导热油循环供热系统在热定型机中的应用

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）

热定型是印染后整理工艺中的一道重要工序，化纤织物浸轧助剂后，经过拉幅、烘燥、定型，以实现印染产品质量的品质要求。导热油循环供热系统是采用导热油作为传输热能的中间载体，通过循环油泵将导热油送入导热油炉中，使导热油被加热到印染生产所需要的工作温度后，输送给热定型机进行定型，导热油进出口温差有20～30 ℃，释放出显热后的低温导热油再流回导热油炉中重新被加热，周而复始，从而达到导热油炉向热定型机供热的目的。

导热油炉有气相炉和液相炉两种类型。气相炉主要是以联苯混合物（联苯26.5%和联苯醚73.5%）为介质，靠气相炉的蒸汽压力向外输送，所以气相炉是一种自然循环的道生炉[1]。液相炉中的导热油靠循环油泵的压头打入循环供热系统，以满足印染定型生产工艺的需要，因此液相炉是一种强制循环的导热油炉；另外，由于液相炉的导热油循环管道口径较小，循环系统中的导热油会出现加热时膨胀、受冷时收缩的体积变化，为了缓冲循环供热系统中导热油体积的增减，需要设置高位膨胀槽。

印染行业中的导热油循环供热系统主要是由导热油炉、循环油泵、高位膨胀槽、低位储油槽、油气分离器、过滤器、热定型机、热风拉幅机、焙烘机等设备通过管道连接形成的一个封闭循环回路[2]。根据循环油泵的安装位置进行分类，供热循环系统可分为注入式系统流程与抽吸式系统流程；根据导热油炉是液相炉还是气相炉进行分类，供热循环系统可分为液相加热系统与气相加热系统；根据高位膨胀槽是否采用惰性气体（氮气）密封保护装置、高位膨胀槽是否承受压力进行分类，供热循环系统可分为敞开式（常压）循环系统与封闭式（承压）循环系统。

供给热定型机内的热风加热化纤织物的机理是强制对流放热，化纤织物中的水分子摄取热空气分子的热量（蒸发潜热）而蒸发，故热定型机是染整工序中单机耗能最大的设备。在印染生产过程中，热定型机内存在一定量的蒸汽，其量视单位时间内蒸发的水分及吸入的新鲜空气而定，因此，为了保持热定型机内合适的湿度，必须加入大量的新鲜空气。所以综合来看，热定型机的热能利用效率并不高，在化纤织物加工定型时耗用的有效热能仅为总供热量的30%左右，而散热损失则高达70%左右（其中废气排放损失热量达55%左右，设备及壁面散热量达11%左右，其他热量损失为4%左右），因此，印染热定型机应采用导热油循环供热系统，可以实现环保节能减排和余热回收利用[3]。

1 注入式系统流程与抽吸式系统流程

导热油循环供热系统可分为注入式系统流程和抽吸式系统流程两种方式，而印染行业的大部分导热油循环供热系统采用注入式系统流程，即采用循环油泵将导热油送入导热油炉中，极少部分循环供热系统采用抽吸式系统流程，即采用循环油泵将导热油炉中的导热油抽出后再送入热定型机。注入式系统流程可使循环油泵在较低工作温度下运转，并且热定型机使用的导热油压力较低，而抽吸式系统流程则正好相反，但导热油炉中的导热油入口压力较低、炉管内压力较小，并且导热油炉炉管在高温下产生的结焦杂质和积垢异物不容易进入热定型机。

1.1 注入式系统流程

图1是注入式系统的工艺流程图。

图1 注入式循环供热系统的工艺流程图

注入式系统流程要求循环油泵安装在导热油炉的入油口处，也就是导热油炉的进油口与循环油泵的出油口紧密相连，所以导热油炉的炉本体工作压力较高，通常是整个循环供热系统工作压力最高的区域，而循环供热系统的热定型机内的导热油工作压力就比较低。因为循环供热系统中的管路回油是经过循环油泵吸入加压后，才被送进导热油炉的本体中加热升温的，所以，循环油泵的工作温度较低。另外，油气分离器布置在整个循环管路中压力最低的区域，并且通过循环系统中的膨胀管与高位膨胀槽连通，而高位膨胀槽的作用除了吸收导热油受热后的膨胀量、补充循环供热系统的导热油用量之外，还起到稳定循环供热系统压力的作用[4]。要将过滤器紧密连接在循环油泵的入油口处，以便滤去导热油在高温加热作用下形成的热缩合物质和胶质残渣。如果循环供热系统要求配备氮气密封保护装置，则要求氮气密封罐与高位膨胀槽互相连通。

