導熱油爐循環加熱供酯化縮聚反應器使用的研究

汪琦　俞紅嘯　張慧芬　季炳奎　季俊

1　上海熱油爐設計開發中心（上?！?00042）2　上海恒欣化工有限公司（上?！?00436）

化工設備

導熱油爐循環加熱供酯化縮聚反應器使用的研究

汪琦1俞紅嘯1張慧芬1季炳奎2季俊2

1上海熱油爐設計開發中心（上海200042）2上海恒欣化工有限公司（上海200436）

討論了導熱油加熱爐的燃燒系統，即以燃料油的燃燒為主，以尾氣燃燒和殘渣燃燒為輔，并給出了主、輔燃燒的混燒過程；分析了導熱油爐及循環供熱系統輔助設備的作用和功能，研究了熱油泵、膨脹槽、儲油槽、油氣分離器、過濾器、注油泵的設計選型方法；給出了導熱油的報廢指標，提出延長導熱油使用壽命的措施是防止導熱油的快速氧化，即減少導熱油與氧氣接觸面積和降低接觸面的溫度；最后總結了導熱油爐循環供熱系統安全聯鎖的控制要求。

導熱油爐酯化縮聚燃燒系統輔助設備安全聯鎖控制

0　前言

酯化縮聚反應工藝系統中有3臺液相導熱油加熱爐及一些相應的輔助設備。每臺加熱爐的供熱量為4.2×107kJ/h，約耗燃料油629 kg/h，熱效率82%～85%。每臺加熱爐內有9束平行管道組成受熱盤管，熱媒（HTM）循環量約為320 t/h。根據設計，正常操作時，3臺加熱爐同時運行，負荷為60%左右，如果其中一臺出現故障或需要維修時，其余兩臺負荷可升至90%。正常運行時HTM進口溫度為290℃，90%負荷運行時HTM進口溫度為305℃，而按照設定值，HTM出口溫度均為330℃[1]。

1　導熱油爐的燃燒系統

本裝置以重油為主要燃料，從綜合處理“三廢”的角度考慮，將聚酯和乙二醇（EG）回收裝置產生的含乙醛等可燃物的氣體及回收二乙二醇（DEG）、三乙二醇（TEG）后剩余的殘渣作為輔助燃料。

1.1燃料油的燃燒

作為液態燃料的燃料油充分燃燒的條件是：（1）燃料必須具有良好的易于燃燒的形態；（2）供應燃燒用的空氣必須適量，并且在進入爐內后盡可能迅速、充分地和燃料作用；（3）燃燒必須在一個預定的容積內完成，比容積是依據爐子尺寸確定的。

總之，單位體積的液體燃料必須獲得與空氣接觸的最大表面積才能充分燃燒。通常采取的方法是將液體燃料霧化成極小的質點，使之與空氣充分混合。本裝置采用蒸汽霧化法，其原理是使一根燃油噴管與一根蒸汽噴管的錐孔相交，蒸汽和燃油在受壓下于腔內混合，當混合物被排放到低壓區時，其體積膨脹，燃油被分散成一種極細的霧化狀噴射液[2]。

燃料油在霧化過程中，其黏度直接影響到噴管的容量與霧化的質量。黏度越高，油滴尺寸和質量越大，而油滴的尺寸越大，其表面系數就越小，這樣燃油與空氣就不能最大限度地接觸，因而燃燒也就不完全。為了使燃油充分燃燒，噴管內燃油的黏度不能超過25 mm2/s(一般為15 mm2/s)。若在常溫下燃油黏度不能達到霧化要求，則需預先加熱，使溫度達到燃油霧化溫度（與15 mm2/s黏度相對應的溫度值）。

1.2尾氣燃燒

來自聚酯、EG回收、DEG回收等區域的尾氣隨時作為加熱爐的輔助燃料使用，可同時在所有運行中的加熱爐內燃燒。

縮聚反應器的真空泵抽出的未被冷凝的氣體與一定量的空氣混合后，流量為17.40 kg/h［其中含乙醛0.48%（質量分數，下同）］，經鼓風機送出區域。

EG回收裝置中間貯槽內閃蒸出的尾氣（含乙醛70%），EG和DEG/TEG回收裝置中真空泵排出的尾氣，連同配入的空氣（其流量為1386 kg/h，其中含乙醛2.18%），一起由鼓風機送出區域。

各區域送出的廢氣匯集于總管，然后被送至導熱油爐作為輔助燃料使用。廢氣管線上安裝了具有安全聯鎖的爆炸極限指示器，當廢氣中可燃物含量超過爆炸下限［4.0%（體積分數）］時，進廢氣閥關閉，而排氣閥開啟，氣體經阻火器向大氣放空。當管內溫度過高時，溫度報警器亦可使尾氣放空。為了使輔助燃料的氣流量恒定，可通過流量控制器控制蝶閥的開啟度，以補充空氣來穩定流量。

