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熱定型機的節能減排環保供熱方法研究

2019-09-02上海熱油爐設計開發中心 汪琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

內容摘要:分析了紡織印染行業中的熱定型機清潔環保供熱方法,包括天然氣直燃式熱風爐供熱方法、天然氣導熱油爐供熱方法、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱方法,研究了天然氣直燃式熱風爐和天然氣導熱油爐的結構型式及使用方法,討論了熱電廠集中供熱的中壓中溫蒸汽在熱定型機上的使用方式,最后介紹了紡織印染行業中采用的太陽能供熱水系統。

關鍵詞:熱定型機? 天然氣? 中壓中溫蒸汽? 熱風爐? 導熱油爐?? 太陽能供熱

1 前言

印染是提高紡織附加值的關鍵環節,是紡織行業轉型升級的重點。熱定型機是紡織印染后整理的關鍵設備,熱風拉幅定型機由預熱區、定型區、冷卻區三個部分構成。印染行業加工每1噸針織布,約需耗煤1.5噸,其中熱定型機占40%,而熱定型機工作中織物消耗的熱能僅占29%,機體熱能的消耗占10%,廢氣排放散發的熱能達到61%。通常熱定型機的清潔環保供熱方式有天然氣直燃式熱風爐供熱、燃天然氣導熱油爐供熱、或熱電廠中壓中溫蒸汽供熱等幾種方法。

2 天然氣直燃式熱風爐供熱

天然氣是從自然界直接收集和開采得到的,不需要經過再加工,即可投入使用的氣體燃料。氣田天然氣是儲集在地下巖石孔隙和裂縫中的純氣藏,氣田天然氣的主要成份是甲烷,體積分數大于90%,另外還含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和非烴氣體。因此,氣田天然氣有較高的熱值,標態下低位熱值約為3500039000KJ/m3。油田天然氣是與原油共存的,或是石油開采過程中壓力降低析出的氣體燃料,油田天然氣的主要成份是甲烷,體積分數為80%左右,另外還含有一些其它烴類,標態下低位熱值約為3900044000KJ/m3,一般要高于氣田天然氣。

天然氣在燃燒過程中容易與空氣充分混合,使用最少的空氣就可以保證穩定燃燒,從而減少了排煙熱損失,提高了直燃式熱風爐的熱效率。并且由于天然氣在燃燒過程中與氧氣的混合及時充分,從而提高了混合氣體的燃燒速度,減少了燃燒室的空間尺寸,另外天然氣中含有的灰分和硫分很少,故燃燒時不會出現高溫結渣和腐蝕現象。

天然氣直燃式熱風爐采用高速交叉回流旋卷的工作原理,爐體由燃燒室、保溫層、爐殼體等組合構成。燃燒室采用扇形耐火磚、耐熱層和保溫層砌筑而成,在尾部匯流成混合段。燃燒器選用低氮燃天然氣型,熱風溫度可以根據印染定型的工藝條件進行設定,升溫速度快、溫控精度高,可以滿足定型機的供熱需要。

天然氣燃燒時有一定的速度,當天然氣在空氣中的濃度處于燃燒極限濃度范圍內,而且天然氣在燃燒器出口的流速低于燃燒速度時,火焰就會向天然氣來源的方向傳播而產生回火。爐膛溫度越高,火焰傳播速度越快,越易產生回火。回火將燒損燃燒器,嚴重時還會在燃氣管道內發生燃氣爆炸。

反之,若天然氣在燃燒器出口的流速高于燃燒速度時,會使著火點遠離燃燒器而產生脫火。低負荷運行時爐膛溫度偏低,更易產生脫火。脫火將使燃燒不穩定,嚴重時可能導致單只燃燒器或爐膛熄火。

天然氣的速度是由天然氣壓力轉換來的。如果天然氣管道壓力突然變化,或者調壓站的調壓閥、熱風爐天然氣調節閥的特性不佳,使得進入熱風爐的天然氣壓力忽高忽低,以及風量調節不當等因素,都可能造成燃燒器出口氣流的不穩定,引起回火或脫火。

