導(dǎo)熱油爐循環(huán)供熱系統(tǒng)與導(dǎo)熱油使用運(yùn)行研究

汪 琦俞紅嘯張慧芬季炳奎季 俊

1上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心 (上海 200042)

2上海恒欣化工有限公司 (上海 200436)

1 導(dǎo)熱油的特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)導(dǎo)熱油的廠家很多，牌號(hào)品種繁雜，因此選用導(dǎo)熱油時(shí)應(yīng)該從以下幾點(diǎn)綜合考慮：（1）良好的導(dǎo)熱性能。熱導(dǎo)率大，比熱容高，傳熱效率高。（2）較高的極限使用溫度。導(dǎo)熱油是否具有較高的極限使用溫度，是其能否滿足加熱工藝的需要、提供良好的穩(wěn)定性和抗氧化性、具有較長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。（3）具有較高的閃點(diǎn)、自然點(diǎn)、沸點(diǎn)，以確保導(dǎo)熱油在液態(tài)下安全使用。（4）具有較低的酸值和殘?zhí)剂?，能較好地保證供熱系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、管道及附件不發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。（5）低黏度、低凝固點(diǎn)。黏度低運(yùn)動(dòng)阻力小，導(dǎo)熱油流動(dòng)暢通；凝固點(diǎn)低，適用于較寒冷地區(qū)。（6）無毒無害，不污染環(huán)境。

導(dǎo)熱油的優(yōu)點(diǎn)是在較低壓力下可以獲得較高的溫度，而且有較好的熱穩(wěn)定性。但這些特性與優(yōu)點(diǎn)必須是在質(zhì)量有保證的前提下才能得到。因此，導(dǎo)熱油加熱爐能否正常運(yùn)行，與導(dǎo)熱油的質(zhì)量有很大關(guān)系。為了保證導(dǎo)熱油正常使用，對(duì)其性能指標(biāo)，如最高使用溫度、黏度、閃點(diǎn)、殘?zhí)?、酸值等都有?yán)格規(guī)定[1]。

對(duì)使用中的導(dǎo)熱油應(yīng)該每年進(jìn)行一次分析，黏度、閃點(diǎn)、殘?zhí)?、酸值?項(xiàng)指標(biāo)中有2項(xiàng)不合格或?qū)嵊头纸獬煞趾砍^10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更換或?qū)ζ溥M(jìn)行再生。

影響導(dǎo)熱油壽命的一個(gè)重要因素是其最高使用溫度和液膜溫度。一般情況下，規(guī)定的導(dǎo)熱油最高使用溫度是指導(dǎo)熱油的主流溫度。礦物型導(dǎo)熱油的液膜溫度與主流溫度之差一般取20～30℃。

2 導(dǎo)熱油的種類及其特性

物理性指標(biāo)是評(píng)價(jià)導(dǎo)熱油品質(zhì)優(yōu)劣、導(dǎo)熱性能好壞的根本性指標(biāo)，常用指標(biāo)有以下5個(gè)。

（1）密度。密度是評(píng)價(jià)導(dǎo)熱油質(zhì)量的常用指標(biāo)，指單位體積內(nèi)所含導(dǎo)熱油的質(zhì)量。對(duì)某一確定牌號(hào)的導(dǎo)熱油而言，在某一標(biāo)定溫度(一般為20℃)條件下測(cè)量時(shí)，其密度值均為常數(shù)。導(dǎo)熱油的工藝品質(zhì)劣化，必然導(dǎo)致其密度增大。這是因?yàn)閷?dǎo)熱油是用適當(dāng)?shù)氖宛s分加抗氧耐熱添加劑后生產(chǎn)的，其組分主要是環(huán)烴基、烷基萘、芳烴基原油或者苯基醚、聚苯、烷基苯等高分子有機(jī)化合物。在惡劣工藝條件下（如氧化、局部高溫等），導(dǎo)熱油中的組分會(huì)發(fā)生分解或聚合：氧化后聚合生成膠體物質(zhì)，使相對(duì)分子質(zhì)量成倍增大；高溫分解，疊合生成碳化物，進(jìn)而分解為相對(duì)分子質(zhì)量較大的游離碳（俗稱炭渣），這些物質(zhì)游離懸浮于導(dǎo)熱油母體中，使其顏色變黑，密度增大。