1.2 抽吸式系统流程

抽吸式系统流程要求循环油泵安装在导热油炉的出油口处，故导热油炉本体被布置在整个循环供热系统压力最低的区域，所以油气分离就会在导热油炉本体中进行，而且循环供热系统的脱水排汽多数集中在导热油炉本体内。循环系统的膨胀管将导热油炉本体与高位膨胀槽底部直接连通起来，使得循环系统的膨胀管处在供热系统中导热油炉温度最高的区段上，因此，抽吸式系统的高位膨胀槽内导热油温度要比注入式系统高很多。另外，由于循环油泵的进油口与导热油炉的出油口相连接，所以循环油泵的工作温度较高。为了更好地过滤导热油内的结焦杂质和积垢异物，过滤器应该连接在循环油泵的入油口处，故过滤器的工作温度也比较高。因此，印染行业的大部分工艺流程采用注入式系统，只有极少部分工艺流程采用抽吸式系统。

1.3 热定型机和焙烘机的能耗成本比较

印染行业的热定型机和焙烘机采用不同燃料与不同热源的供热方式，比较分析其能耗成本，结果见表1。

表1 热定型机和焙烘机的能耗成本比较

由表1可以看出，采用燃煤导热油炉供热或者燃烧废旧木料导热油炉供热，热定型机与焙烘机的能耗成本最低，但从环境生态保护和经济运行成本等方面综合考虑[5]，应该采用的供热方式为：燃烧生物质固硫型煤导热油炉供热、燃烧生物质颗粒导热油炉供热、燃烧水煤浆导热油炉供热、天然气直接式热风炉供热、热电厂中压中温蒸汽供热，可使热定型机与焙烘机的能耗成本相对比较合理。

2 液相供热系统与气相供热系统

2.1 液相供热系统

液相供热系统有通过一台导热油炉向一台热定型机供热的简单液相循环系统，也有通过一台导热油炉向多台热定型机供热的复杂液相循环供热系统。通常情况下单台热定型机的液相循环加热系统应用广泛、操作容易、使用方便，但是采用多台热定型机的液相循环加热系统可以进行集中供热，从而达到节能、节约成本的目的。

2.1.1 单台热定型机的液相供热系统

简单液相循环系统采用被加热的导热油通过循环油泵流入热定型机，释放出热能后再循环返回导热油炉，此时的导热油炉出口油温应与热定型机的使用温度直接挂钩，并根据热定型机的需要设定工作温度，从而通过调节导热油的供给量控制热定型机的工作温度[6]。当流向热定型机的导热油流量需要被限制时，只要打开旁通管路上的流量调节阀门，使一部分导热油直接流回导热油炉，流向导热油炉的导热油一次主循环流量要比热定型机所设定的二次循环流量稍大。

与热定型机的导热油供给流量相对应，如果导热油炉的一次主循环流量减少，则炉管内的导热油流速会下降，局部炉管壁温度会上升，导热油就会出现劣化变质，甚至还可能出现炉管内的导热油结焦积垢，从而引起炉管堵塞[7]。因此，导热油炉制造厂家应当在导热油炉的出厂资料中给印染厂家提供以下数据：导热油炉最高液膜温度、导热油最低循环流量和最小限制流速的计算结果，并且应在导热油炉结构中带有自动熄火装置，从而在出现最低循环流量时，可以使燃烧装置自动停止运行，防止炉管的空烧现象。

