清潔能源供熱技術(shù)在印染定型機中的應(yīng)用研究

汪 琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心，上海 200042）

1 燃天然氣熱風(fēng)爐供熱

1.1 燃天然氣直接式

燃天然氣直接式熱風(fēng)爐使用天然氣作為燃料，最好配置低氮燃燒器，并且采用高速交叉回流旋卷的工作原理進行設(shè)計制造。筆者設(shè)計開發(fā)的直接式熱風(fēng)爐是由燃燒室、保溫層、爐殼體等部分組合構(gòu)成。燃燒室采用扇形耐火磚、耐熱層和保溫層砌筑而成，在燃燒室尾部交叉匯流成混合段、熱風(fēng)與摻冷風(fēng)的匯聚混合段，需要安裝兩組熱電偶及相應(yīng)二次儀表，以便對燃氣調(diào)節(jié)閥進行手動和自動控制。

燃天然氣燃燒器的運行方式有單段火、兩段火、兩段漸進式以及比例調(diào)節(jié)式。在同等條件下可優(yōu)先采用比例調(diào)節(jié)式；如果燃燒器經(jīng)常在較低負荷下運行，應(yīng)針對燃燒工況進行適應(yīng)性調(diào)整。燃天然氣的燃燒器選型時調(diào)節(jié)幅度要大，能夠適應(yīng)負荷變化的需要，以保證在不同工況下穩(wěn)定地燃燒；同時，還要避免燃燒器反復(fù)起停，以減少熱風(fēng)爐的熱損失。

直接式熱風(fēng)爐的燃燒器可選用雙段滑動式燃燒天然氣型號，并可根據(jù)用戶的具體要求配置冷風(fēng)-天然氣自動比例式調(diào)節(jié)器，這樣就能適應(yīng)熱定型機對熱風(fēng)溫度的變化需求，從而對燃燒天然氣的氣量進行自動調(diào)節(jié)。燃天然氣直接式熱風(fēng)爐可提供低于500 ℃的煙氣式熱風(fēng)，熱風(fēng)溫度可根據(jù)印染定型的生產(chǎn)工藝進行設(shè)定，升溫速度快、溫控精度高，滿足定型機的供熱需要。采用燃天然氣直接式熱風(fēng)爐供熱定型機的能耗比較低，因為天然氣直燃式加熱定型機時，熱能沒有經(jīng)過多次熱交換的過程，熱能利用效率比較高。

1.2 燃天然氣間接式

燃天然氣直接式熱風(fēng)爐供熱定型機對漂白產(chǎn)品的質(zhì)量會有影響，為了保證漂白產(chǎn)品的質(zhì)量，需采用燃天然氣間接式熱風(fēng)爐供熱定型機。燃天然氣間接式熱風(fēng)爐是以天然氣為燃料，產(chǎn)生清潔空氣式熱風(fēng)的加熱爐。該爐型可以提供低于350 ℃的清潔干凈熱空氣，不會污染化纖和棉布織物；并且，燃天然氣間接式熱風(fēng)爐的供熱能力調(diào)節(jié)范圍大，運行成本較低，運行操作方便，自動控制水平高，溫控精度較高。

燃天然氣間接式熱風(fēng)爐是由天然氣燃燒器、鼓風(fēng)機、換熱筒體、自動控制系統(tǒng)等部分組成。天然氣經(jīng)過燃燒器高效燃燒后生成高溫氣體，再通過換熱筒體或者換熱管將鼓風(fēng)機輸入的干凈冷空氣間接地加熱到定型機所要求的溫度，供給熱定型機烘箱的是清潔式高溫?zé)犸L(fēng)。同時，爐子的自動控制系統(tǒng)通過對燃燒天然氣的氣量進行自動控制調(diào)節(jié)，以達到爐子的輸出熱風(fēng)溫度，滿足印染定型溫度的要求。