（2）黏度。黏度是導(dǎo)熱油的主要使用指標(biāo)之一，其物理含義是導(dǎo)熱油的內(nèi)部摩擦阻力。導(dǎo)熱油黏度是由其組分決定的。通常情況下，導(dǎo)熱油的黏度較低，黏溫性（黏度隨溫度變化的程度）較好。品質(zhì)劣化的導(dǎo)熱油黏度增大、黏溫性變差。

（3）殘?zhí)肌執(zhí)嫉臏y(cè)定方法是在測(cè)定裝置的坩堝中，按規(guī)定的試驗(yàn)條件加熱試油，使其蒸發(fā)分解并形成焦黑色殘留物，冷卻稱量后計(jì)算出殘?zhí)急壤Ｍǔ?，?dǎo)熱油的殘?zhí)贾挡淮笥?.05%；而品質(zhì)劣化的導(dǎo)熱油，其殘?zhí)贾荡笥?.5%。其原因是，惡劣的工藝條件使導(dǎo)熱油的組分發(fā)生變化，大量碳化物的生成使導(dǎo)熱油中炭渣的比率增大，有效組分降低。

（4）酸值。酸值是評(píng)價(jià)導(dǎo)熱油使用品質(zhì)的重要指標(biāo)，以中和1 g試油所需的氫氧化鉀毫克數(shù)為計(jì)量單位（mgKOH/g）。酸度過大的導(dǎo)熱油不僅會(huì)腐蝕管道與設(shè)備，而且會(huì)增加導(dǎo)熱油加熱爐及供熱系統(tǒng)的結(jié)焦和積垢，以致造成更大的磨損，并會(huì)進(jìn)一步促使導(dǎo)熱油品質(zhì)的劣化，因而需要嚴(yán)格控制。通常情況下，導(dǎo)熱油的酸值不大于0.02 mgKOH/g，而品質(zhì)劣化的導(dǎo)熱油酸值會(huì)顯著增大，其原因是惡劣的工藝條件使導(dǎo)熱油的分子結(jié)構(gòu)失去平衡，大量氫離子游離出來分散于導(dǎo)熱油母體中，導(dǎo)致酸性增加。

（5）閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是保證導(dǎo)熱油安全儲(chǔ)運(yùn)和使用的指標(biāo)。其測(cè)量方法是在規(guī)定的開杯或閉杯內(nèi)，將規(guī)定數(shù)量的試油加熱到其蒸發(fā)的油氣和空氣的混合氣能發(fā)生閃火時(shí)試油的最低溫度。通常情況下，導(dǎo)熱油的閃點(diǎn)不低于一個(gè)確定值（一般為110～140℃，因?qū)嵊偷钠放撇煌悾?。而品質(zhì)劣化的導(dǎo)熱油，由于其結(jié)構(gòu)組分發(fā)生了變化，導(dǎo)致輕質(zhì)餾分含量增加，閃點(diǎn)降低?？梢娛褂闷焚|(zhì)劣化的導(dǎo)熱油是不安全的。

導(dǎo)熱油的物理性指標(biāo)是控制導(dǎo)熱油熱工性能和工藝品質(zhì)的主要理論依據(jù)，必須定期進(jìn)行測(cè)試。一般規(guī)定導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)運(yùn)行一年或者連續(xù)運(yùn)行8 000 h為一個(gè)測(cè)試周期。若導(dǎo)熱油的黏度變化達(dá)到15%，閃點(diǎn)變化達(dá)到20%，酸值變化達(dá)到0.5%，殘?zhí)荚黾舆_(dá)到1.5%時(shí)，可以認(rèn)為該導(dǎo)熱油的品質(zhì)劣化，需更換新的導(dǎo)熱油。

3 導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的組成

導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)是一個(gè)典型的液相強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)[2]。

3.1 供熱系統(tǒng)的基本組成

（1）熱載體——供熱系統(tǒng)中吸熱、傳熱、放熱的介質(zhì)，即導(dǎo)熱油。

（2）導(dǎo)熱油爐——燃料（煤、油、氣、電、木材加工剩余物）釋放的能量被熱載體吸收的裝置。

（3）輸送泵——熱載體克服阻力使之流動(dòng)的循環(huán)油泵。

（4）用熱設(shè)備——將熱載體熱量傳給生產(chǎn)工藝的設(shè)備，即熱交換器、反應(yīng)釜、烘箱等。

（5）控制器——為使循環(huán)供熱系統(tǒng)安全、合理、方便、有效地運(yùn)行，必須設(shè)立的操作、檢測(cè)、控制、顯示、保護(hù)、報(bào)警等裝置，控制方式為自控、電控或手控。

