循環流化床導熱油爐在熱定型機中的應用
汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑
（上海熱油爐設計開發中心 上海 200042）
摘 要：介紹了導熱油爐在熱定型機中的應用，討論了循環流化床導熱油爐的清潔燃燒技術，分析了爐床內氣固混合燃燒的流化過程，研究了臨界流化速度的計算方法，并對循環流化床導熱油爐的結構型式進行了設計開發，給出了幾種常用規格型號的循環流化床導熱油爐主要技術指標，總結了循環流化床導熱油爐的結構設計開發步驟。
關鍵詞：熱定型機；循環流化床；導熱油爐；氣固混合燃燒；臨界流化速度；結構設計
前 言
滌綸是一種熱塑性纖維，在染色等一系列加工過程中，由于受多次機械作用和多次拉伸，使織物原來的門幅和線圈幾何形狀有所變化，因而產生變形和收縮，甚至橫直絲縷歪斜，嚴重影響產品的質量。熱定型的目的主要是使滌綸針織物在有張力狀態下加熱，織物在規定溫度下焙烘，使纖維分子間的次價健、分子鏈段的熱運動加劇，從而可使分子重新組合、排列，內應力相對穩定。因此，對滌綸錦綸織物的熱定型加工，可以提高織物的尺寸穩定性，增強抗皺性能，同時對織物的表面光潔度、強力、抗起毛起球等性能也有一定的改善。
對滌綸/棉織物進行熱定型加工時，在滌綸中發生了結晶化及應力松弛，而棉纖維只是發生了應力松弛。如果從微觀角度來考察應力松弛和結晶化過程，熱定型加工可分為如下幾個過程：織物進行熱定型時，首先在熱定型機箱體內織物被加熱，隨著溫度上升，尤其是超過滌綸的玻璃化溫度（Tg=81℃）以后，滌綸非結晶區內大分子鏈段發生越來越劇烈的內旋轉，即大分子鏈段的動能克服了大分子間的范德華力，內旋轉使體系內的能量趨于最低狀態，即將原來因紡織加工和染整加工時累積貯存在滌綸內的能量全部釋放出來，實現了應力松弛。
在新的穩定狀態下，一旦分子或者鏈段穩定下來后，分子間的作用力開始重建，如氫鍵結合的力、范德華力等，進而某些鏈段進入晶格，開始結晶化過程，并相應地放出結晶潛熱，使體系能量進一步降低，進入更新的低能量狀態?？椢镫x開熱定型機箱體，溫度回降到室溫，由于以低于滌綸的玻璃化溫度，使大分子鏈段的內旋轉凍結，從而使熱定型效果保持下來。
循環流化床導熱油爐輸出的高溫導熱油，通過導熱油循環泵輸送給熱定型機烘箱中的翅片式散熱器內，高溫導熱油攜帶的熱量經過散熱器傳遞給空氣，而被加熱后的熱空氣經循環風機送入噴嘴，吹到濕布面上，蒸發濕織物上的水，并且加熱織物使之達到印染定型工藝所需要的溫度。因為導熱油爐可以供給熱定型機等后整理設備較高溫度，且溫差變化很小的穩定熱量，所以，在印染企業中仍作為主要的供熱設備使用。
1．循環流化床導熱油爐的特點
循環流化床導熱油爐對燃料有廣泛的適用性，幾乎可以用任何種類的固體燃料，包括生物質燃料、燃煤、泥煤、矸石、油頁巖和工業廢渣；而對于煙氣中未燃盡的灰粒，可以將其回收后在爐內重新燃燒，故燃燒效率會很高，可以達到95%以上。另外，如果采用較小的過?？諝庀禂?，傳熱效果會很好，導熱油爐熱效率也會較高，可以達到86%以上；同時還不必考慮飛灰的帶出，因為飛灰是循環回到爐床內再燃燒的。