筆者設(shè)計開發(fā)的燃天然氣間接式熱風(fēng)爐的換熱筒體為煙氣和空氣雙回程輻射——對流換熱器。該換熱筒體集燃燒與換熱為一體，使煙氣和空氣各走其道，最終，空氣經(jīng)過爐子被加熱后不被污染[2]。同時，為了降低煙氣的排出溫度，減少NOx排放量，提高爐子熱效率，在換熱筒體內(nèi)設(shè)計了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，即增設(shè)了煙氣回流室；其作用是換熱完成后的部分煙氣回流，與燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌虾?，再次循環(huán)參加爐子的換熱過程。由于煙氣的回流作用會使天然氣的燃燒溫度降低，從而減少了向大氣環(huán)境排出的煙氣總量，降低了NOx排放量，減少了大氣污染。

2 燃生物質(zhì)能導(dǎo)熱油爐供熱

熱定型機的平均熱能利用率只有24%～29%，大部分熱量會隨熱風(fēng)直接從烘箱中抽出，排放到大氣中，廢氣散發(fā)的熱能達到61%，能源浪費十分嚴重。但是，燃生物質(zhì)能導(dǎo)熱油爐卻能夠提供穩(wěn)定的高溫導(dǎo)熱油，再去加熱烘箱中的干凈空氣，可以滿足定型機的供熱需要，還可以為蒸化機、焙烘機等其他需要高溫的設(shè)備供熱，但這些高溫設(shè)備的天然氣直燃式熱風(fēng)供熱改造技術(shù)目前還不夠成熟。

2.1 燃生物質(zhì)顆粒燃料

生物質(zhì)顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，采用木屑、秸稈、稻殼、玉米芯、樹枝、麥桿、稻草等農(nóng)林廢棄物為原料，經(jīng)過粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝制成顆粒狀，是可直接燃燒的新型潔凈燃料。由于燃料為顆粒狀，壓縮了體積，節(jié)省了儲存空間，同時也便于運輸，減少了運輸成本；另外，生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒效率較高，易完全燃燒，殘留量很少。

植物園中的盆栽桂花、銀邊翠、時令蔬菜，質(zhì)量分數(shù)為4.2%的碳酸氫鈉溶液、質(zhì)量分數(shù)為25%的氫氧化鈉溶液、質(zhì)量分數(shù)為0.1%的碘液。

臥式鏈條爐排方箱形燃生物質(zhì)顆粒燃料的導(dǎo)熱油爐由臥式方箱形爐本體和鏈條爐排燃燒裝置組成，爐膛內(nèi)輻射受熱面是將直徑相同的數(shù)根爐管密集地沿爐身盤卷而成螺旋長方形盤管密排布置，不僅密封性能好，保溫隔熱材料用量少，而且能較好地與機械化鏈條爐排燃燒裝置相匹配[3]。對流受熱面采用多組蛇形管片結(jié)構(gòu)，并且在爐頂部布置了多根頂棚管，爐管受熱面和進出口集箱互相連接，構(gòu)成了爐本體支撐框架。筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計上配備了二次風(fēng)結(jié)構(gòu)，二次風(fēng)約占總風(fēng)量的30%，在燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的燃燒中起到十分關(guān)鍵的作用。二次風(fēng)旋流攪拌爐膛內(nèi)氣體使爐內(nèi)煙氣產(chǎn)生漩渦，延長懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐膛內(nèi)的行程，使飛灰量及飛灰可燃物量進一步降低。此外，二次風(fēng)對懸浮可燃物提供了新鮮空氣，有利于提高導(dǎo)熱油爐的熱效率，降低導(dǎo)熱油爐初始排煙濃度。由于采用了旋流強化對流換熱技術(shù)，使煙氣低溫差換熱更加優(yōu)化，并且不容易積灰。此外，采用了喉口及爐膛出口煙氣溫度控制技術(shù)，可以使導(dǎo)熱油加熱過程更加均衡穩(wěn)定。