3.2 供熱系統(tǒng)的其他組成

有機(jī)載熱體加熱爐供熱系統(tǒng)的典型工藝流程包括：（1）導(dǎo)熱油的貯存、膨脹調(diào)節(jié)，由高位膨脹油槽、膨脹管、低位貯油槽等組成；（2）加油、放油、放空、氣液分離等部分；（3）氮?dú)饷芊獍踩Ｗo(hù)部分。

3.3 典型供熱系統(tǒng)外的其他循環(huán)系統(tǒng)

導(dǎo)熱油加熱爐供熱系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)需要和工藝要求，組成相應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)[3]，如：（1）多爐、多泵、多用熱設(shè)備的加熱供熱（熱網(wǎng)）系統(tǒng)；（2）一次循環(huán)、二次循環(huán)系統(tǒng)；（3）加熱、冷卻系統(tǒng)；（4）各種系統(tǒng)的組合。

當(dāng)用熱設(shè)備可以在某一溫度下達(dá)到工藝要求時(shí)，可使用典型循環(huán)系統(tǒng)。若有下列情況之一，就需要設(shè)置二次循環(huán)系統(tǒng)：（1）導(dǎo)熱油爐出口管只能提供某一油溫，而工藝要求多種油溫供熱；（2）用熱設(shè)備用熱量與導(dǎo)熱油爐供熱量相互匹配，但要求用熱設(shè)備進(jìn)口、出口溫差很小(即油流量很大)；（3）用熱設(shè)備耗熱量波動(dòng)較大。

采用正確的方法進(jìn)行循環(huán)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到導(dǎo)熱油爐與用熱設(shè)備相互匹配、工藝溫度穩(wěn)定的技術(shù)要求，從而滿足工藝生產(chǎn)的加工要求、達(dá)到節(jié)能增效的目的[4]。

液相爐導(dǎo)熱油的進(jìn)出口油溫差不宜過大，否則會(huì)造成用熱設(shè)備供熱穩(wěn)定性差，所以一般進(jìn)出口油溫差為20～30℃較為合適。

4 導(dǎo)熱油的使用方法

導(dǎo)熱油是由高分子有機(jī)化合物組成的傳熱載體，其熱工品質(zhì)和工藝性能是由其物理性指標(biāo)決定的，而對(duì)導(dǎo)熱油的物理性指標(biāo)構(gòu)成影響的主要因素是科學(xué)使用方法。

導(dǎo)熱油的應(yīng)用方式有氣相和液相兩種。氣相應(yīng)用為冷凝傳熱，傳熱系數(shù)大、溫度穩(wěn)定、加熱均勻、適用性強(qiáng)。但是氣相的導(dǎo)熱油容易泄露，對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，對(duì)操作技術(shù)要求高，并且用于氣相的導(dǎo)熱油主要是聯(lián)苯類混合物[5]。液相為對(duì)流方式無相變的形式傳熱，其傳熱膜系數(shù)較小，導(dǎo)熱油的體積流率較大，換熱器需要較大的傳熱面積，泵送功率較大。但是液相導(dǎo)熱油對(duì)設(shè)備的要求沒有氣相嚴(yán)格，操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、易于普及。用于液相的導(dǎo)熱油主要是長(zhǎng)碳鏈飽和烴和以烷基萘為主要成分的純碳?xì)浠衔铩?/p>

科學(xué)使用導(dǎo)熱油要解決好以下一系列問題。

4.1 導(dǎo)熱油加熱爐的選擇

加熱爐的選擇是科學(xué)使用導(dǎo)熱油的關(guān)鍵，它主要取決于導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)合理的加熱爐能使導(dǎo)熱油在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的熱工性和工藝狀態(tài)（高效率、低消耗）；反之，則會(huì)使導(dǎo)熱油在短期內(nèi)結(jié)焦積碳，失去導(dǎo)熱性能，甚至釀成爆炸起火等重大事故。導(dǎo)熱油加熱爐的選擇是較為復(fù)雜的技術(shù)問題，一般應(yīng)咨詢有專門知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，或者實(shí)地考察生產(chǎn)加工單位，對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱油爐進(jìn)行比較鑒別后，作出正確的決策。

4.2 加熱系統(tǒng)和用熱設(shè)備的設(shè)計(jì)

