天然气与废气混烧型导热油炉在热定形机中的应用

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）

在2020年9月的联合国大会上，中国郑重承诺在2030年实现碳达峰值，争取在2060年前实现碳中和。2021年3月5日，中国提出“十四五”规划和2035年远景目标纲要草案，设置了8个约束性指标，有7个集中在“绿色生态”和“安全保障”方面。目前，印染企业的热定形机排放废气中含油雾和染料、助剂，飘落至企业周围地面上会造成环境污染，并且废气内的热量排放到大气环境中还会造成能源浪费。所以，应用天然气与废气混烧型导热油炉，在印染热定形机的烘房加热过程中，可将烘房中排放的含有害物质的热废气直接输入炉内进行焚烧净化处理，被加热后的高温导热油循环供热给定形机的各个烘房中，用于印染化纤织物的热定形工艺。另外，设置废气余热回收利用装置和烟气余热回收装置，从而可达到绿色生产及节能、减排、降耗的效果［1］。

热风拉幅定形是印染后整理工艺中的一道重要工序，棉、毛、丝、麻和化纤等织物浸轧印染助剂后，需要经过拉幅、烘燥、定形等工艺，从而达到印染织物的品质要求。化纤织物的热定形过程如下：化纤织物被烘干并使其表面加热至定形温度，化纤织物芯部均匀地达到所需温度，在定形温度下保持停留一段时间使其纤维分子重新取向，冷却后使纤维分子取向固定。不同的织物因原料成分、组织结构、厚薄不同，在定形过程中有不同的升温曲线，通过测试织物温度变化、调节定形机的车速控制织物的定形时间，就可以精确、有效地控制织物的定形效果，以确保在最高生产效率下达到最佳的定形效果。

1 天然气与废气混烧型燃烧器概述

天然气与废气混烧燃烧器主要包括天然气喷嘴、废气喷枪、火焰稳定器、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、风机与电机组、天然气阀组、天然气过滤器、废气阀组、废气过滤器、安全阀、调节阀及连接管路等；风门电动调节和燃气阀组中调节器组成燃烧器的天然气与空气按照比例调节系统，并由程序控制器和状态控制器发出指令，实施各种工况（清扫、点火、负荷变化、熄火等）的全自动调控和安全联锁保护，从而保证天然气与空气的合理配比和高效率燃烧［2］。为了保护大气环境，可采取烟气再循环燃烧技术，利用燃烧器头部出口处高温高速燃烧气体的引射作用，通过燃烧器喷头出口小孔及出口洞吸入炉膛内的烟气，即烟气回流到天然气中，使燃烧区域内的惰性气体含量增加。因为烟气吸热且降低了氧气的质量分数，空气中的含氧量低于21%，从而使得火焰燃烧速度和温度降低，NOx排放量降低，约为40 mg/m3，所以燃烧产物中的污染物排放量均符合国际标准。

天然气主要成分为甲烷（CH4），燃烧惰性大，即火焰传播速度低，约为0.38 m/s，所以天然气与废气混烧的燃烧器喷头采用平行多管式结构，天然气经过多管顶端出口洞及侧面上的小孔喷出，大量天然气喷射点有利于与助燃空气均匀混合。燃烧空气的分配：经过火焰稳定器（或者旋流盘）的风量约为15%，并且要产生中心旋流；其余风量（包括废气风量）经过火焰稳定器的外环通道进入，外环气流也要产生旋流。总之，多管结构或者多孔供给的混烧型燃烧器设计方案要保证天然气和助燃空气快速、均匀混合，燃烧器的中心火焰是浓态火焰，即天然气过剩、氧气不足，从而抑制NOx的生成；但是燃烧器中心火焰的周围外部补充空气（或输入废气）为淡态火焰，即天然气不足、空气（或废气）过剩，从而降低了周围外部火焰温度，抑制NOx的生成。两组火焰的燃烧产物在炉膛内互补，达到完全燃烧所要求的总空气系数，所以总的燃烧效果是使炉膛内的NOx生成量降低20%～40%，清洁环保效果十分明显。

2 天然气与废气混烧型导热油炉在热定形机中的应用

在纺织印染热定形机生产运行的过程中，织物消耗的热能仅占29%，定形机自身消耗的热能占10%，热定形机排放废气散发的热能达到61%。而在印染定形工艺的中、后整理过程中需要采用高温导热油加热烘房，尤其是热定形机用于化纤织物定形工艺时，需要提供高达180～250℃的定形温度，所以采取天然气与废气混烧型导热油炉应用在印染定形工艺过程中，并采用导热油循环供热系统给热定形机中的各个烘房进行供热［3］，再将热定形机排放的废气直接输入混烧型导热油炉内进行焚烧净化处理，可以满足各类印染定形工艺的高温供热需求和废气焚烧净化处理要求。另外，废气进入混烧型导热油炉的输入方式是采用防腐蚀、防静电的送风机将废气经由废气喷枪烧嘴输送到混烧型导热油炉内，并在废气管道上设置一个阻火器，废气管道与送风机等均应采取防静电措施，以防止气体爆炸。