防止出現回火及脫火主要應控制天然氣的壓力,保持在規定的數值范圍內。為了預防回火可能產生的事故,在天然氣管道上應裝設有阻火器(回火器)裝置。當天然氣的壓力過低而未能及時發現后,阻火器可使火焰自動熄滅,從而保證燃燒器和熱風爐的安全。

當發生回火或脫火故障時,應迅速查明原因,并及時處理,首先應檢查天然氣壓力是否正常。若壓力過低,應對整個天然氣管道進行檢查。若是熱風爐的天然氣管道壓力降低了,則應先檢查調壓站的進氣壓力,如果是進氣壓力降低了,應該聯系供氣站提高供氣壓力。若是進氣壓力正常,則應檢查調壓閥是否有故障,并故排除,同時可切換投入備用調壓閥,并開啟旁通閥。若采取上述措施仍然沒有效果時,則應檢查整個天然氣管道中是否有泄漏現象,應該關閉的閥門(如排空閥)是否有未關好等情況,并應設法消除及糾正。若僅是熱風爐前的天然氣管道壓力降低了,則應檢查該段管道上的各閥門是否正常,開度是否合適,是否出現了泄漏現象,并應及時排除和糾正故障。

反之,若天然氣壓力過高,應該分段檢查整個天然氣管道上的各調節閥門是否正常,其次檢查各燃燒器的風門開度是否合適,最后檢查風道上的總風壓和各燃燒器前的風壓是否偏高等情況,并進行相應的調整和改善。

天然氣直燃式熱風爐的燃燒方法簡單,容易實現自動化、智能化,點火、停爐操作簡單,并可實現冷爐點火,過量空氣系數可以接近1.0,排煙熱損失小,無灰渣產生,有害氣體的排放量也較小,故有利于保護環境。應用天然氣直燃式熱風爐供熱印染定型機的能耗要低,這是因為天然氣直燃式熱風爐供熱定型機時,熱能沒有經過多次熱交換的過程,所以熱能利用效率最高。筆者設計開發的燃燒天然氣直接式熱風爐的主要性能參數如表1所示。

1???? 燃燒天然氣直接式熱風爐的主要性能參數

型號

3萬大卡/小時

4萬大卡/小時

6萬大卡/小時

100萬大卡/小時

12萬大卡/小時

20萬大卡/小時

30萬大卡/小時

50萬大卡/小時

額定供熱量/MW

0.35

0.47

0.7

1.2

1.4

2.4

3.5

6.0

最高供熱溫度/

600

600

600

600

600

600

600

600

供熱風流量/m3·h-1

250001800

290002400

450003700

840006300

1120007500

16500013000

24800020100

41200033600

熱效率%

92

92

92

93

93

94

94

95

天然氣消耗量/m3·h-1

40

53

79

131

158

264

395

658

爐子長度/mm

3800

4200

5000

6000

6400

7000

8200

9200

爐子寬度/mm

1400

1500

1800

2000

2100

2300

2800

3300

爐子高度/mm

1800

1900

2100

2300

2400

2600

3100

3600

爐子重量/t

3.2

5.1

6.3

9.5

11.6

15.7

21.2

29.5

3 天然氣導熱油爐供熱

由于天然氣便于輸送,并且天然氣導熱油爐的燃燒容易調節及控制,大氣污染物的排放量相對于煤炭燃料更容易達到環保的要求,所以,天然氣導熱油爐目前在紡織印染熱定型機中使用所占的比例也越來越高。同時由于天然氣直燃式熱風爐供熱定型機時,對漂白產品質量會有影響,所以為了保證漂白產品的質量要求,會采用天然氣導熱油爐供熱印染定型機。

