熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熔鹽過熱的研究

汪 琦俞紅嘯

（上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心)

熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熔鹽過熱的研究

汪 琦*俞紅嘯

（上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心)

介紹了熱載體熔鹽的組成和性能，分析了熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)和燃燒，并對爐管內(nèi)熔鹽過熱的原因進行了研究，探討了爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)則和防止熔鹽過熱的方法，最后給出了因熔鹽過熱造成爐管損壞的修復(fù)方法。

熔鹽 加熱爐 結(jié)構(gòu)設(shè)計 熔鹽過熱 損壞修復(fù) 硝酸鹽

1 熔鹽

熔鹽加熱爐選用的熱載體是三元無機硝鹽，它是由硝酸鉀、硝酸鈉、亞硝酸鈉混合而成，采用53%KNO3、7%NaNO3和40%NaNO2的質(zhì)量比例進行配制。該混合鹽若是新配制的熔鹽在常壓下其熔點為142.2℃，若是凝固后的熔鹽其再熔化的熔化溫度為165℃，使用溫度范圍為350～530℃，最佳使用溫度為400～500℃，危險點為630℃，沸點為680℃。因此，熔鹽是加熱溫度為350℃以上時的最好的熱載體。

熔鹽的耐熱穩(wěn)定性好，其傳熱系數(shù)是其他有機熱載體的兩倍，而且溫度在600℃以下時，幾乎不產(chǎn)生蒸氣，但它與有機化合物接觸易發(fā)生劇烈的反應(yīng)。熔鹽的密度隨溫度上升而減小，液體熔鹽平均密度為1860 kg/m3。熔鹽的黏度隨溫度上升而減小，液體熔鹽平均運動黏度為1.72 mm2/s，當(dāng)溫度上升到420℃時，其黏度為1.0 mm2/s，相當(dāng)于常溫水的黏度。固態(tài)熔鹽的比熱容為1.34 kJ/（kgK），液態(tài)熔鹽的比熱容為1.56 kJ/（kgK）。熔鹽的熔解熱為83.736 kJ/kg，當(dāng)液體熔鹽溫度每增加1℃時，熔鹽的熱膨脹率β為0.04%℃-1。

硝鹽系屬氧化劑，使用時為了防止空氣進入熔鹽系統(tǒng)，減緩熔鹽由亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的速度，應(yīng)盡可能將熔鹽系統(tǒng)密封好，并在熔鹽槽內(nèi)充氮進行氮氣保護，以免熔鹽的熔點升高。另外，考慮到熔鹽分解的特點，要求在操作過程中嚴格控制熔鹽加熱爐的出口溫度，以免熔鹽的溫度過高。溫度超過600℃后，熔鹽與鋼材會發(fā)生強烈反應(yīng)。熔鹽與有機物接觸會發(fā)生燃燒和爆炸，因此，在循環(huán)加熱系統(tǒng)中熔鹽絕不允許與有機物接觸。

2 熔鹽加熱爐

熔鹽加熱爐的構(gòu)造是盤管式，即熔鹽在環(huán)繞爐身的螺旋盤管中流動。熱源有燃煤、燃油、燃氣和電加熱等形式。爐型有圓筒形和方箱形兩種。整個爐子主要由爐體和燃燒系統(tǒng)兩部分組成。

熔鹽加熱爐的爐體由加熱盤管和殼體組成。加熱盤管是由直徑相同的鋼管密集地沿爐身盤卷而成的，并分別由進、出口集箱管匯集成一個管口進出。為了充分利用熱量，加熱盤管分輻射受熱面和對流受熱面，以管排密布作 “隔墻”，控制高溫?zé)煔獾牧鲗?dǎo)方向。加熱盤管內(nèi)圈內(nèi)側(cè)的外表面形成輻射傳熱面，接受燃燒系統(tǒng)所產(chǎn)生的輻射熱能；而在加熱管的對流段內(nèi)，高溫?zé)煔庠诹鲃又袑崃總鬟f給爐管，從而對爐管內(nèi)的熔鹽加熱。