2.1.2 多台热定型机的液相加热系统

多台热定型机的使用温度可以相同，也可以不同，而导热油炉的额定供热负荷应根据每台热定型机需求的热负荷利用率以及使用频率来进行设计。多台热定型机全部采用同时供应热负荷，还是按照时间的先后顺序给每台热定型机轮流供应热负荷，每个设计开发人员必须进行详细的考虑和计算分析，保证选购的导热油炉输出热负荷与印染生产过程的多台热定型机的输入热负荷能够匹配，从而避免导热油炉选配的型号过大或过小[8]。

在设计开发多台热定型机的液相供热系统时，如果每台热定型机的工作温度都等于或稍低于导热油炉的出口油温，就需要缩小每台热定型机的出口、入口导热油温差，可以采用并联管路[9]，即设置多个分支回路（二次循环回路），并加大每个分支回路的二次循环油泵的循环油量。此时应检测二次循环油泵的出口油温，同时为了保证每台热定型机的导热油温度（印染生产工艺温度）不发生变化，需要从主循环管路（一次循环回路）内吸取一部分高温导热油，同时再以同等体量的低温导热油由二次循环回路配管内返回一次循环主管路。设计开发分支回路系统时，需要在每台热定型机的进出口端安装接受大容量循环的大口径配管，在导热油炉的进出口端安装较小口径的配管，以大幅度降低导热油炉的设备制造费用及维护保养费用。

2.2 气相供热系统

联苯混合物是由26.5%的联苯（C6H5—C6H5）和73.5%的二苯醚（C6H5—O—C6H5）所组成的低熔点混合物，简称二苯混合物。联苯混合物在常压下的沸点为258 ℃，凝固点为12.3 ℃，临界温度为528 ℃，临界压力为4.02 MPa（绝），在液态时为无色，具有天竺葵花的气味，与水几乎不混溶。联苯混合物具有足够的热稳定性，能在385 ℃下长期操作，在400 ℃下短期操作，且具有较低的蒸汽压力。联苯混合物在250 ℃的饱和蒸汽压力为0.098 MPa（绝）左右，在350 ℃的饱和蒸汽压力只有0.52 MPa（绝）。另外，联苯混合物的热稳定性比矿物型导热油好很多，但稍有毒性，渗透性强，对密封性要求非常高。所以，在低于385 ℃的高温下，采用联苯混合物饱和蒸汽加热是一种有效且经济合理的气相加热方法。

气相供热系统是将联苯炉加热产生的联苯混合物饱和蒸汽输送给热定型机，放出潜热后蒸汽冷凝，热定型机得到均匀加热的气相供热系统。冷凝后联苯混合物液体通过液位差返回联苯加热炉，或者经过闪蒸罐以及回流泵返回联苯炉，所以气相供热系统是一个封闭的循环供热系统。由于气相供热系统存在配管口径尺寸较大、需要设置冷凝液返回装置等，除了在一些特殊的印染生产工艺场合使用外，绝大部分印染生产加工企业还是采用液相循环供热系统[10]。另外，气相供热系统在运行停止时还会出现负压状态，使得外界的气体很容易混进去，而与联苯混合物的分子质量相比，混入的其他气体分子质量很小，容易在整个气相供热系统的上部区域蓄积起来，所以，在整个循环供热系统开车运行时，必须设法去除这部分混入气体，以保证气相供热系统的安全运行[11]。

2.2.1 自然循环方式

自然循环方式是最简单的气相供热系统，将在联苯炉内加热后的联苯混合物饱和蒸汽供应给热定型机，放热冷凝后，通过液位差返回到联苯加热炉。自然循环方式的缺点是热定型机必须要安装在整个气相供热系统的最高处，但由于液压差引起的压力平衡，有可能会出现联苯炉内的液相联苯混合物逆流进入热定型机的情况。因此有必要在液相回路管上设置与联苯加热炉气相部位压力均衡的均压管。另外由于自然循环方式不要求使用循环泵，从而联苯混合物在超过其沸点的条件下运行时也不会引起循环泵空蚀，还可以在稳定状态下安全运行。但自然循环方式的缺点是很难做到向多台热定型机同时供给热量。