1.3殘渣燃燒

在三臺加熱爐燃燒過程中，隨時可增加殘渣作為輔助燃料。但考慮到爐子的熱效率，通常殘渣只集中在一個爐內燃燒。殘渣主要來源于EG，DEG/TEG回收裝置。

在EG回收裝置中，殘渣罐的釜液大部分是低聚物，經殘渣泵被送到殘渣貯罐中，其流量為66.28 kg/h。

在DEG/TEG回收裝置中，蒸餾釜的殘渣（DEG回收時含DEG約50%，TEG回收時含TEG約45.4%）經循環離心泵被送至殘渣罐，其流量之和平均為6.16 kg/h。此外，還有少量殘液來自過濾器清洗裝置的TEG離心泵。

殘渣罐是中間貯罐，它配有蒸汽加熱盤管，使殘渣保持適宜的溫度（約174℃），以滿足系統輸送的需要。上述殘渣量之和約為72.44 kg/h。輸送殘渣的管道采用夾套蒸汽管保溫以防堵塞，廢液由齒輪泵經雙聯式殘渣過濾器送往殘渣燒嘴。

啟動殘渣裝置時，只需在燃燒器控制器上將“廢液”開關調整在“開”的位置上。這時，廢液燃燒器鼓風機會自動啟動（風量約為770 kg/h，20℃，103 kPa）。霧化蒸汽截止閥自動開啟以加熱燃燒器噴槍，大約100 s之后廢液截止閥自動開啟，釋放廢液使其燃燒。廢液與空氣的比例以手動方式就地設定。每次燃燒熄火后，殘渣噴嘴一定要用蒸汽吹掃。通常，在燃燒器的燃燒負荷達到額定負荷的30%之后，才可以接通殘渣燃燒系統和尾氣燃燒系統。

2　導熱油爐的輔助設備

2.1導熱油循環泵

導熱油循環泵是輸送導熱油管道的心臟，是強制導熱油在管道系統中循環流動的關鍵設備。導熱油循環泵選擇的好壞，直接決定生產能否連續正常運行。在導熱油爐及導熱油管道系統設計中，應盡量將導熱油爐設置在用熱設備的附近，這樣可縮短導熱油的輸送距離，減少彎頭管件，同時也可減少高溫導熱油的滴漏及管道沿程阻力。由于導熱油溫度較高，管道應設置熱伸縮器。為了保證生產的連續及導熱油爐的安全運行，一般會選擇兩臺導熱油循環泵，采取“一用一備”的方式。導熱油循環泵的流量應為設計流量的1.10～1.15倍，揚程應為計算阻力的1.1～1.2倍（計算阻力為導熱油加熱爐本身管路、輸油系統和用熱設備等三部分的沿程阻力和局部阻力之和）。導熱油循環泵吸口處應安裝過濾油器。

對導熱油循環泵的基本要求是耐高溫和無泄漏，選型時要結合導熱油的黏度和系統流量，認真核算供熱系統的阻力。若揚程選用過高，將增加運行成本；若揚程選用偏低，將使系統循環油量減少，其供油溫差會加大，可能會影響生產用熱。若循環油量過低，將使導熱油加熱爐內的導熱油流速降低，從而增加導熱油在爐管內分解碳化結垢的風險。導熱油循環泵的選擇，應保證導熱油在加熱爐內輻射受熱管道中的流速大于2 m/s，在加熱爐內對流受熱管道中的流速大于1.5 m/s。

2.2膨脹槽

膨脹槽又稱高位槽，位于整個導熱油供熱循環系統的最高處。膨脹槽的有效容積至少應大于整個管網和導熱油爐內總油量因受熱膨脹而增加體積的1.3倍，同時應核算導熱油加熱爐需緊急置換冷卻時的儲油量。膨脹槽上應安裝膨脹管、溢流管、液位計等，溢流管上不能安裝閥門。膨脹槽的安裝位置應考慮防止導熱油噴出而引起火災的措施：一般不宜將膨脹槽安裝在導熱油加熱爐的正上方；膨脹槽底部與導熱油加熱爐頂部及供熱系統管路最高部位應有1.5 m以上的間距，且膨脹槽與油氣分離器的間距應大于1 m，以免供熱系統的熱量傳遞到膨脹槽內；膨脹槽內的導熱油應處于低溫狀態（一般不超過70℃），因此，膨脹槽和膨脹管不得采取保溫措施[3]。