熔鹽加熱爐燃燒室的設(shè)計要求是，火焰不能燃及加熱管，能產(chǎn)生最合適的熱強度。熱強度對加熱管管壁溫度的影響很大，熱強度過大則將縮短熔鹽的使用壽命。燃燒室產(chǎn)生的高溫燃燒氣體在內(nèi)、外盤管的間隙中無固定流向地流動，其通過面以強制對流方式傳熱；熔鹽的流動方向與燃燒氣體的流動方向相反。通過這種強制對流，可獲得較大的對數(shù)平均溫度差。

燃油、燃氣熔鹽加熱爐一般采用圓形立式結(jié)構(gòu)，燃燒器安裝在爐子的底部或者頂部，爐體內(nèi)安裝有不銹鋼或者耐熱鋼制造的雙層圓形加熱盤管，內(nèi)層盤管為輻射傳熱，外層盤管為對流傳熱。如果燃油或者燃氣在熔鹽爐底部燃燒，則高溫火焰向上燃燒，鼓風(fēng)機強制通入燃燒用的空氣，灼熱的燃燒氣體從圓形爐體中心流向兩層加熱盤管之間的通道，將熱量傳遞給盤管內(nèi)的熔鹽，然后余熱氣體在空氣預(yù)熱器中與助燃空氣換熱，最后進入煙道由煙囪排入大氣。

熔鹽加熱爐采用自動電點火，先采用高壓電極放電產(chǎn)生電火花將點火燒嘴點燃，然后點火燒嘴將主燃燒嘴引燃，整個過程由一套程序控制器控制。為了保證熔鹽加熱爐的安全，防止因燒嘴脫火、回火造成事故，還應(yīng)安裝一套火焰監(jiān)測系統(tǒng)，一旦火焰監(jiān)測器未監(jiān)測到火焰，主燒嘴的燃料電磁閥就立即關(guān)閉，切斷進入熔鹽加熱爐的燃料。同時為了保證燃燒的安全，助燃空氣應(yīng)適當(dāng)過量些，并采用閥門調(diào)節(jié)其比例。主燃燒嘴對于熔鹽加熱爐至關(guān)重要，影響著熔鹽加熱系統(tǒng)的正常開車。燒嘴內(nèi)的燃料管路不可堵塞，否則將造成燒嘴點不燃或者熄火等故障。另外，燃燒器燒嘴的安裝位置應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確，不能偏斜，否則燃燒火焰會產(chǎn)生偏斜，造成舔管現(xiàn)象，其后果是爐管表面燒裂，爐管內(nèi)熔鹽發(fā)生過熱現(xiàn)象。

3 爐管內(nèi)熔鹽過熱分析

熔鹽加熱爐在運行過程中，有三大危害不容忽視，這就是水分、泄漏和過熱。尤其是當(dāng)爐管內(nèi)熔鹽膜壁溫度達到630℃時，過熱的熔鹽會發(fā)生分解反應(yīng)，爐管內(nèi)鹽膜變黑并粘附在迎火面管壁內(nèi)側(cè)，形成一層硬殼，該硬殼色黑而且層次堅硬、質(zhì)脆。如果熔鹽膜壁的溫度超過630℃危險溫度，分解反應(yīng)將持續(xù)進行，黑色分解物將繼續(xù)增厚，而且溫度越高，分解反應(yīng)就越加劇烈，劇烈反應(yīng)的分解物為黑色固體，下部密實、上部疏松，其主要成分如表1所示。

表1 熔鹽分解固體產(chǎn)物

通過分析可知，該類黑色固體殘渣的主要成分是鉀和鈉的氧化物，不具有流動性，只能以沉積物的形態(tài)沉淀在爐管內(nèi)壁表面，或者將爐管某一段堵死。

通過分析計算還可以得到熔鹽分解所產(chǎn)生的氣體含量，即氧氣和氮氣含量。設(shè)1 kg熔鹽參與分解反應(yīng)，計算分解后產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，其主要成分如表2所示。