2.2.2 强制循环方式

强制循环方式是对联苯混合物进行强制循环的加热系统。联苯混合物在联苯炉中被加热后，通过闪蒸罐产生蒸汽被输送给热定型机释放潜热，联苯混合物冷凝后变成液体流向冷凝液回流泵的入口侧，并从回流泵的出口侧流出，然后进入循环泵，经过循环泵加压后被输送回联苯炉进行加热[1]。另外，强制循环加热系统内的联苯混合物存贮量较少，从升温到产生蒸汽所需要的时间较短，而且在强制循环时，联苯炉内的联苯混合物不会发生局部过热，从而可以抑制联苯混合物的劣化变质。

在强制循环方式的气相供热系统中，当超过沸点的联苯混合物在循环泵内循环时很容易发生循环泵空蚀。因此在设计强制循环气相供热系统时，对闪蒸罐的高度设置、泵净压头的计算要求特别准确；另外还要慎重考虑运行负荷的变动容量、变动速度等影响因素，并以此来决定闪蒸罐的形状与大小。如果闪蒸罐的容量设计过小，而热定型机的负荷变动过大，闪蒸罐内的联苯混合物蒸汽生成速度会比较剧烈，蒸汽起泡会使液面的测定变得非常困难，并且闪蒸罐中的滞留液在短时间内就有可能会蒸发完，此时如果循环泵的入口压力不足，将会发生循环泵空蚀。所以，在设计开发时需要采用自动控制方法，通过检测闪蒸罐内的蒸汽压力来控制调节联苯炉的燃料燃烧量，并通过调节回流冷凝液的流量，使闪蒸罐的液面能够保持在一定区域。

2.3 导热油液相集中供热系统在印染行业中的应用

导热油炉是印染行业用于热定型、热风拉幅、焙烘的一种特殊供热设备，一般大中型印染厂家均有多台热定型机、拉幅机、焙烘机等设备，其中用热的总容量为1.00×107～2.52×107kJ/h（240 万～600 万kcal/h），如果供热系统采用分散的单台导热油炉供热给单台热定型机，需要使用多台小型导热油炉，这样不但会增加设备投资的总费用，而且使用操作、油炉维修及设备管理等方面还会带来诸多不便，若采用单台大型导热油炉集中供热给多台热定型机，则可以极大地改善上述情况[12]。在采用导热油液相集中供热系统设计方案时，很多印染厂家都比较担心两个问题：（1）热定型机与焙烘机的温度控制；（2）循环供热系统的阻力降。

2.3.1 热定型机与焙烘机的温度控制

由于热定型机、热风拉幅机、焙烘机等设备的用热负荷与用热温度都不相同，所以，在导热油的总管进入各台热定型机的导热油分支管上需要安装一个流量调节阀，然后通过调节各个分支管内的导热油流量来调节各台热定型机的用热负荷与温度。与蒸汽供热系统相比较，导热油液相供热系统的温度稳定性更好，因此热定型机、焙烘机烘房内各处的温度均匀性也会好得多，从而印染产品的染色效果好，不会发生变色现象，这样印染产品的次品率就会比较低。

本文通过一个实例的传热计算来分析导热油液相供热系统温度的稳定性。导热油炉进出口的油温差按照下式计算：

Q=V×ρ×Cp×(t2-t1)

式中，Q为导热油炉的供热负荷，kcal/h；V为导热油的流量，m3/h；ρ为导热油的密度，kg/m3；Cp为导热油的比热，kcal/(kg·℃)；t2为导热油炉的出口油温，℃；t1为导热油炉的进口油温，℃。使用2.10×107kJ/h（500 万kcal/h）导热油炉，以WD-300 型高温导热油为例进行传热计算，在油温为300 ℃时，ρ=840 kg/m3，Cp=0.66 kcal/(kg·℃)，V=300 m3/h，将数据代入上式中可得：

500×104=300×840×0.66×(t2-t1)