燃生物質(zhì)能導(dǎo)熱油爐輸出的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)循環(huán)熱油泵輸送到熱定型機烘箱內(nèi)的翅片式散熱器中，導(dǎo)熱油攜帶的熱量經(jīng)散熱器傳遞給空氣，熱空氣再經(jīng)噴嘴吹到布面上，將熱量傳遞到織物，最后由循環(huán)風(fēng)機抽出。造成熱損失的最大因素是定型機烘箱的排風(fēng)過程，在烘箱排出的高溫廢氣中，只有一部分是水蒸氣，其余的為熱空氣，可采用廢氣熱能回收裝置，將烘箱排出的高溫廢氣余熱回收利用。排風(fēng)機的風(fēng)量可通過風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，當排風(fēng)量過大時，也可通過排風(fēng)管上的風(fēng)門來進行調(diào)節(jié)。

生物質(zhì)顆粒燃料的特點是：燃燒點低、易于點火、顆粒密度較高，發(fā)熱量在15 900～20 100 kJ/kg，經(jīng)炭化后的發(fā)熱量高達29 300～33 500 kJ/kg。生物質(zhì)顆粒燃料不含硫、磷，燃燒時不產(chǎn)生二氧化硫和五氧化二磷，不會污染大氣環(huán)境，不會導(dǎo)致酸雨。燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐如果滿負荷運行時，無黑煙，林格曼黑度為0，爐膛揮發(fā)分燃盡率為100%，排出灰渣含碳量為3%～5%，總體燃盡率為95%～97%，節(jié)能效果顯著。另外，燃燒后的灰燼還可以作為鉀肥直接使用，可以更好地為企業(yè)創(chuàng)收?？傊?，生物質(zhì)顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，其特有的經(jīng)濟優(yōu)勢和環(huán)保效益符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.2 燃生物質(zhì)固硫型煤

生物質(zhì)固硫型煤屬于干式冷態(tài)成型煤，內(nèi)部加入了纖維狀態(tài)的生物質(zhì)，如稻草、玉米稈、秸稈等，生物質(zhì)不僅具有粘結(jié)作用，還有助燃作用。生物質(zhì)固硫型煤進入導(dǎo)熱油爐的爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質(zhì)首先燃燒，并且由于型煤表面形成了蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進入型煤內(nèi)部，增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒充分而完全。燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐輸出的高溫導(dǎo)熱油，通過熱油循環(huán)泵輸送給熱定型機烘箱中的翅片式散熱器，再加熱空氣，加熱后的熱風(fēng)經(jīng)循環(huán)風(fēng)機送入噴嘴，吹到濕織物上，蒸發(fā)織物上的水，并且加熱織物達到工藝所需的溫度。

生物質(zhì)固硫型煤采用干式工藝生產(chǎn)，煤料干度必須達到含水小于4%，生物質(zhì)含水小于7%。生物質(zhì)固硫型煤在導(dǎo)熱油爐中的燃燒效果很好，爐渣含碳量可達8%～10%；同時，通過加入消煙固硫劑還可達到較好的消煙、固硫效果，脫硫率最高可達71.9%。生物質(zhì)固硫型煤使燃燒過程中產(chǎn)生的SO2與固硫劑作用，生成硫酸鹽而被固定在灰渣中，減少了SO2的排放量。常用的固硫劑可分為鈣系、鈉系及其他金屬氧化物，鈣系固硫劑如石灰石（CaCO3）或消石灰[Ca(OH)2]，因其來源廣、易取得、價格低，成為工業(yè)加工中最常用的燃煤固硫劑。目前，生物質(zhì)固硫型煤常采用石灰石粉作為固硫劑，生物質(zhì)選用破碎的稻草或玉米稈，生物質(zhì)與原料煤的質(zhì)量比通常為3∶17 左右。這樣生產(chǎn)出來的生物質(zhì)固硫型煤具有高熱值、易點燃、不會結(jié)焦、火焰較長、煙塵量較低、環(huán)保效果較好等特點。