表2 熔鹽分解氣體產(chǎn)物

熔鹽分解后產(chǎn)生的氧氣積聚在循環(huán)系統(tǒng)中，這些封閉管道內(nèi)的積聚的氧氣和爐管中鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出大量的熱量。這些熱量足夠使管道內(nèi)鄰近的熔鹽溫度升高，并且達到沸點以上，體積膨脹的熔鹽在極短的時間內(nèi)會產(chǎn)生巨大的壓力，導(dǎo)致管道產(chǎn)生突發(fā)性的鼓包破裂，造成爐管燒毀破壞，嚴重時還會引發(fā)爐體火災(zāi)。此外，熔鹽分解后產(chǎn)生的大量氮氣會在極短時間內(nèi)使循環(huán)系統(tǒng)中的壓力驟增，導(dǎo)致爐管破裂穿孔，熔鹽外流至爐膛內(nèi)部，進而造成燃燒火焰與熔鹽直接加熱，引發(fā)惡性事故。

4 熔鹽加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計

在熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免爐管內(nèi)熔鹽過熱現(xiàn)象的發(fā)生。在具體設(shè)計時需要考慮以下三個設(shè)計準(zhǔn)則。

4.1 燃燒火焰位置

正確的燃燒火焰位置是保證熔鹽加熱爐正常工作的關(guān)鍵。燒嘴的安裝位置稍有偏斜就會導(dǎo)致燃燒火焰偏燒，造成爐管局部過熱，這種情況是不容許出現(xiàn)的。如果燃燒火焰的火柱傾斜到舔管的位置，其后果就更加危險了。在設(shè)計過程中要嚴格防止這種情況發(fā)生。

4.2 空氣流動分布場

要保持正確的空氣流動分布，這樣才能保證火焰燃燒的穩(wěn)定性，從而保證灼熱煙氣流不發(fā)生偏斜，也不出現(xiàn)燃燒火焰漂移舔到內(nèi)層輻射爐管的迎火面，避免爐管內(nèi)熔鹽過熱現(xiàn)象的發(fā)生。在設(shè)計時要嚴防空氣進入爐膛流動，擾動煙氣流，以避免爐管局部過熱的情況發(fā)生。

4.3 熔鹽流量和流速

熔鹽流量不能過大，否則熔鹽泵的功耗和造價都會增大，熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的熱平衡也會被破壞。熔鹽流量也不能過小，如果過小了，熔鹽的溫度將會被迫升高，導(dǎo)致爐管內(nèi)熔鹽過熱現(xiàn)象發(fā)生。在設(shè)計上應(yīng)該保證爐管內(nèi)熔鹽流速適中合理。如果熔鹽流速過高，管道阻力降過大，熔鹽泵的動力消耗將增多，并對爐管內(nèi)壁面產(chǎn)生更多的沖刷磨損；但是如果爐管內(nèi)熔鹽流速過低，熔鹽將會呈現(xiàn)出層流狀態(tài)，這不僅會影響換熱效率，也會造成熔鹽流體傳熱不均勻，熔鹽膜壁溫度增高。所以在設(shè)計過程中準(zhǔn)確地計算出合適的熔鹽流量和流速是十分重要的。

5 防止熔鹽過熱的方法

5.1 流動分布場

助燃空氣在爐內(nèi)的流動分布規(guī)律、高溫?zé)煔饬黧w在輻射段和對流段中的運動狀態(tài)、燃燒火焰的直徑和長度，都可以通過熱力計算、流動計算、數(shù)值計算進行理論分析，并結(jié)合實際經(jīng)驗得出合理準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù)，對爐體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。同時，通過空氣動力場的冷態(tài)試驗與煙氣熱力場的熱態(tài)試驗，可以對進風(fēng)導(dǎo)流板的角度和進風(fēng)口尺寸進行調(diào)整，改善空氣流動分布，調(diào)整火焰的偏斜位置，避免煙氣短路，避免沖刷管壁，提高熔鹽加熱爐的傳熱性能。