天然氣導熱油爐本體結構通常采用圓形盤管結構,并且在盤管圈與盤管圈為并聯布置的情況下,使用立式結構的天然氣導熱油爐,在運行使用過程中,由于導熱油是在盤管中螺旋上升,故有利于氣體排氣;而在停爐檢修時,圓形盤管內導熱油可以自由流動,便于盤管內導熱油的排空。立式天然氣導熱油爐的燃燒器采用爐頂布置結構形式,天然氣通過燃燒噴嘴在內圈盤管中的燃燒室內部向下噴燃,高溫煙氣在燃燒室的底部順流進入內圈盤管與中圈盤管之間的第二回程煙氣通道,并從上部折向外圈盤管與中圈盤管之間構成的第三回程煙氣通道,最后煙氣從爐體下部的出煙口排出。三圈盤管是通過上、下集箱管并聯連接,導熱油是從下部的集箱管進入爐體內,并從上部的集箱管引出爐體外,因此這種爐體結構是便利于氣體排氣和導熱油排空。

立式結構的天然氣導熱油爐各部分構件的重量一般是通過支撐件的支撐于爐體底座上,由于爐體燃燒室下部煙氣出口處的煙溫較高,故采用內圈盤管的支撐元件必須具有耐高溫的性能。因此在一些結構設計上通常在內圈盤管下部把管間節距拉開,來形成燃燒室的出煙窗,并使內圈盤管延伸至底部,直接支撐于底座上。也有通過底座上部的內圈盤管與中圈盤管之間設置固定支撐裝置,使內圈盤管支撐在中圈盤管上,重量由中圈盤管傳至底座上,這種支撐方式就使得固定支撐裝置處于煙氣低溫區域,從而降低了固定支撐裝置的耐溫要求。

在自動控制設計開發時,天然氣導熱油爐通常采用可編程控制器與觸摸屏、組態監控系統的智能化控制檢測系統,從而具有了完善的安全保護措施,同時要嚴格按照點火程序自動點火、以及進行天然氣燃燒的測控,并且采用PID調節導熱油出口溫度等多項功能。而智能化控制檢測系統包括熄火快速切斷天然氣控制、導熱油循環泵閉鎖控制、導熱油爐出口油溫調節和風機調速系統、高位膨脹槽內導熱油液位檢測控制系統等多個組成部分。

在印染生產工藝的中、后整理過程中需要進行熱載體加熱,尤其是熱定型機需要提供高達180250定型溫度,用于化纖織造物定型工藝要求,因此采用天然氣導熱油爐供熱,完全可以滿足各類印染定型工藝所需。在天然氣導熱油爐的生產使用操作過程中,可根據導熱油爐出口油溫自動調節天然氣的流量及鼓風量,從而可以調節出口導熱油溫度達到生產加工的工藝要求。而如果一旦發生了熄火現象,可以迅速切斷天然氣,從而保證了天然氣導熱油爐及加工生產線的安全性和可靠性,并且保證導熱油循環供熱系統達到了最優化的控制。

天然氣導熱油爐智能化控制檢測系統可隨時將導熱油循環供熱系統中的各個生產加工設備的運行、停止、異常、測控參數、火焰點燃以及天然氣燃燒等情況顯示在電腦觸摸屏上,同時也可以進行遠程傳送,以備遠程監視和控制。筆者設計開發的燃燒天然氣臥式導熱油爐的主要性能參數如表2所示。