油温差Δt=t2-t1≈30 ℃

即导热油温差为1 ℃时，导热油供热负荷变化为7.00×105kJ/h（16.6 万kcal/h）；反之，当热定型机的用热量变化为7.00×105kJ/h时，热定型机的导热油温度变化仅为1 ℃。所以，导热油炉供热负荷越大，导热油温度的敏感性也就越“迟钝”。而在印染生产过程中，热定型机烘箱内的热风温度相对导热油还会有一个“滞后”现象，通常是导热油温差要变化2～3 ℃，热定型机烘箱内的热风温度才会变化1 ℃。因此，采用导热油液相集中供热系统能使热定型机烘箱内的热风温度控制在一个比较高的精度范围内。

有些印染厂家焙烘机等设备的焙烘温度精度要求较高，特别是在焙烘有些染色布（例如军绿涤棉布）时，焙烘温度变动要求控制在±1 ℃范围内，否则会影响军绿涤棉布的色差，并影响成品的合格率。在这种情况下应该考虑在焙烘机的导热油分支管上加装一个电动节流阀来进行精确的流量调节，从而可以确保焙烘温度的精度控制要求。

2.3.2 循环供热系统的阻力降

纺织印染行业采用导热油液相集中供热方式时，由于导热油管道长度增加，供热管路压力降随之增大。以2.10×107kJ/h导热油炉供热系统为例，热油循环泵的扬程为80 m 油柱，导热油炉压力降为30 m 油柱，因此，导热油循环系统管线、热定型机与焙烘机等设备尚有50 m 油柱的余量。根据很多印染厂家的使用经验，通常只要具有35 m油柱的扬程就能够满足使用要求。

导热油液相循环供热管路的阻力降与管道直径成反比，如果管道变粗，则供热管路的阻力会相应减小，因此2.10×107kJ/h导热油炉的总管道直径增加至250 mm，则供热管路的阻力可相应减少1/4。由于热定型机与焙烘机等设备散热器内的多根管子是采用并联结构连接的，故管道内导热油的流速较低，并且供热管路的阻力降与管道内导热油流速的平方成正比，即管道内导热油流速越低，其管路内阻力降越小。所以，热定型机与焙烘机等设备散热器内的导热油阻力很小。

3 敞开式循环系统与封闭式循环系统

导热油循环供热系统可以分为敞开式循环系统和封闭式循环系统。敞开式循环系统是指与大气环境相通的导热油供热系统，该循环供热系统中至少应该有一处放空管的排放口与大气环境直接相通。封闭式循环系统是指与大气环境隔绝的导热油供热系统，该循环供热系统或是采用惰性气体（例如氮气）覆盖保护，或是采用液封装置与大气环境隔离保护。

3.1 敞开式循环系统

导热油循环供热系统的导热油内含有一定量的气体：（1）新注入的导热油中残存的水分加热后气化形成的水蒸气；（2）供热系统内残留的空气；（3）导热油加热后挥发析出的轻组分和挥发性组分。这些气体在循环供热系统运行过程中将会产生“气阻”，使循环泵内出现抽真空，并造成循环泵压力不稳、流量下降甚至中断。因此，导热油炉和循环供热系统在开车启动时以及经过一段时间运行后均需要进行排气，以保证导热油炉和循环供热系统的安全运行[13]。

根据高位膨胀槽是否承受压力可以分为敞开式膨胀槽（常压）和封闭式膨胀槽（承压），而印染生产过程中广泛使用敞开式循环系统，也就是通过油气分离装置把导热油中的气体分离出来，并且再通过膨胀管将这些气体排放到高位膨胀槽（常压），然后再从敞开式膨胀槽的放空管排放到大气环境中[14]。所以，敞开式循环系统的设备造价低、运行简单、操作容易、使用方便。

3.2 封闭式循环系统

由于导热油的抗氧化性、热稳定性及工作温度决定了其在操作条件下发生氧化变质可能性的大小和氧化反应的速度。因此，在印染生产过程中无论选择何种型号的导热油，在循环供热系统的运行操作条件下，利用导热油自身具有的氧化安定性来抵抗氧化反应作用非常有限，尤其是在导热油工作温度较高且与空气直接接触的敞开式高位膨胀槽内，实际效果更加有限。所以，导热油的最高允许使用温度为320 ℃。如果导热油的工作温度在操作条件下非常高，则容易导致高位膨胀槽内的导热油发生氧化反应，故应该采用封闭式循环系统[15]。