循環流化床導熱油爐的負荷調節速率快、操作靈活方便，負荷調節速度可以達到毎分鐘5%額定負荷；并且對負荷變化的適應性好，在低負荷時可轉換為鼓泡流化床，故最低在30%額定負荷下仍可運行。循環流化床導熱油爐的脫硫脫氮效果較好，其原因是燃燒層的燃燒溫度較低，一般是在850～950℃溫度下燃燒，而這正是CaCO3分解和SO2與CaO化合的最佳溫度。因為石灰石粉細比表面積大，又是沸騰燃燒，故能與SO2充分接觸。另外，由于爐膛溫度低，過?？諝庀禂递^小，氮氧化物NOx生成也就較少、排放量也很低，所以，循環流化床導熱油爐的燃燒屬于清潔燃燒技術。
2．循環流化床導熱油爐的燃燒系統
循環流化床導熱油爐是把煤或生物質破碎到一定大小的顆粒，空氣穿過布風板，把燃料層吹起后在爐膛一定的高度內處于流化狀態，破碎好的煤粒子吹送到上下翻騰的高溫流化層中燃燒，層內溫度一般為850～950℃，新送入的煤或生物質進入數量比本身大幾十倍的流化層中，很快被加熱到著火溫度而著火燃燒[1]。
按照氣固兩相流動的規律，循環流化床處于鼓泡床和懸浮燃燒之間，鼓泡床的床層有明顯的上界表面，循環流化床的流體速度比鼓泡床高，床層不斷膨脹而沒有上界表面，直到固體的煤或生物質顆粒幾乎均勻充滿爐室，而未燃盡煤或生物質顆粒將由設置在爐室出口處的分離器分離出來，然后再將這些未燃盡煤或生物質顆粒循環返回爐床內繼續燃燒，燃盡的灰渣是由爐子底部的出灰排渣接口排出爐室外。
由于流化層熱容量比較大，高溫粒子在流化層內激烈運動，強化了燃燒與傳熱過程，所以一般不能燃用的劣質燃料，例如：油頁巖、石煤、矸石等都能在循環流化床導熱油爐內穩定地燃燒，甚至還可以燃用含碳量在15%以上的爐渣。
循環流化床導熱油爐的工作原理是燃料和循環物料在爐膛內流化風的作用下呈流化狀態，采用較高的流化速度，使物料在流化狀態時沒有明顯的床面，燃料在流化狀態下燃燒，大量的物料被煙氣帶到爐膛上部，經過布置在爐膛出口的分離器，將物料與煙氣分開，并經過一種非機械回送閥將物料回送至爐床內。從而循環流化床導熱油爐具有很大的熱容量和良好的物料混合，所以對燃料的適應性強，并且由于床內強烈的湍流和物料循環，增加了燃燒的停留時間，因此燃料的燃燒充分、徹底，燃燒效率高。
循環流化床導熱油爐的爐膛運行溫度通?？刂圃?50～950℃，在爐床中加入石灰石和脫硫劑，可使二氧化硫SO2的排放量大為降低，脫硫成本下降。循環流化床導熱油爐采用低溫分級送風燃燒，使燃燒始終在低溫、低氧下進行，從而大大降低了氮氧化物NOx的生成。
通常將燃料煤和石灰石通過磨碎機磨成很小的顆粒，送入爐膛的下部后，由下部的流化空氣吹入旋風分離器，99%以上的顆粒被旋風分離，落入U型回料器中，U型回料密封閥是利用旋風分離器底部出口的物料在立管中建立起來的料位，從而達到回路密封的作用，并且還能連續穩定地向爐床內返送物料，實現返料的自平衡。
返送的動力源來自回料器上升管和立管之間的料位差，回料器用風由單獨的高壓頭、小流量的高壓風機提供。由于高壓風的松動作用，U型回料器中的灰循環回到爐膛內，循環灰一般為進料固體量的10～20倍[2]。帶有少量粉塵的煙氣離開旋風分離器，依次將其800℃左右的余熱傳送給對流受熱面內的導熱油、空氣預熱器內的一次風和二次風，最后煙氣由多管除塵器或電除塵器除灰后，被引風機抽入煙囪排出。