筆者設(shè)計開發(fā)的燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐是將一次能源（煤炭）和可再生能源（生物質(zhì)）結(jié)合在一起，是一種把節(jié)能減排技術(shù)與潔凈生物質(zhì)型煤燃燒技術(shù)相結(jié)合的清潔能源產(chǎn)品[4]。燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐具有如下優(yōu)點：易點火燃燒并且燃燒時間長，燃盡率高、熱值高；有明顯的固硫、固塵效果，固硫率可達50%～70%；同時，在燃燒過程中，SO2排放量可減少60%以上，煙塵排放量可減少90%以上，減排效果明顯。如果采用煤泥、煤粉、無煙煤等低質(zhì)原料混配，總節(jié)煤率可達30%以上，節(jié)能效果明顯。

2.3 燃沼氣

沼氣是指有機物在厭氧條件下經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種可燃性混合氣體，主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。通常情況下，甲烷約占60%、二氧化碳約占40%，還有少量氫氣（H2）、氮氣（N2）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）和氨氣（NH3）等。沼氣發(fā)酵的工藝流程為：原料收集、預(yù)處理、消化器（厭氧反應(yīng)器）處理、出料后處理、沼氣凈化與儲存。

筆者設(shè)計開發(fā)的燃沼氣導(dǎo)熱油爐是由沼氣燃燒器、爐本體、保溫層、圓筒鋼殼體、鍍鋅彩板外殼、煙氣出口等組成[5]。爐本體結(jié)構(gòu)采用圓形盤管式，爐管的受熱面由鋼管盤繞成的具有一定直徑、一定長度的幾組同心管圈組成；管圈中，管子之間無間隙密排布置，管圈既作為受熱面又作為煙氣隔墻。內(nèi)圈盤管包圍的圓柱形空間是燃燒室，沼氣在燃燒室內(nèi)燃燒經(jīng)輻射放熱后，高溫?zé)煔庖来芜M入內(nèi)圈盤管與中圈盤管以及中圈盤管與外圈盤管之間的煙氣通道，經(jīng)兩回程的對流換熱，煙氣由爐體后部進入尾部煙氣余熱回收裝置，并經(jīng)環(huán)保處理后，最終引至煙囪排入大氣。內(nèi)圈盤管的內(nèi)側(cè)為輻射受熱面，而內(nèi)圈盤管的外側(cè)與中圈盤管、外圈盤管的內(nèi)側(cè)表面構(gòu)成對流受熱面。

燃沼氣導(dǎo)熱油爐供熱是燃燒沼氣產(chǎn)生的熱量被爐膛中螺旋盤管內(nèi)的導(dǎo)熱油吸收，再由循環(huán)熱油泵送到定型機烘箱的熱交換器中，空氣經(jīng)熱交換器加熱后，再經(jīng)噴嘴吹到濕織物的表面上，部分熱風(fēng)帶著從織物上蒸發(fā)的水汽和其他揮發(fā)性物質(zhì)，由排風(fēng)機抽出，并經(jīng)環(huán)保處理后從廢氣管道排到室外。所以，燃沼氣導(dǎo)熱油爐供熱是一項保護綠色環(huán)境、實現(xiàn)節(jié)能減排的清潔能源供熱技術(shù)。

在印染定型生產(chǎn)工藝的中、后整理過程中需要進行加熱，尤其是熱定型機需要提供高達180～250 ℃的定型溫度，用于化纖織物定型，如果印染企業(yè)內(nèi)沒有沼氣的來源，也可以采用燃天然氣導(dǎo)熱油爐供熱的方法對熱定型機烘箱進行供熱[6]。