膨脹槽正常工作時應保持高液位，以保證需要冷油置換時有足夠的導熱油來防止爐管內的導熱油超溫過熱。另外，膨脹槽的高液位也可避免正常停爐時因導熱油冷卻收縮而使空氣進入供熱系統的情況。膨脹槽上的液位計應有低液位報警器功能，以防止氣體進入供熱系統。

膨脹槽在系統中有下列作用：（1）作為高位槽可以補充壓頭；（2）起補充導熱油的作用，在向系統中注油時，可將導熱油注入膨脹槽內，由膨脹槽流到加熱爐及加熱系統中；（3）在新油裝入系統后或在液相爐升溫過程中，排除液相爐和加熱系統中的氣體；（4）突然停電時，可以利用膨脹槽中的低溫導熱油置換加熱爐中的高溫導熱油；（5）作為防止因導熱油加熱后膨脹（每升溫100℃，體積膨脹7%）而使供熱系統超壓的安全裝置，儲存導熱油的膨脹量。

在正常運行時，保持膨脹槽內的導熱油處于低溫（不超過70℃）狀態。此外，還要防止系統內加熱的導熱油和空氣接觸，以削弱空氣中氧氣對導熱油的氧化分解作用，延長導熱油使用壽命。膨脹槽的容量大小要根據爐子及系統確定，一般應大于導熱油膨脹量的3倍；膨脹槽的位置在儲油槽的正上方較為合適。導熱油膨脹后體積（V）的計算公式為：

式中，V為導熱油在使用溫度下膨脹后的體積，m3；

Vo為管道及設備的容積，m3；

β為導熱油的膨脹系數；

T為工作條件下的油溫，℃；

Ta為環境溫度，℃。

2.3儲油槽

儲油槽又稱低位槽，主要用于系統儲油。循環系統發生故障時，可將導熱油放入儲油槽內，其容積根據設備工藝管道長度確定，一般按（1.3～1.5）Vo，即管道及設備所容納油量的1.3～1.5倍，來設計儲油槽的容積。儲油槽的其他功能如下：（1）提供和回收整個供熱系統需要的導熱油；（2）運行中補給供熱系統需要添加的導熱油；（3）接收膨脹槽油位超高時溢流的導熱油或當膨脹槽油位過低時補給導熱油；（4）接收由于熱膨脹而從加熱爐頂部安全閥處溢流的氣相導熱油。

根據儲油槽的使用功能，儲油槽的容積應不小于導熱油加熱爐供熱循環系統中導熱油總量的1.3倍；儲油槽應安裝在加熱系統的最低處，以便需要時排空供熱循環系統中的導熱油；儲油槽與導熱油加熱爐之間需用防火墻隔開；儲油槽應裝有液位計、排氣管、進油管、出油管等，并應將排氣管接到安全地點，且排氣管上不得設置閥門；儲油槽正常工作時應處于低液位，準備隨時接收流入的導熱油。

2.4油氣分離器

油氣分離器的作用是分離并排出供熱系統中的空氣、水蒸氣及其他氣體，從而保證導熱油在液相無氣的狀態下穩定運行。油氣分離器一般采用離心式分離器，為保證排氣通暢，防止油氣沖入高位槽發生噴油現象，選用四管式油氣分離器為宜。

2.5過濾器

導熱油過濾器的作用是過濾并清除導熱油循環供熱系統中的異物，如導熱油在運行中產生的聚合物或殘炭等，一般利用金屬網粗過濾將其去除。此外，導熱油在運行中也會因局部過熱而生成焦炭顆粒及少量高聚物，對運行不利。所以在有特殊要求時，建議使用不銹鋼過濾管形過濾器作為精過濾器。過濾器宜設置兩組，以便清洗時系統能照常運行。

2.6注油泵

注油泵一般采用齒輪油泵，其主要功能如下：（1）將油箱中的導熱油輸送到儲油槽內；（2）將儲油槽內的導熱油由低向高輸入整個供熱系統；（3）將儲油槽內的導熱油輸送到膨脹槽內；（4）將全循環系統的導熱油送回儲油槽內。

3　延長導熱油的使用壽命

導熱油循環系統投入運行時，即使儀表上的讀數正常，也并不表示導熱油能長期安全使用，因此必須在系統設計、設備選型、導熱油選用、操作管理等方面加以優化，并定期對導熱油的黏度、閃點、殘炭、酸值等物化指標進行化驗監測。

通常引起導熱油變質、老化的主要原因是裂解、氧化以及與其他有害物的混合及反應[4]。

3.1裂解問題

導熱油發生裂解的原因是局部過熱使導熱油溫度超過允許值。它主要發生在加熱爐的受熱管內壁，其溫度超過了導熱油允許的油膜溫度。溫度過高可能是下列原因引起的：（1）加熱爐設計不合理；（2）加熱爐超負荷運行；（3）操作問題（如流量過小等）；（4）某些原因導致循環油泵停止，從而使爐膛溫度過高；（5）導熱油的質量問題。