与敞开式循环系统相比，封闭式循环系统减小了直接向外部大气环境排放导热油轻组分和挥发性组分的排放量，从而提高了导热油炉和循环供热系统的安全性，还能够有效降低导热油炉及其循环供热系统内的导热油氧化变质的可能性，同时还可以延长导热油的使用寿命。所以，为了防止循环供热系统内的导热油出现氧化变质，可以采用封闭式循环系统，以阻止空气进入封闭式膨胀槽，即采用惰性气体密封保护高位膨胀槽（承压），且需要设置惰性气体的定压装置，以保证封闭式膨胀槽内惰性气体工作压力的稳定。如果封闭式膨胀槽内惰性气体的最高压力不超过0.01 MPa，也可以采用液封装置限制其超压。

3.3 热定型机与焙烘机采用导热油炉循环供热方式的优点

利用导热油加热，并采用导热油二次循环供热系统，可使焙烘房内温差控制在±1 ℃，从而减少染色布的色差。产生染色布色差的因素是多方面的，但充分利用导热油液相循环供热系统温度的稳定性，使烘房内的温度始终保持一个相对恒定值，并缩小烘房内的瞬时温差和各点位置温差，就可以大幅度减少染色布的前后色差和左中右色差。由于某些分散染料分子在高温条件下的显色敏感性特别高，如果烘房内的温度变化超过2～3 ℃，在不同温度下的染色布显色后就会明显不一样，色差造成的降等次布也会增加。而采用导热油炉加热的最大优点是可以保证焙烘房内温差在±1 ℃，为减少染色布的色差，提高染色布的产品质量起到关键作用。

热定型机采用导热油液相循环供热系统加热，可保证烘箱内的温差在±1 ℃，解决烘箱温度升不高及烘箱内各点位置温差太大，只能生产低档产品的问题，同时还可以提高车速20%左右。若按照煤与电的差价进行计算，一年内就可以回收设备的投资成本。

热风拉幅机烘房内的温度可以根据不同织物、不同印染工艺的要求，通过自动阀门调节导热油的流量来达到所需要的烘房温度，在保证印染产品质量的前提下，一般可以提高车速15%～20%，故可以大幅度提高热能利用率，并且260 ℃左右的导热油通过散热器热交换后仅下降10 ℃左右，然后通过导热油循环系统再次返回导热油炉进行重新加热，反复循环、反复利用，节能效果非常显著，一年内的经济效益可达几十万元[16]。

4 结束语

（1）在设计开发印染行业的导热油循环供热系统时，首先按照导热油是气相还是液相判定采用气相供热系统还是液相供热系统，其次按照循环泵和导热油炉安装位置的前后顺序，选定注入式流程或抽吸式流程，最后按照高位膨胀槽内是否采用惰性气体（例如氮气）密封保护装置，确定采用敞开式循环系统或封闭式循环系统。同时，设计开发人员应根据选择的热定型机型号、台数，导热油炉的结构型式、燃料燃烧方式，导热油的类型、工作温度，高位膨胀槽内导热油溢出现象是否会导致大气环境污染、操作人员安全问题，尽量避免导热油出现氧化变质，尽可能延长导热油的使用寿命，并满足节约成本等方面的要求等，安全、规范、合理地选择气相供热系统或液相供热系统、注入式流程或抽吸式流程、敞开式循环系统或封闭式循环系统。

（2）一般大中型印染厂家会有多条生产线，其中热定型机、热风拉幅机、焙烘机等设备少则3～4台、多则7～8台，可采用导热油液相集中供热系统及二次循环供热系统，并采用智能控制热定型机进油阀门的自动调节控制器，既达到导热油流量调节与分配的目的，又能快速开启、关闭阀门，从而实现烘房内温差控制在±1 ℃。同时通过人工智能控制技术可以实现热定型机温度设定、自动跟踪、显示、打印、报警、产量米长累计等功能，实现热定型机烘箱内温度的计算机自动调节，从而达到显著的经济效益和节能环保效果。