3 熱電廠中壓中溫蒸汽供熱

采用熱電廠集中供熱的方式，可以直接供給中壓為2.5～2.8 MPa的過熱蒸汽，溫度為260 ℃，可以滿足定型工藝150～220 ℃的要求；但在低壓為0.5～0.8 MPa時，飽和蒸汽的溫度較低，一般是低于150 ℃的烘燥溫度，只能對棉布進行定型。因為化纖織物定型至少要達到180 ℃以上的烘燥溫度，對應(yīng)的蒸汽飽和壓力為1.6 MPa以上；氨綸等織物則需要220 ℃的烘燥溫度，對應(yīng)的蒸汽飽和壓力為2.6 MPa以上，需要利用其汽化潛熱來定型化纖織物。所以，采用中壓中溫蒸汽直接在定型機中進行熱交換，對織物進行加熱定型，安全可靠且熱效率較高，使用完的蒸汽排放可通過集中整治的方式進行，容易控制污染，因此，采用熱電廠的中壓中溫蒸汽供熱定型機是一種比較好的節(jié)能減排方法。

按照中壓過熱蒸汽價格為212 元/t，并且按照導(dǎo)熱油爐熱效率為70%、導(dǎo)熱油傳輸熱效率為95%，熱電廠鍋爐熱效率為88%、蒸汽傳輸熱效率為90%進行測算。（1）在蒸汽定型后的高溫凝結(jié)水全部回收利用的情況下，即中壓中溫凝結(jié)水可通過凝結(jié)水回收裝置轉(zhuǎn)換成低壓蒸汽和100 ℃的凝結(jié)水加以回收利用，中壓中溫蒸汽定型成本相比導(dǎo)熱油定型要低13.7%、節(jié)能29.42%。（2）蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用，但在100 ℃凝結(jié)水熱量不回收利用的情況下，中壓中溫蒸汽定型的成本比導(dǎo)熱油定型要低3.96%、節(jié)能18.24%。（3）蒸汽定型后的中壓中溫凝結(jié)水全部不利用，則中壓中溫蒸汽定型成本比導(dǎo)熱油定型要增加能耗7.7%、成本上升16.76%。

綜上所述，采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機，分析凝結(jié)水的利用情況可知，印染企業(yè)可通過凝結(jié)水的回收裝置回收全部閃蒸汽，100 ℃凝結(jié)水的水量也可以全部回收利用，能夠達到中壓中溫蒸汽供熱定型機余熱全部或部分回收利用。另外，如果采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機的方法，對定型機的改造任務(wù)主要是更換熱交換器，通常定型機每級烘箱的改造費用為3萬元，故每臺定型機總的改造費用為30多萬元。

4 結(jié)論

通常，熱定型過程是在烘箱內(nèi)完成，濕織物是以一定的速度連續(xù)通過烘箱，而熱源的供給方式有多種途徑，可以選擇在熱定型機烘箱內(nèi)使用燃天然氣供熱、導(dǎo)熱油供熱或中壓中溫蒸汽供熱的方法。熱電廠發(fā)電后的中壓中溫蒸汽可以為定型機供熱，經(jīng)過定型機的蒸汽壓力會有所下降，如果再經(jīng)過閃蒸器還可產(chǎn)生低壓蒸汽，可用于染色機等需要使用蒸汽設(shè)備的供熱。當采用中壓中溫蒸汽的壓力在2.5～2.8 MPa時，就能保證定型機的最高溫度達到205～210 ℃，當中壓中溫蒸汽的壓力為3.2 MPa 時，定型機的最高溫度可達到220～225 ℃，可以滿足化纖織物熱定型工藝的要求。

燃天然氣直接式熱風(fēng)爐供熱定型機的燃料生產(chǎn)運行成本要比中壓中溫蒸汽供熱定型機的運行成本高15%～55%，比燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐供熱定型機的燃料生產(chǎn)運行成本高60%～95%。另外，中壓中溫蒸汽供熱定型機的受壓設(shè)備和蒸汽管道每年的安全檢驗維修費用最高，燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐供熱定型機每年的安全檢驗維修費用較低，燃天然氣直接式熱風(fēng)爐供熱定型機的檢驗維修費用最低。