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热定型机的节能减排环保供热方法研究

2019-09-02上海热油炉设计开发中心 汪琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

内容摘要:分析了纺织印染行业中的热定型机清洁环保供热方法,包括天然气直燃式热风炉供热方法、天然气导热油炉供热方法、热电厂中压中温蒸汽供热方法,研究了天然气直燃式热风炉和天然气导热油炉的结构型式及使用方法,讨论了热电厂集中供热的中压中温蒸汽在热定型机上的使用方式,最后介绍了纺织印染行业中采用的太阳能供热水系统。

关键词:热定型机  天然气  中压中温蒸汽  热风炉  导热油炉   太阳能供热

1 前言

印染是提高纺织附加值的关键环节,是纺织行业转型升级的重点。热定型机是纺织印染后整理的关键设备,热风拉幅定型机由预热区、定型区、冷却区三个部分构成。印染行业加工每1吨针织布,约需耗煤1.5吨,其中热定型机占40%,而热定型机工作中织物消耗的热能仅占29%,机体热能的消耗占10%,废气排放散发的热能达到61%。通常热定型机的清洁环保供热方式有天然气直燃式热风炉供热、燃天然气导热油炉供热、或热电厂中压中温蒸汽供热等几种方法。

2 天然气直燃式热风炉供热

天然气是从自然界直接收集和开采得到的,不需要经过再加工,即可投入使用的气体燃料。气田天然气是储集在地下岩石孔隙和裂缝中的纯气藏,气田天然气的主要成份是甲烷,体积分数大于90%,另外还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和非烃气体。因此,气田天然气有较高的热值,标态下低位热值约为3500039000KJ/m3。油田天然气是与原油共存的,或是石油开采过程中压力降低析出的气体燃料,油田天然气的主要成份是甲烷,体积分数为80%左右,另外还含有一些其它烃类,标态下低位热值约为3900044000KJ/m3,一般要高于气田天然气。

天然气在燃烧过程中容易与空气充分混合,使用最少的空气就可以保证稳定燃烧,从而减少了排烟热损失,提高了直燃式热风炉的热效率。并且由于天然气在燃烧过程中与氧气的混合及时充分,从而提高了混合气体的燃烧速度,减少了燃烧室的空间尺寸,另外天然气中含有的灰分和硫分很少,故燃烧时不会出现高温结渣和腐蚀现象。

天然气直燃式热风炉采用高速交叉回流旋卷的工作原理,炉体由燃烧室、保温层、炉壳体等组合构成。燃烧室采用扇形耐火砖、耐热层和保温层砌筑而成,在尾部汇流成混合段。燃烧器选用低氮燃天然气型,热风温度可以根据印染定型的工艺条件进行设定,升温速度快、温控精度高,可以满足定型机的供热需要。

天然气燃烧时有一定的速度,当天然气在空气中的浓度处于燃烧极限浓度范围内,而且天然气在燃烧器出口的流速低于燃烧速度时,火焰就会向天然气来源的方向传播而产生回火。炉膛温度越高,火焰传播速度越快,越易产生回火。回火将烧损燃烧器,严重时还会在燃气管道内发生燃气爆炸。

反之,若天然气在燃烧器出口的流速高于燃烧速度时,会使着火点远离燃烧器而产生脱火。低负荷运行时炉膛温度偏低,更易产生脱火。脱火将使燃烧不稳定,严重时可能导致单只燃烧器或炉膛熄火。

天然气的速度是由天然气压力转换来的。如果天然气管道压力突然变化,或者调压站的调压阀、热风炉天然气调节阀的特性不佳,使得进入热风炉的天然气压力忽高忽低,以及风量调节不当等因素,都可能造成燃烧器出口气流的不稳定,引起回火或脱火。

防止出现回火及脱火主要应控制天然气的压力,保持在规定的数值范围内。为了预防回火可能产生的事故,在天然气管道上应装设有阻火器(回火器)装置。当天然气的压力过低而未能及时发现后,阻火器可使火焰自动熄灭,从而保证燃烧器和热风炉的安全。

当发生回火或脱火故障时,应迅速查明原因,并及时处理,首先应检查天然气压力是否正常。若压力过低,应对整个天然气管道进行检查。若是热风炉的天然气管道压力降低了,则应先检查调压站的进气压力,如果是进气压力降低了,应该联系供气站提高供气压力。若是进气压力正常,则应检查调压阀是否有故障,并故排除,同时可切换投入备用调压阀,并开启旁通阀。若采取上述措施仍然没有效果时,则应检查整个天然气管道中是否有泄漏现象,应该关闭的阀门(如排空阀)是否有未关好等情况,并应设法消除及纠正。若仅是热风炉前的天然气管道压力降低了,则应检查该段管道上的各阀门是否正常,开度是否合适,是否出现了泄漏现象,并应及时排除和纠正故障。