3.2氧化問題

導熱油（礦物型或合成型）在空氣中均會發生氧化，因此必須盡量減緩其氧化速率。

氧化速率與油脂同氧氣的接觸面積成正比，而其與油脂溫度的關系更密切。油溫每升高10℃，其氧化速率就會提高近一倍。因此，防止油脂快速氧化的措施著重在于減少導熱油和氧氣的接觸面積，以及降低接觸面溫度。

3.3導熱油報廢指標

按照國家標準，目前國內導熱油的報廢指標主要按照以下4項來判定：（1）酸值達到0.5 mgKOH/g；（2）黏度變化達到15%；（3）閃點變化達到20%；（4）殘炭達到1.5%。

以上四項指標，測定后須進行綜合分析，如有兩項及以上指標不合格，該導熱油應予以更換。

新導熱油使用半年后化驗一次；三個月后，再取小樣進行化驗，取樣量為2 L。

4　導熱油爐循環供熱系統的安全聯鎖控制

三臺導熱油爐燃料為燃料油、尾氣或殘渣，用以加熱導熱油使其進入循環供熱系統。其安全聯鎖控制如下：導熱油爐輸出HTM的最高溫度報警及最大壓力報警；導熱油爐內九組盤管都設有輸出導熱油的最高溫度報警；導熱油爐內循環導熱油的最小流量報警；導熱油爐出口煙氣的最高溫度報警；供熱系統的膨脹槽最低液位報警；燃料油管道中最低輸送壓力報警；燃料油最低溫度報警；燃燒空氣最低壓力報警；霧化蒸汽最低壓力報警。以上報警均將引起導熱油爐燃燒器的停車和殘渣燃燒系統的停車，并由中央控制室和現場控制板發出警報信號[5]。

5　結語

導熱油加熱系統是由導熱油爐及配套輔機、導熱油供熱循環系統、用熱設備和導熱油等幾部分組成。導熱油加熱技術獲得了迅速發展，在全國數十個行業近百種生產工藝過程中得到廣泛應用。從實踐來看，采用導熱油加熱技術后，取得了節約燃料、節電、節水的良好經濟效益；產品質量得以提升，社會效益十分顯著。采用導熱油作為液相強制循環供熱，具有以水作為導熱介質所不能比擬的優點：在較低的壓力下能獲得較高的溫度；傳熱均勻、安全可靠、操作簡單；可以較精確地控制生產工藝溫度；液相循環供熱、無廢熱排放的熱損失；避免了給水、排放處理工序。

當然，采用導熱油作為液相循環傳熱介質，也有一些特殊的使用要求，這就需要在進行加熱系統設計時,作出詳細的計算分析并進行周密的工程考慮。

[1]汪琦.載熱體加熱爐的傳熱研究[J].化工裝備技術, 1995,16(5)：18-23.

[2]汪琦,汪萍.載熱體加熱爐燃燒過程的研究[J].化工裝備技術,1997,18(6)：7-12.

[3]汪琦.載熱體加熱系統的工藝流程[J].化工裝備技術, 1994,15(1)：8-10.

[4]汪琦,俞紅嘯,張慧芬,等.導熱油爐的清灰除焦與運行檢驗研究[J].化工裝備技術,2015,36(2)：10-12,20.

[5]汪琦,俞紅嘯,蔣偉忠,等.載熱體加熱爐計算機控制技術[J].化工裝備技術,2012,33(2)：49-51.

Research on the Application of Cyclic Heating System with Heat Transfer Oil Furnaces in Esterification-polycondensation Reactor

Wang Qi Yu Hongxiao Zhang Huifen Ji Bingkui Ji Jun

The combustion system of heat transfer oil furnace is discussed,which is mainly based on the combustion of fuel oil,and supplemented by the combustion of tail gas and residue,and the co-combustion process of main combustion and supplementary combustion is given.The roles and functions of heat transfer oil furnace and auxiliary equipments in cyclic heating system are analyzed,and the methods for design and selection of hot oil pump,expansion tank,oil tank, oil-gas separator,filter,and filling pump are studied.The indexes of discarding heat transfer oil are given.The measure for prolonging the service life of heat transfer oil is put forward,that is preventing its rapid oxidation,including decreasing the contact area of conducting oil and oxygen,and reducing the temperature of contact surface.At last,the safety interlocking control requirements of cyclic heating system with heat transfer oil furnaces are summarized.

Heat transfer oil furnace；Esterification-polycondensation；Combustion system；Auxiliary equipment；Safety interlocking control

TQ205

汪琦男1961年生碩士高級工程師目前從事熱載體加熱技術、新能源技術、熱油爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作

2015年12月