循環流化床導熱油爐采用干式出灰，灰的排放有三個途徑：一是通過密相區底部的排渣管，經水冷螺旋出渣機排放；二是通過分離器下部的灰冷卻器排放；三是作為飛灰被尾部除塵器收集排放。
3．臨界流化速度的計算方法
流化床的流化過程和特性，除了流體的流速對它有很大影響外，還和床層幾何尺寸、氣體分布板的型式、顆粒尺寸和粒度分布、流化床的內部結構等因素有關。為了保證床內的流化質量，在循環流化床的設計開發時，臨界流化速度ωij是一個很重要的流化特性，可以由試驗確定，也可以由計算決定[3]。但是由于循環流化過程的復雜性，其計算值一般都有偏差，因此計算值只能用于估算分析，所以對特定的循環流化床，在顆粒尺寸和粒度分布、床層結構決定后，應由試驗來確定臨界流化速度ωij值。
對于小顆粒，臨界流化速度ωij的計算公式如下：
對于大顆粒，臨界流化速度ωij的計算公式如下：
式（1）和式（2）中ωij——臨界流化速度，cm/s；
dp——顆粒平均當量直徑，cm；
ρs——顆粒密度，g/cm3；
ρg——流體密度，g/cm3；
ηg——流體動力粘度，g/cm·s；
g——重力加速度，cm/s2。
通常將床層從固定狀態轉變到流化狀態時，按布風板面積計算的空氣流速稱為臨界流化速度ωij，即所謂的最小流化速度，相對應的風量即臨界流化風量。在進行設計開發時，循環流化床導熱油爐的空氣正常運行速度必須大于臨界流化速度ωij，亦即運行一次風量必須大于臨界流化風量，這樣才能保證循環流化床導熱油爐的爐膛底部不會發生結焦。
臨界流化速度ωij的經驗計算公式如下：
式（3）中ωij——臨界流化速度，cm/s；
dp——顆粒定性尺寸（顆粒的篩分平均粒徑），cm；
ηg'——氣體運動粘度，g/cm·s；
ρs——顆粒的密度，g/cm3；
ρg——氣體的密度，g/cm3。
循環流化床導熱油爐的床層狀態是隨著穿過布風板一次風量的增加，從固定狀態過渡到流態化狀態。在固定床通過風量很小的時候，床層壓降與風量呈正比增加，并且當風量達到一定的值時，床層壓降達到最大值，如果再繼續增加風量，床層會突然“解鎖”，進一步增加風量，床層的壓降仍維持不變，即床層的壓降維持恒定，利用床層的這一特性，確定出從固定床狀態過渡到流態化狀態的這一轉折點所對應的風量即為臨界流化風量。
當循環流化床導熱油爐的床層燃料顆粒尺寸和分布決定以后，通常以布風板面積作為流體流通截面來計算流體速度，如果流體的流速大于臨界流態化速度，而又小于帶出速度時，床層則為流化床。流化床流化過程和特性除了流體的流速對它有很大影響外，還和床層幾何尺寸、氣體分布板的型式、顆粒尺寸和粒度分布、流化床的內部結構等因素有關。所以，為了保證床內的流化質量，在循環流化床導熱油爐的設計開發時，都應該對這些結構和參數進行詳細的設計計算[4]。
4．循環流化床導熱油爐的結構設計開發
循環流化床導熱油爐包括爐膛、旋風分離器、固體顆粒再循環裝置、輻射受熱面、對流受熱面、一次風和二次風空氣預熱器。爐膛的下部輸入燃料、石灰石和循環灰，底部分布有多個燃氣或燃油的噴嘴，用于開車點火，并設置了灰渣的排出口。大部分的燃燒過程發生在燃燒室的下部，對導熱油的輻射傳熱與對流傳熱主要發生在燃燒室的上部和尾部室的上部。由一次風空氣預熱器加熱出來的一次熱風從燃燒室的下部吹入，起主要的流化作用；由二次風空氣預熱器加熱出來的二次熱風由燃燒室的中部吹入，以補充進一步燃燒所需要的氧氣。