反之,若天然气压力过高,应该分段检查整个天然气管道上的各调节阀门是否正常,其次检查各燃烧器的风门开度是否合适,最后检查风道上的总风压和各燃烧器前的风压是否偏高等情况,并进行相应的调整和改善。

天然气直燃式热风炉的燃烧方法简单,容易实现自动化、智能化,点火、停炉操作简单,并可实现冷炉点火,过量空气系数可以接近1.0,排烟热损失小,无灰渣产生,有害气体的排放量也较小,故有利于保护环境。应用天然气直燃式热风炉供热印染定型机的能耗要低,这是因为天然气直燃式热风炉供热定型机时,热能没有经过多次热交换的过程,所以热能利用效率最高。笔者设计开发的燃烧天然气直接式热风炉的主要性能参数如表1所示。

1     燃烧天然气直接式热风炉的主要性能参数

型号

3万大卡/小时

4万大卡/小时

6万大卡/小时

100万大卡/小时

12万大卡/小时

20万大卡/小时

30万大卡/小时

50万大卡/小时

额定供热量/MW

0.35

0.47

0.7

1.2

1.4

2.4

3.5

6.0

最高供热温度/

600

600

600

600

600

600

600

600

供热风流量/m3·h-1

250001800

290002400

450003700

840006300

1120007500

16500013000

24800020100

41200033600

热效率%

92

92

92

93

93

94

94

95

天然气消耗量/m3·h-1

40

53

79

131

158

264

395

658

炉子长度/mm

3800

4200

5000

6000

6400

7000

8200

9200

炉子宽度/mm

1400

1500

1800

2000

2100

2300

2800

3300

炉子高度/mm

1800

1900

2100

2300

2400

2600

3100

3600

炉子重量/t

3.2

5.1

6.3

9.5

11.6

15.7

21.2

29.5

3 天然气导热油炉供热

由于天然气便于输送,并且天然气导热油炉的燃烧容易调节及控制,大气污染物的排放量相对于煤炭燃料更容易达到环保的要求,所以,天然气导热油炉目前在纺织印染热定型机中使用所占的比例也越来越高。同时由于天然气直燃式热风炉供热定型机时,对漂白产品质量会有影响,所以为了保证漂白产品的质量要求,会采用天然气导热油炉供热印染定型机。

天然气导热油炉本体结构通常采用圆形盘管结构,并且在盘管圈与盘管圈为并联布置的情况下,使用立式结构的天然气导热油炉,在运行使用过程中,由于导热油是在盘管中螺旋上升,故有利于气体排气;而在停炉检修时,圆形盘管内导热油可以自由流动,便于盘管内导热油的排空。立式天然气导热油炉的燃烧器采用炉顶布置结构形式,天然气通过燃烧喷嘴在内圈盘管中的燃烧室内部向下喷燃,高温烟气在燃烧室的底部顺流进入内圈盘管与中圈盘管之间的第二回程烟气通道,并从上部折向外圈盘管与中圈盘管之间构成的第三回程烟气通道,最后烟气从炉体下部的出烟口排出。三圈盘管是通过上、下集箱管并联连接,导热油是从下部的集箱管进入炉体内,并从上部的集箱管引出炉体外,因此这种炉体结构是便利于气体排气和导热油排空。

立式结构的天然气导热油炉各部分构件的重量一般是通过支撑件的支撑于炉体底座上,由于炉体燃烧室下部烟气出口处的烟温较高,故采用内圈盘管的支撑元件必须具有耐高温的性能。因此在一些结构设计上通常在内圈盘管下部把管间节距拉开,来形成燃烧室的出烟窗,并使内圈盘管延伸至底部,直接支撑于底座上。也有通过底座上部的内圈盘管与中圈盘管之间设置固定支撑装置,使内圈盘管支撑在中圈盘管上,重量由中圈盘管传至底座上,这种支撑方式就使得固定支撑装置处于烟气低温区域,从而降低了固定支撑装置的耐温要求。

在自动控制设计开发时,天然气导热油炉通常采用可编程控制器与触摸屏、组态监控系统的智能化控制检测系统,从而具有了完善的安全保护措施,同时要严格按照点火程序自动点火、以及进行天然气燃烧的测控,并且采用PID调节导热油出口温度等多项功能。而智能化控制检测系统包括熄火快速切断天然气控制、导热油循环泵闭锁控制、导热油炉出口油温调节和风机调速系统、高位膨胀槽内导热油液位检测控制系统等多个组成部分。