加熱系統(tǒng)和用熱設(shè)備主要是指直接與物料發(fā)生熱交換的系統(tǒng)和設(shè)備。物料加熱應(yīng)遵循以下兩條基本原則∶一是要滿足生產(chǎn)對(duì)物料溫度要求的溫度原則；二是所運(yùn)用的加熱工藝過程不降低物料的理化性能指標(biāo)的質(zhì)量原則。只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的加熱系統(tǒng)和用熱設(shè)備，才能滿足上述兩條基本原則[6]。合理設(shè)計(jì)應(yīng)注意解決好以下三方面的問題。

（1）傳熱面積問題。傳熱面積必須經(jīng)過熱工理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，合理配置。傳熱面積不宜過小，否則會(huì)降低溫升梯度；傳熱面積亦不宜過大，否則會(huì)使導(dǎo)熱油加熱爐進(jìn)出口的導(dǎo)熱油溫差過大，增加循環(huán)泵的流量。通常做法是根據(jù)生產(chǎn)需要確定溫升梯度，再據(jù)此配置適當(dāng)?shù)膫鳠崦娣e。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)問題。應(yīng)根據(jù)不同的物料對(duì)加熱系統(tǒng)和用熱設(shè)備進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，換熱管應(yīng)防止出現(xiàn)傳熱“死區(qū)”的現(xiàn)象。

（3）安全保障問題。在不設(shè)置氮?dú)饷芊獾臈l件下，導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)是開式循環(huán)系統(tǒng)，一般情況下是安全的。但是，由于系統(tǒng)在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，不安全因素仍然存在，所以循環(huán)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)有安全保障。其措施主要是：設(shè)置導(dǎo)流管，用于應(yīng)急臨時(shí)停電；設(shè)置安全閥，用于應(yīng)急阻力集中；設(shè)置壓差裝置，用于應(yīng)急流程堵塞等意外情況。

4.3 規(guī)范操作規(guī)程。

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)全過程，必須由經(jīng)過專門訓(xùn)練的操作人員按照規(guī)范的程序操作與控制[7]。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制以下4個(gè)指標(biāo)。

（1）最高使用溫度。理論上應(yīng)比導(dǎo)熱油的液膜溫度低50℃，實(shí)際上應(yīng)比標(biāo)定的最高使用溫度低20℃。

（2）壓差波動(dòng)。這是監(jiān)視導(dǎo)熱油爐管內(nèi)流量的一個(gè)安全性指標(biāo)。正常情況下，導(dǎo)熱油爐進(jìn)出口的壓差波動(dòng)很小，并應(yīng)在確定的范圍內(nèi)波動(dòng)，如果發(fā)生局部堵塞、汽蝕等異常情況，壓差波動(dòng)會(huì)增加甚至超出常規(guī)范圍，應(yīng)立即采取爐內(nèi)壓火降溫措施，并檢查排除故障。

（3）膨脹槽液位高度。這是一個(gè)保證性指標(biāo)，如果高位膨脹槽液位過低，容易形成汽蝕而使供熱系統(tǒng)運(yùn)行異常。通常，液位高度應(yīng)穩(wěn)定在1/3以上。

（4）熱油循環(huán)泵停機(jī)溫度。這也是一個(gè)保證性指標(biāo)。導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)中的循環(huán)泵一經(jīng)啟動(dòng)，必須保持連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，一般規(guī)定導(dǎo)熱油溫度降到100℃以下方可停止運(yùn)行。

5 延長(zhǎng)導(dǎo)熱油使用壽命的方法

5.1 影響導(dǎo)熱油使用壽命的因素

（1）導(dǎo)熱油本身質(zhì)量是影響其使用壽命的關(guān)鍵。一般把導(dǎo)熱油的原始理化指標(biāo)(主要是酸值、殘?zhí)?、黏度、閃點(diǎn))看作導(dǎo)熱油的質(zhì)量指標(biāo)，但這很不確切。導(dǎo)熱油的本身質(zhì)量應(yīng)查看原始的理化指標(biāo)，同時(shí)更應(yīng)注重導(dǎo)熱油使用過程中理化指標(biāo)的變化趨勢(shì)。理化指標(biāo)在高溫運(yùn)行中的變化速率越慢，則導(dǎo)熱油的壽命越長(zhǎng)。

（2）導(dǎo)熱油是在加熱設(shè)備中運(yùn)行的，加熱設(shè)備的好壞、安裝是否合理等，直接影響導(dǎo)熱油的使用壽命。加熱設(shè)備安裝必須正確合理，調(diào)試時(shí)需及時(shí)整改，才有利于導(dǎo)熱油壽命的延長(zhǎng)。