循環流化床導熱油爐采用對稱豎井結構，即流化燃燒和爐膛輻射受熱盤管布置在前部豎井煙道內；對流受熱蛇形管和管式空氣預熱器布置在尾部豎井煙道內。前部豎井為懸吊結構，爐膛壁由輻射受熱盤管和耐火隔熱保溫爐墻等組成，自下而上依次為一次風室、密相區、懸浮段。
尾部豎井采用支承結構，布置有對流受熱蛇形管和管式空氣預熱器，兩豎井之間由旋風分離器相連通，分離器下部連接再循環回送裝置和灰冷卻器。燃燒器和分離器內部均設有防磨內襯，前部豎井煙道采用敷設受熱管的重型爐墻，尾部豎井煙道采用輕型爐墻，由八根型鋼柱承受循環流化床導熱油爐的全部重量。
在設計開發循環流化床導熱油爐時，在流化床密相區沒有布置導熱油受熱面，即把輻射受熱盤管升高到距離布風板的位置2.5m以上的區域范圍內。在爐膛的下部區域布置有等壓風室、布風板、風帽，在爐膛距離布風板的位置2.5m以上的區域內，才布置了輻射受熱面；在2.5m以下的區域內采用耐火材料和耐火磚構成爐墻。由于低速循環流化床只有在距離布風板1.5m左右的區域內才會有明顯磨損現象，故這種布置方式可以降低煙灰顆粒對輻射受熱面造成磨損破壞。
另外，適當增加輻射受熱面最下部幾圈螺旋盤管的壁厚，同時對下部輻射受熱面螺旋盤管高度為0.5m左右的區域內增設防磨環，從而可以有效解決循環流化床導熱油爐輻射受熱面螺旋盤管的磨損問題[5]。這是因為循環流化床燃燒通常在850～950℃低溫范圍內燃燒，遠遠達不到一般煤的灰熔點，所以飛灰是軟灰，對輻射受熱面螺旋盤管的磨損較為輕微，故在設計開發時只需考慮避開密相區大顆粒的沖擊作用。
在結構設計開發時，尾部豎井煙道內對流蛇形管受熱面要安裝防磨蓋板，同時在管式空氣預熱器中第一排管子上也要加裝防磨蓋板，安裝時要注意該防磨蓋板應安裝在第一排爐管上面，并且是迎著煙氣流動方向、以起到保護第一排爐管的作用。另外，在對流蛇形管受熱面和空氣預熱器煙氣側進口四邊周圍均要安裝有防止煙氣偏流的阻流板，同時要合理地選取對流受熱面的煙氣流速[6]。
因為在尾部豎井煙道內布置了一次風、二次風管式空氣預熱器，預熱空氣溫度可以加熱到150℃以上，從而降低了排煙溫度下降至160℃左右。由于一次風、二次風的預熱空氣有利于燃料燃燒，故可進一步提高燃燒效率，而且排煙溫度可大幅度降低，故使得循環流化床導熱油爐的熱效率大幅度提高、可達到86%以上。
循環流化床導熱油爐的負荷調節能力以及煤種適應能力，從設計計算的角度上看是同時解決化學平衡、熱量平衡和質量平衡的設計計算。其計算分析步驟如下：化學平衡是首先必須滿足的，即向循環流化床導熱油爐供給設計燃料量及所需空氣量，并產生相應煙氣量；熱平衡是將化學平衡中燃料產生的熱量按照所需設計比例釋放出來，以保證床溫、爐膛出口煙溫的兩個溫度設計參數；質量平衡是爐內物料的平衡，是通過具體結構設計和運行調整，把化學平衡所需空氣量和產生的煙氣量作為使用條件，按照熱量平衡所需比例，將熱量傳遞出去[7]。
