]。

3 热电厂中压中温蒸汽供热

采用热电厂集中供热的方式，可以直接供给中压为2.5～2.8 MPa的过热蒸汽，温度为260 ℃，可以满足定型工艺150～220 ℃的要求；但在低压为0.5～0.8 MPa时，饱和蒸汽的温度较低，一般是低于150 ℃的烘燥温度，只能对棉布进行定型。因为化纤织物定型至少要达到180 ℃以上的烘燥温度，对应的蒸汽饱和压力为1.6 MPa以上；氨纶等织物则需要220 ℃的烘燥温度，对应的蒸汽饱和压力为2.6 MPa以上，需要利用其汽化潜热来定型化纤织物。所以，采用中压中温蒸汽直接在定型机中进行热交换，对织物进行加热定型，安全可靠且热效率较高，使用完的蒸汽排放可通过集中整治的方式进行，容易控制污染，因此，采用热电厂的中压中温蒸汽供热定型机是一种比较好的节能减排方法。

按照中压过热蒸汽价格为212 元/t，并且按照导热油炉热效率为70%、导热油传输热效率为95%，热电厂锅炉热效率为88%、蒸汽传输热效率为90%进行测算。（1）在蒸汽定型后的高温凝结水全部回收利用的情况下，即中压中温凝结水可通过凝结水回收装置转换成低压蒸汽和100 ℃的凝结水加以回收利用，中压中温蒸汽定型成本相比导热油定型要低13.7%、节能29.42%。（2）蒸汽定型后的低压蒸汽回收利用，但在100 ℃凝结水热量不回收利用的情况下，中压中温蒸汽定型的成本比导热油定型要低3.96%、节能18.24%。（3）蒸汽定型后的中压中温凝结水全部不利用，则中压中温蒸汽定型成本比导热油定型要增加能耗7.7%、成本上升16.76%。

综上所述，采用热电厂中压中温蒸汽供热定型机，分析凝结水的利用情况可知，印染企业可通过凝结水的回收装置回收全部闪蒸汽，100 ℃凝结水的水量也可以全部回收利用，能够达到中压中温蒸汽供热定型机余热全部或部分回收利用。另外，如果采用热电厂中压中温蒸汽供热定型机的方法，对定型机的改造任务主要是更换热交换器，通常定型机每级烘箱的改造费用为3万元，故每台定型机总的改造费用为30多万元。

4 结论

通常，热定型过程是在烘箱内完成，湿织物是以一定的速度连续通过烘箱，而热源的供给方式有多种途径，可以选择在热定型机烘箱内使用燃天然气供热、导热油供热或中压中温蒸汽供热的方法。热电厂发电后的中压中温蒸汽可以为定型机供热，经过定型机的蒸汽压力会有所下降，如果再经过闪蒸器还可产生低压蒸汽，可用于染色机等需要使用蒸汽设备的供热。当采用中压中温蒸汽的压力在2.5～2.8 MPa时，就能保证定型机的最高温度达到205～210 ℃，当中压中温蒸汽的压力为3.2 MPa 时，定型机的最高温度可达到220～225 ℃，可以满足化纤织物热定型工艺的要求。

燃天然气直接式热风炉供热定型机的燃料生产运行成本要比中压中温蒸汽供热定型机的运行成本高15%～55%，比燃生物质固硫型煤导热油炉供热定型机的燃料生产运行成本高60%～95%。另外，中压中温蒸汽供热定型机的受压设备和蒸汽管道每年的安全检验维修费用最高，燃生物质颗粒燃料导热油炉供热定型机每年的安全检验维修费用较低，燃天然气直接式热风炉供热定型机的检验维修费用最低。