2 臥式燃燒天然氣導熱油爐的主要性能參數

型號

20萬大卡/小時

30萬大卡/小時

50萬大卡/小時

60萬大卡/小時

75萬大卡/小時

100萬大卡/小時

120萬大卡/小時

150萬大卡/小時

200萬大卡/小時

300萬大卡/小時

400萬大卡/小時

500萬大卡/小時

600萬大卡/小時

額定供熱量/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

額定工作壓力/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

最高供熱溫度/

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

340

熱效率%

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

85

爐內容油量/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

循環油量/m3h-1

18

30

50

50

60

100

100

100

160

230

250

300

400

導熱油進出口徑/mm

50

80

100

100

125

125

125

150

200

200

250

250

250

全系統裝機容量/kw

17

17

27

28

40

40

40

45

70

85

85

100

100

天然氣消耗量/m3h-1

31

47

79

95

119

158

190

238

317

476

635

793

952

爐子長度/mm

2050

2370

3420

3580

4020

4610

4760

4900

5200

5750

6750

6980

7090

爐子寬度/mm

1260

1470

1600

1760

1980

2200

2350

2500

2800

2880

3210

3450

3680

爐子高度/mm

1510

1680

1870

1960

2250

2450

2500

2750

3050

3340

3610

3820

4110

爐子重量/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 熱電廠中壓中溫蒸汽供熱

采用熱電廠集中供熱的方式直接供給中壓2.52.8MPa過熱蒸汽的溫度為260,可以滿足定型工藝溫度150220區間要求,而在低壓0.50.8MPa時飽和蒸汽溫度較低,一般小于150烘燥溫度,故只能對棉布熱定型。而化纖織物定型溫度至少要達到180℃以上的烘燥溫度,對應的蒸汽飽和壓力為1.6MPa以上;氨綸等織物則需要220℃烘燥溫度,對應的蒸汽飽和壓力為2.6MPa以上,故需要利用其汽化潛熱來定型化纖織物。因此采用過熱蒸汽直接在定型機中進行熱交換,對織物進行加熱定型是安全可靠、且熱效率較高,使用完后的蒸汽排放可通過集中整治的方式進行,故能很好地控制環境污染,綜上所述采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機是一種比較好的節能減排方法。

以下是熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機的能耗成本計算比較,如果按照中壓中溫過熱蒸汽價格為212/噸,按照導熱油爐熱效率70%、導熱油傳輸熱效率95%,熱電廠蒸汽鍋爐熱效率88%、蒸汽傳輸熱效率90%測算[7],在以下三種情況下的能耗計算成本為:

4.1 蒸汽定型后的高溫凝結水全部回收利用

蒸汽定型后的高溫凝結水全部回收利用的情況下,即中壓中溫凝結水可通過凝結水回收裝置轉換成低壓蒸汽和100℃的凝結水加以回收利用,則中壓中溫蒸汽定型成本相比導熱油定型成本要低13.7%、節能29.42%

4.2 蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用

蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用、100℃的凝結水熱量不回收利用的情況下,則中壓中溫蒸汽定型成本相比導熱油定型成本要低3.96%、節能18.24%

4.3蒸汽定型后的中壓中溫凝結水全部不回收利用

蒸汽定型后的中壓中溫凝結水全部不回收利用的情況下,則中壓中溫蒸汽定型成本比導熱油定型成本需要增加能耗7.7%、成本上升16.76%

所以從100℃的凝結水回收利用的計算結果分析可知,印染企業通過安裝凝結水回收裝置后可以回收利用全部閃蒸汽、100℃凝結水的水量也可以全部回收利用,則中壓中溫蒸汽定型后的余熱可以全部或部分回收利用。

5 太陽能供熱水系統

5.1 紡織印染采用的太陽能供熱水系統

紡織印染采用的太陽能供熱水系統主要是由以下四個部分組成:

(1) 太陽能集熱器

太陽能集熱器是吸收太陽光能,并把光能轉化為熱能的裝置[8],從而可以把冷水加熱成為熱水。

(2) 熱水池

熱水池是用來儲存已經被太陽能集熱器加熱之后、并且溫度已經達標的熱水。

(3) 余熱回收裝置

余熱回收裝置是用來吸收印染廢水中的余熱,從而使冷水升溫變為熱水的節能裝置。

(4) 供水管道系統

5.2 太陽能供熱水系統的使用原理

晴天的時候,當太陽光把太陽能集熱器內的冷水加熱至溫度60(此溫度是可以進行標定設置)時,冷水管道上的電磁閥門會自動打開,冷水會被自來水的壓力壓入太陽能集熱板內,并把集熱板內已經被加熱好的熱水擠壓到熱水池中儲存待用,當冷水到達集熱板出口處的溫度探測器位置時,如果溫度探測器的溫度顯示低于60時,電磁閥門就會立刻關閉,冷水則會停留在太陽能集熱板內被太陽光能繼續加熱,13分鐘以后,水溫又會達到60,這時電磁閥門會再次打開,太陽能集熱板內的熱水會被擠壓進入到熱水池中,按照此規律不斷的運行,太陽能集熱器就會一次又一次產生熱水進入到熱水池中,這樣熱水池內的熱水就會逐漸增加,一直到熱水池內的熱水裝滿為止。