5.2 溫度測量裝置

應(yīng)在熔鹽加熱爐的進口管、出口管、內(nèi)層盤管、外層盤管等重要部位都設(shè)置溫度測點，安裝測溫元件，并編入聯(lián)鎖系統(tǒng)?？紤]到熔鹽加熱爐進口管和出口管有多根管子并聯(lián)，故在每根管子上都設(shè)置測溫點，安裝熱電偶，這對觀察熔鹽在每根爐管中被加熱的程度、判斷熔鹽加熱爐的運行情況至關(guān)重要。如果其中一個測點發(fā)生異?，F(xiàn)象，或者溫度過高，就須加倍關(guān)注信號的變化，檢測該根爐管的變化狀態(tài)，并記錄在案。

5.3 流量測量裝置

熔鹽循環(huán)系統(tǒng)需要設(shè)置流量測量裝置，借以觀察熔鹽通過爐管的流量，并可設(shè)置最小允許流量報警和聯(lián)鎖系統(tǒng)。如果熔鹽流量過小，將會破壞熔鹽加熱爐的熱平衡狀態(tài)，同時也會造成爐管內(nèi)熔鹽過熱的現(xiàn)象。當(dāng)熔鹽流量下降到下限值報警時，應(yīng)當(dāng)提高操作人員的警惕；當(dāng)熔鹽流量下降到下限連鎖值時，則燃燒器自動熄火保護。

5.4 緩慢升溫降溫

嚴格控制熔鹽升溫速度，盡量縮小熔鹽循環(huán)系統(tǒng)運行溫差。熔鹽加熱爐運行初期，要先用小火進行緩慢升溫，升溫速度不要超過規(guī)定的允許值，如果升溫過快，爐管內(nèi)熔鹽膜壁將會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。熔鹽在循環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)避免急冷急熱現(xiàn)象，盡量縮小熔鹽溫差的變動，減緩熱膨脹所引起的應(yīng)力變化。急冷急熱現(xiàn)象對運行中的熔鹽加熱爐是很不安全的。

6 熔鹽過熱損壞后修復(fù)方法

對于熔鹽過熱造成的損壞，其修復(fù)可以采用對爐管局部進行熱噴涂處理的方法，具體措施如下：

（1）將需要處理的爐管部位進行打磨，打磨至見金屬本色，且在爐管表面上無污物及其它殘留物。噴砂打磨后需要將砂子搜集并帶出熔鹽加熱爐，不得遺留在爐體內(nèi)。

（2）熱噴涂耐熱耐磨合金。要求噴涂厚度適當(dāng)，噴涂層均勻，表面光滑，并采用涂層測厚儀對噴涂層進行厚度測定。

（3）噴涂后應(yīng)當(dāng)將現(xiàn)場清理干凈。

（4）噴涂后應(yīng)該對爐管進行水壓試驗并達到合格。

（5）最后將熔鹽加熱爐筒體、耐熱保溫層、頂蓋、底蓋裝配復(fù)位。

7 結(jié)束語

筆者在對動態(tài)熔鹽加熱系統(tǒng)工藝進行了正確計算的基礎(chǔ)上，對熔鹽加熱爐和用熱設(shè)備循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工藝操作范圍進行了準(zhǔn)確的計算分析，并對用熱設(shè)備操作條件及熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)特性進行了詳細的理論分析，目前已經(jīng)設(shè)計開發(fā)出實用性強、使用性能優(yōu)良的熔鹽加熱循環(huán)系統(tǒng)。

[1]汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統(tǒng)的開發(fā) [J].化工裝備技術(shù)，2000，40（2）：40-43.

Structure Design of Molten Salt Furnace and Study of Molten Salt Superheating

Wang QiYu Hongxiao

Introduces the composition and performance of molten salt,analyzes the structure and combustion of molten salt furnace,and studies the reasons of molten salt superheating in furnace tube.Also discusses the design guidelines of furnace structure and methods to prevent molten salt superheating.At last,proposes repair methods for furnace tube damage caused by molten melt superheating.

Molten salt;Furnace;Structure design;Molten salt superheating;Damage repairs;Nitrate

TQ 111.2

2012-05-02）

*汪琦，男，1961年生，碩士，高級工程師。上海市，200042。