（3）相同的加熱設(shè)備和導(dǎo)熱油，由不同的操作人員來使用，導(dǎo)熱油的壽命也會(huì)不盡相同。目前，很多生產(chǎn)企業(yè)的導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高，操作人員的情緒與操作方式是否規(guī)范息息相關(guān)，從而會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的控制，也必將影響導(dǎo)熱油的使用壽命。

（4）導(dǎo)熱油在高溫運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)在爐管壁上沉積形成焦質(zhì)，焦質(zhì)層逐漸增厚，將明顯降低傳熱效果，只能增加油溫以達(dá)到原定的熱載體導(dǎo)熱效果，這樣運(yùn)行溫度會(huì)升高，導(dǎo)熱油的壽命將縮短。因此供熱系統(tǒng)是否定期進(jìn)行清洗除焦也會(huì)影響導(dǎo)熱油的壽命[8]。

5.2 延長(zhǎng)導(dǎo)熱油使用壽命的方法

（1）導(dǎo)熱油在線清洗。根據(jù)以前的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，若采用停工停產(chǎn)進(jìn)行供熱系統(tǒng)清洗除焦的方式會(huì)帶來諸多弊端，目前可以采用一種導(dǎo)熱油在線清洗劑，在導(dǎo)熱油正常運(yùn)行時(shí)直接進(jìn)行在線清洗，清除其中的雜質(zhì)，以減慢變化速率，延長(zhǎng)導(dǎo)熱油的使用壽命。

（2）添加導(dǎo)熱油增壽添加劑。根據(jù)導(dǎo)熱油分子結(jié)構(gòu)的不同，補(bǔ)加一定量的增壽添加劑來改變導(dǎo)熱油的變化速率，從而延長(zhǎng)導(dǎo)熱油的使用壽命。

6 結(jié)語

導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)由導(dǎo)熱油爐、配套輔助裝置、導(dǎo)熱油循環(huán)管路、用熱設(shè)備等組成，其配套輔助裝置主要有高位膨脹槽、低位貯油槽、循環(huán)熱油泵、油氣分離器、導(dǎo)熱油過濾器、注油泵等。導(dǎo)熱油爐循環(huán)供熱系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油作為傳輸熱能的中間載熱體，通過導(dǎo)熱油爐的受熱面將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能傳遞給導(dǎo)熱油，使導(dǎo)熱油被加熱到工作溫度，然后由循環(huán)熱油泵注入到用熱設(shè)備，釋放熱量后的低溫導(dǎo)熱油再返回到導(dǎo)熱油爐中重新被加熱。通過循環(huán)往復(fù)流動(dòng)達(dá)到利用導(dǎo)熱油爐向用熱設(shè)備連續(xù)供熱的目的。

導(dǎo)熱油是呈淡黃色或褐色的油狀液體，多數(shù)無毒無味，少數(shù)具有一定程度的毒性和刺鼻臭味。導(dǎo)熱油具有較高的沸點(diǎn)，可以在很低的飽和壓力下被加熱到較高的工作溫度，并具有較好的熱穩(wěn)定性。導(dǎo)熱油在運(yùn)行中一般不會(huì)腐蝕金屬管道和用熱設(shè)備，在工作溫度下導(dǎo)熱油的黏度比較低，故輸送性能也比較好。在運(yùn)行過程中，當(dāng)導(dǎo)熱油的工作溫度超過80℃時(shí)，必須要有隔離空氣的措施，否則導(dǎo)熱油會(huì)因急劇氧化而發(fā)生變質(zhì)。由于導(dǎo)熱油可燃，故在使用過程中必須注意防火。另外，如果導(dǎo)熱油超過使用溫度工作時(shí)，會(huì)發(fā)生裂解并出現(xiàn)析碳現(xiàn)象，使得其黏度增加，從而使傳熱效果下降，導(dǎo)熱油結(jié)焦積垢后還會(huì)引發(fā)過熱爆管事故。最后需要特別注意的是，當(dāng)導(dǎo)熱油混合使用時(shí)，導(dǎo)熱油生產(chǎn)廠家需要提供混合使用的條件和要求，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)熱油混用時(shí)，其混合導(dǎo)熱油出口溫度不得超過兩種導(dǎo)熱油中任何一種的最高允許使用溫度。

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