熱水池內的熱水裝滿之后,太陽能集熱器就會停止進入冷水,如果這時候天空之中還有太陽光,那么為了充分利用太陽能,循環熱水泵就會自動開啟運轉,把熱水池內的溫度為60熱水抽取出來,并擠壓進入太陽能集熱器內,這樣經過太陽能集熱器的不斷循環加熱,就可以使熱水的溫度進一步升高。

在印染過程中使用熱水時,熱水會從熱水池中被抽取出來進入到染洗設備內,同時冷水管道和蒸汽管道也會向染洗設備內分別輸入冷水和蒸汽,以此用來調節染洗設備內的水溫。而經過染洗設備的染洗之后熱水就會變成為印染廢水,但是印染廢水的內部還是會具有較高溫度和熱能,所以為了充分利用印染廢水中的熱能,印染廢水將會通過污水管道輸入到平板式熱交換器內,這樣通過熱交換器就可以回收印染廢水中的熱能,把干凈的冷水加熱變成為干凈的熱水,而被加熱后的干凈熱水則會被輸入到熱水池中儲存。同時降溫之后的印染廢水則會通過排水管道排出,并進入到污水處理裝置內進行環保處理。

6 結束語

隨著國家環境保護稅法從201811日起開始執行,根據該項法律,應稅大氣污染物的稅額幅度為每污染當量1.2元至12元,水污染物的稅額幅度為每污染當量1.4元至14元。具體稅額是由各地在法定稅額幅度內確定,環境保護稅的稅額標準相對較高的地方有:北京、上海、天津、河北、山東等地。

紡織印染熱定型工藝流程是根據不同的織物、添加不同的化工助劑、加熱到織物定型所需的溫度,并將織物適當拉伸,達到工藝要求所需的尺寸、密度、克重,從而使得織物具有較好的穩定形態和品質。印染熱定型機加工棉制品的廢氣排放溫度一般為100110,加工化纖制品的廢氣排放溫度一般為160170,故熱能浪費十分嚴重。所以,印染行業中能耗和水耗的降低、污染治理與達標排放、清潔環保的供熱方法使用,應該是保護環境的關鍵措施,而紡織印染用的太陽能供熱水系統的方法,則是一種降低印染行業中能耗和水耗的實用方法。另外,印染熱定型機的清潔環保供熱方法,目前可以采用多種途經和方法,現在紡織印染行業通常是采用天然氣直燃式熱風爐供熱、天然氣導熱油爐供熱、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱等一些實用的方法。

參考文獻:

[1] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬,等. 導熱油爐循環供熱系統與導熱油使用運行研究[J]. 上海化工,201843(4)3033.

[2] 汪琦. 新型間接式熱風爐的設計開發[J]. 化工裝備技術,2001,22(2)1517.

[3] 汪琦. 國外有機熱載體加熱爐的結構設計[J]. 化工裝備技術,200728(1)3337.

[4] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬. 燃沼氣導熱油爐的設計開發[J]. 上海化工,201742(1)2729.

[5] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬,等. 導熱油循環供熱系統的自動控制技術研究[J]. 上海化工,201742(3)3639.

[6] 汪琦,季炳奎,俞紅嘯. 導熱油供熱系統在印染業中節能效果和經濟效益[J]. 化工裝備技術,201132(4)4044.

[7] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬,等. 提高導熱油爐熱效率方法探討[J]. 染整技術,201840(3)3135.

[8] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬. 太陽能光熱發電中導熱油結焦機理與清洗技術的研究[J]. 上海化工,201641(12)2225

(第一作者簡介:汪琦,男,196110月生,碩士,高級工程師,目前從事熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。電子郵箱:[email protected],聯系電話:13311629783

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