而詳細的設計開發步驟是：根據設計煤種，設計出確定給煤位置、布風裝置，按所需流化風速設計密相區截面，以保證床內燃燒份額在可調范圍內。煤種及燃料確定后，其產生的煙氣量是一定的，再根據所需飛灰再循環率，確定流化風速、確定稀相區截面，最后再確定導熱油輻射受熱面積和對流受熱面積[8]。筆者設計開發幾種常用規格型號的循環流化床導熱油爐主要技術指標可參見表1所示，適應煤種是煙煤、無煙煤、貧煤、生物質燃料、煤矸石、煤泥、石油焦等。
5．結束語
熱定型過程是在熱定型機烘箱內完成，濕織物是以一定的速度連續通過烘箱，在織物進入熱定型機的加熱區以前，對織物進行超喂處理，有利于滌綸釋放出貯存在纖維內部的能量，并使織物獲得所需的幅寬計經緯密度。滌綸針織物在熱定型過程中關鍵是控制熱定型溫度和熱定型時間，滌綸針織物的熱定型溫度為180～210℃，熱定型時間是20～90s，冷卻溫度為50℃左右。
如果熱定型溫度過低、時間過短均能造成織物表面不平整、不挺括、門幅收縮等疵病，失去熱定型作用；如果熱定型溫度過高、時間過長會造成織物發硬變脆，強力下降，彈性降低并能使某些分散染料升華而產生色差，嚴重的甚至能使纖維熔融；而在織物離開熱定型機的加熱區后，應在平整狀態下立即使其降溫到玻璃化溫度Tg以下，如用冷水滾筒或者吹冷風等方法。
循環流化床導熱油爐的燃燒過程是在氣固兩相間的較大區域內，氣固強烈混合并有內循環過程，這一內循環導致氣固間的良好傳熱和傳質，從而使整個燃燒系統達到均勻的溫度分布和快速的燃燒反應。所以，除了燃煤或生物質燃料以外，還可以燃燒低熱值的煤矸石、油頁巖、煤泥、生活垃圾等，對處理城市垃圾和綜合利用能源有著顯著的經濟效益和社會效益。
循環流化床導熱油爐的燃燒屬于低污染燃燒，由于循環流化床導熱油爐的爐膛溫度可控制在850～950℃左右，并在投入燃料燃燒的同時可以直接加入石灰石，故運行成本較低；從而可以去除二氧化硫SO2及控制氮氧化物NOx有害物質生成，并避免大氣環境中形成酸雨造成的危害，同時由于石灰石隨同未燃盡顆粒再循環，其利用率好、脫硫效率高，而且當Ca/S比為1.5～2.5時，脫硫效率可以達到85～95%。所以，采用這種先進的燃燒方式可以為燃燒高硫煤解除了后顧之憂。
循環流化床導熱油爐適合調峰運行，能做到在低負荷時不投料穩燃，具有負荷調節比大、負荷調節速度快等優點。導熱油爐的熱效率高，由于燃料是在多次循環中完成燃燒的，所以，燃料的化學不完全燃燒熱損失幾乎為零，同時灰渣的熱量也能得到充分的回收，故循環流化床導熱油爐的熱效率可達到86%以上。另外，因為飛灰可燃物低，燃后的灰渣可作為水泥的摻料和輕質建筑材料，故綜合經濟效益較好。
參考文獻：
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[6]汪琦.載熱體加熱爐對流受熱面中的煙氣流速分析[J].化工裝備技術,2010,31(6):20-22,28.
[7]汪琦.淺析導熱油爐的設計[J].化工裝備技術,2007,28(5): 49-51.
[8]汪琦.載熱體加熱爐輻射室內傳熱計算分析[J].化工裝備技術,1997,18(2):17-19.
作者簡介：
汪琦，高級工程師，碩士，長期從事熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。
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