在印染生产工艺的中、后整理过程中需要进行热载体加热,尤其是热定型机需要提供高达180250定型温度,用于化纤织造物定型工艺要求,因此采用天然气导热油炉供热,完全可以满足各类印染定型工艺所需。在天然气导热油炉的生产使用操作过程中,可根据导热油炉出口油温自动调节天然气的流量及鼓风量,从而可以调节出口导热油温度达到生产加工的工艺要求。而如果一旦发生了熄火现象,可以迅速切断天然气,从而保证了天然气导热油炉及加工生产线的安全性和可靠性,并且保证导热油循环供热系统达到了最优化的控制。

天然气导热油炉智能化控制检测系统可随时将导热油循环供热系统中的各个生产加工设备的运行、停止、异常、测控参数、火焰点燃以及天然气燃烧等情况显示在电脑触摸屏上,同时也可以进行远程传送,以备远程监视和控制。笔者设计开发的燃烧天然气卧式导热油炉的主要性能参数如表2所示。

2 卧式燃烧天然气导热油炉的主要性能参数

型号

20万大卡/小时

30万大卡/小时

50万大卡/小时

60万大卡/小时

75万大卡/小时

100万大卡/小时

120万大卡/小时

150万大卡/小时

200万大卡/小时

300万大卡/小时

400万大卡/小时

500万大卡/小时

600万大卡/小时

额定供热量/MW

0.24

0.35

0.6

0.7

0.87

1.2

1.4

1.8

2.4

3.5

4.6

6.0

7.0

额定工作压力/MPa

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

最高供热温度/

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

热效率%

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

炉内容油量/m3

0.23

0.39

0.61

0.85

1.02

1.35

1.62

1.85

2.16

3.45

4.45

5.46

6.54

循环油量/m3h-1

18

30

50

50

60

100

100

100

160

230

250

300

400

导热油进出口径/mm

50

80

100

100

125

125

125

150

200

200

250

250

250

全系统装机容量/kw

17

17

27

28

40

40

40

45

70

85

85

100

100

天然气消耗量/m3h-1

31

47

79

95

119

158

190

238

317

476

635

793

952

炉子长度/mm

2050

2370

3420

3580

4020

4610

4760

4900

5200

5750

6750

6980

7090

炉子宽度/mm

1260

1470

1600

1760

1980

2200

2350

2500

2800

2880

3210

3450

3680

炉子高度/mm

1510

1680

1870

1960

2250

2450

2500

2750

3050

3340

3610

3820

4110

炉子重量/t

1.6

2.6

3.9

4.2

5.2

7.3

8.6

9.8

13.6

19.6

31.2

42.0

48.5

4 热电厂中压中温蒸汽供热

采用热电厂集中供热的方式直接供给中压2.52.8MPa过热蒸汽的温度为260,可以满足定型工艺温度150220区间要求,而在低压0.50.8MPa时饱和蒸汽温度较低,一般小于150烘燥温度,故只能对棉布热定型。而化纤织物定型温度至少要达到180℃以上的烘燥温度,对应的蒸汽饱和压力为1.6MPa以上;氨纶等织物则需要220℃烘燥温度,对应的蒸汽饱和压力为2.6MPa以上,故需要利用其汽化潜热来定型化纤织物。因此采用过热蒸汽直接在定型机中进行热交换,对织物进行加热定型是安全可靠、且热效率较高,使用完后的蒸汽排放可通过集中整治的方式进行,故能很好地控制环境污染,综上所述采用热电厂中压中温蒸汽供热定型机是一种比较好的节能减排方法。

以下是热电厂中压中温蒸汽供热定型机的能耗成本计算比较,如果按照中压中温过热蒸汽价格为212/吨,按照导热油炉热效率70%、导热油传输热效率95%,热电厂蒸汽锅炉热效率88%、蒸汽传输热效率90%测算[7],在以下三种情况下的能耗计算成本为:

4.1 蒸汽定型后的高温凝结水全部回收利用

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,则中压中温蒸汽定型成本相比导热油定型成本要低13.7%、节能29.42%

4.2 蒸汽定型后的低压蒸汽回收利用

蒸汽定型后的低压蒸汽回收利用、100℃的凝结水热量不回收利用的情况下,则中压中温蒸汽定型成本相比导热油定型成本要低3.96%、节能18.24%

4.3蒸汽定型后的中压中温凝结水全部不回收利用

蒸汽定型后的中压中温凝结水全部不回收利用的情况下,则中压中温蒸汽定型成本比导热油定型成本需要增加能耗7.7%、成本上升16.76%

所以从100℃的凝结水回收利用的计算结果分析可知,印染企业通过安装凝结水回收装置后可以回收利用全部闪蒸汽、100℃凝结水的水量也可以全部回收利用,则中压中温蒸汽定型后的余热可以全部或部分回收利用。

5 太阳能供热水系统

5.1 纺织印染采用的太阳能供热水系统

纺织印染采用的太阳能供热水系统主要是由以下四个部分组成:

(1) 太阳能集热器

太阳能集热器是吸收太阳光能,并把光能转化为热能的装置[8],从而可以把冷水加热成为热水。

(2) 热水池

热水池是用来储存已经被太阳能集热器加热之后、并且温度已经达标的热水。

(3) 余热回收装置

余热回收装置是用来吸收印染废水中的余热,从而使冷水升温变为热水的节能装置。

(4) 供水管道系统

5.2 太阳能供热水系统的使用原理

晴天的时候,当太阳光把太阳能集热器内的冷水加热至温度60(此温度是可以进行标定设置)时,冷水管道上的电磁阀门会自动打开,冷水会被自来水的压力压入太阳能集热板内,并把集热板内已经被加热好的热水挤压到热水池中储存待用,当冷水到达集热板出口处的温度探测器位置时,如果温度探测器的温度显示低于60时,电磁阀门就会立刻关闭,冷水则会停留在太阳能集热板内被太阳光能继续加热,13分钟以后,水温又会达到60,这时电磁阀门会再次打开,太阳能集热板内的热水会被挤压进入到热水池中,按照此规律不断的运行,太阳能集热器就会一次又一次产生热水进入到热水池中,这样热水池内的热水就会逐渐增加,一直到热水池内的热水装满为止。

热水池内的热水装满之后,太阳能集热器就会停止进入冷水,如果这时候天空之中还有太阳光,那么为了充分利用太阳能,循环热水泵就会自动开启运转,把热水池内的温度为60热水抽取出来,并挤压进入太阳能集热器内,这样经过太阳能集热器的不断循环加热,就可以使热水的温度进一步升高。

在印染过程中使用热水时,热水会从热水池中被抽取出来进入到染洗设备内,同时冷水管道和蒸汽管道也会向染洗设备内分别输入冷水和蒸汽,以此用来调节染洗设备内的水温。而经过染洗设备的染洗之后热水就会变成为印染废水,但是印染废水的内部还是会具有较高温度和热能,所以为了充分利用印染废水中的热能,印染废水将会通过污水管道输入到平板式热交换器内,这样通过热交换器就可以回收印染废水中的热能,把干净的冷水加热变成为干净的热水,而被加热后的干净热水则会被输入到热水池中储存。同时降温之后的印染废水则会通过排水管道排出,并进入到污水处理装置内进行环保处理。

6 结束语

随着国家环境保护税法从201811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元至12元,水污染物的税额幅度为每污染当量1.4元至14元。具体税额是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、山东等地。

纺织印染热定型工艺流程是根据不同的织物、添加不同的化工助剂、加热到织物定型所需的温度,并将织物适当拉伸,达到工艺要求所需的尺寸、密度、克重,从而使得织物具有较好的稳定形态和品质。印染热定型机加工棉制品的废气排放温度一般为100110,加工化纤制品的废气排放温度一般为160170,故热能浪费十分严重。所以,印染行业中能耗和水耗的降低、污染治理与达标排放、清洁环保的供热方法使用,应该是保护环境的关键措施,而纺织印染用的太阳能供热水系统的方法,则是一种降低印染行业中能耗和水耗的实用方法。另外,印染热定型机的清洁环保供热方法,目前可以采用多种途经和方法,现在纺织印染行业通常是采用天然气直燃式热风炉供热、天然气导热油炉供热、热电厂中压中温蒸汽供热等一些实用的方法。

参考文献:

[1] 汪琦,俞红啸,张慧芬,等. 导热油炉循环供热系统与导热油使用运行研究[J]. 上海化工,201843(4)3033.

[2] 汪琦. 新型间接式热风炉的设计开发[J]. 化工装备技术,2001,22(2)1517.

[3] 汪琦. 国外有机热载体加热炉的结构设计[J]. 化工装备技术,200728(1)3337.

[4] 汪琦,俞红啸,张慧芬. 燃沼气导热油炉的设计开发[J]. 上海化工,201742(1)2729.

[5] 汪琦,俞红啸,张慧芬,等. 导热油循环供热系统的自动控制技术研究[J]. 上海化工,201742(3)3639.

[6] 汪琦,季炳奎,俞红啸. 导热油供热系统在印染业中节能效果和经济效益[J]. 化工装备技术,201132(4)4044.

[7] 汪琦,俞红啸,张慧芬,等. 提高导热油炉热效率方法探讨[J]. 染整技术,201840(3)3135.

[8] 汪琦,俞红啸,张慧芬. 太阳能光热发电中导热油结焦机理与清洗技术的研究[J]. 上海化工,201641(12)2225

(第一作者简介:汪琦,男,196110月生,硕士,高级工程师,目前从事热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。电子邮箱:13817605032@163.com,联系电话:13311629783

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