天然气与废气混烧型导热油炉通常采用圆筒型结构，有立式布置和卧式布置两种炉型结构。立式布置时燃烧器一般安装在炉子顶部，但大型导热油炉立式布置时燃烧器也可以安装在炉子底部。卧式布置时燃烧器安装在炉子前端盖上，炉管束是由2圈或3圈圆形螺旋盘管组成，内圈圆形螺旋盘管构成炉膛燃烧室。天然气与废气通过燃烧器混烧后产生的高温烟气在内圈螺旋盘管内侧组成的炉膛辐射室中释放出热量后，流动到炉体的后端盖处反向折流180°，再向前冲刷进入内圈盘管外侧与中圈盘管内侧的烟气通道进行对流放热；然后烟气流动至炉体的前端盖处再次反向折流180°，向后冲刷进入中圈盘管外侧与外圈盘管内侧的烟气通道进一步对流放热；最后烟气从炉体后端处的出烟口位置流出，并进入烟气余热回收装置和烟气除尘设备后，再通过烟囱排向大气中［4］。另外，在炉体后端盖上安装有可拆卸检修门，使混烧型导热油炉的内部清扫和维修极为方便；并在炉体后端盖烟箱处设置有一个观察孔，可以全面观察炉膛内火焰燃烧情况，观察孔的结构采用套管螺纹连接，炉膛内部一旦发生意外情况，可将观察孔的外套管旋下，把观察孔当作灭火孔使用。而为了混烧型导热油炉的维修方便，前后炉端盖与炉壳体均采用壳体法兰连接结构，同时在烟箱与炉壳体连接处采用多重密封结构，从而保证不会泄漏烟气；并且为了减轻混烧型导热油炉的质量，炉体保温层采用轻质保温材料，不仅材料密度小，而且其隔热保温性能好，能够降低炉体的散热损失。同时在混烧型导热油炉的烟气出口管道上安装有一个烟气防爆门，防止在炉子点火爆燃时能够迅速起到泄压的作用，在泄压后，烟气防爆门能够自行恢复原状，从而可以提高天然气与废气混烧型导热油炉运行操作的安全性。

由于导热油炉输出的高温导热油出口温度一般在280～330℃，如果不设置烟气余热回收装置，则导热油炉排烟温度会达到330～380℃，从而使导热油炉运行的热效率降低，并且由于炉子排烟温度较高，会对尾部烟道与引风机等设备的使用寿命产生一定负面影响，所以增设导热油炉尾部空气预热器或者烟气余热水箱都是非常好的节能降耗措施［5］。天然气与废气混烧型导热油炉的烟气余热回收装置通常安装设置一组热交换器，采用烟气余热来加热工艺用水，冷水被加热到60～90℃后，可供印染企业中的染色设备使用，从而达到节能、减排、降耗的效果。导热油循环供热系统的冷油（回油）则从圆形螺旋盘管的后端进入炉体内的炉管受热面，在圆形盘管内螺旋前进，获得热量后的高温导热油（出油）再从前端流出炉子，进入导热油循环供热系统加热印染定形机的各个烘房［6］。天然气与废气混烧圆筒型导热油炉的优点是：结构紧凑、占地面积小、基建成本低，特别适合在纺织印染企业中推广应用。

热定形机排出的废气进入混烧型导热油炉内直接焚烧净化的处理方法是：利用天然气在导热油炉膛内燃烧释放的高温热量，将废气焚烧加热到一定温度（750～900℃）以上，并且使废气在炉膛内驻留一定时间（0.3～0.5 s），从而使废气中可燃的有害物质经高温焚烧分解后变为无害物质［7］。另外，热定形机排出的热废气在进入混烧型导热油炉之前，先要进入废气余热回收利用装置和废气过滤设备，因此热的废气先要流入热交换器加热新鲜的空气，从而可以将热废气中的余热传递给新鲜空气，然后再通过废气过滤设备清除废气中的污染物。综上所述，充分利用热定形机排出的热废气余热去加热新鲜空气，可使其预热到100～120℃，按照湿度控制比例，补充的新鲜空气先进入一组热交换器，被加热后再进入热定形机的各个烘房中，可减少热能的消耗，达到节能、减排、降耗的目的［8］。

3 结束语

《国家环境保护税法》从2018年1月1日起开始执行，根据该项法律，应税大气污染物的税额幅度为每污染当量1.2～12.0元，水污染物的税额幅度为每污染当量1.4～14.0元。具体税额由各地在法定税额幅度内确定，环境保护税的税额标准相对较高的地方有：北京、上海、天津、河北、山东等。因此，绿色生产是推动纺织印染行业高质量发展的理念引领，节能、减排、降耗是实现纺织印染行业可持续发展的关键，所以，将天然气与废气混烧型导热油炉应用于印染热定形机中，可以加快提升印染企业绿色创新能力，并促进节能、减排、降耗技术在纺织印染行业中的推广应用。

在印染热定形机中采用天然气与废气混烧型导热油炉作为导热油循环加热系统供热给印染后整理工艺的方法有3个优点：

（1）可以提供高达180～250℃的定形温度，充分满足化纤织物定形工艺的要求；

（2）能够有效焚烧或净化热定形机排放废气中的尘埃颗粒物、有机物、油烟、短纤维、苯类、醛类等有害物质，防止这些有害物质排放到大气环境中，造成印染企业周围地区的环境污染，从而更好地保护生态环境；

（3）对热定形机排放废气中的热量进行有效的余热回收利用，并对天然气与废气混烧型导热油炉排放的中温烟气也进行余热回收利用，达到节能减排、绿色生产的目的。