導熱油熱媒系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應用

吳景龍，張正國，吳松海，武明臣

(1.中海油能源發(fā)展珠海精細化工有限公司，廣東 珠海 519055；2.天津大學化工學院，天津 300072)

導熱油熱媒系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應用

吳景龍1，張正國1，吳松海2，武明臣1

(1.中海油能源發(fā)展珠海精細化工有限公司，廣東 珠海 519055；2.天津大學化工學院，天津 300072)

導熱油熱媒系統(tǒng)是一種能在低蒸汽壓下進行高溫熱量供給的熱能裝備系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有傳熱效果好、節(jié)能輸送和操作方便的特性，而導熱油在使用過程中常因為熱流強度過大或加熱管內(nèi)設計流速偏低而結焦, 影響傳熱, 減少導熱油壽命, 甚至威脅系統(tǒng)的安全。針對以上問題，就導熱油熱媒系統(tǒng)工藝組成及導熱油劣化的原因進行分析并研討清焦措施。

導熱油；熱媒系統(tǒng)；變質；清焦

0 引言

導熱油是一種高效的有機熱載體傳熱介質，主要因為它在較高的工藝溫度下飽和蒸汽壓遠小于水的飽和蒸汽壓而表現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性。導熱油熱媒系統(tǒng)替代了原有工藝高溫蒸汽加熱的方式，彌補了加熱不均勻，熱穩(wěn)定性差，造成產(chǎn)品質量不穩(wěn)定的缺點[1]，且無毒無污染。然而導熱油在加熱爐中受熱時 (主要是輻射段 ), 較高的運行溫度會加速導熱油的劣化、降解，常常因為熱流強度過大或加熱管內(nèi)設計流速偏低而使熱邊界層加厚, 熱阻增大, 膜溫升高, 造成導熱油結焦, 殘?zhí)糠e于管壁, 影響傳熱, 并可進一步產(chǎn)生局部過熱, 形成惡性循環(huán), 使導熱油壽命減少,甚至威脅系統(tǒng)的安全。經(jīng)驗的做法都是往系統(tǒng)中注入新鮮導熱油，而從未對導熱油進行過再生或更換。導熱油價格昂貴，因此，規(guī)范地使用和維護，延長導熱油使用周期是提高經(jīng)濟效益的重要手段。本文就導熱油熱媒系統(tǒng)中導熱油劣化的原因進行分析并研討清焦措施。

1 導熱油的性質及劣化

導熱油大致可分為礦物型導熱油和合成型導熱油。礦物油是以石油餾分為原料加工制成，主要是烷烴，使用溫度低，一般不能超過310 ℃。合成型導熱油的熱穩(wěn)定性較好, 使用溫度可達400 ℃, 但價格較貴。導熱油一般由基礎油加各種添加劑精制而成，基礎油約占導熱油總量的90%以上,可適當添加一些抗氧化劑、降凝劑、復合阻焦清潔劑等添加劑。造成導熱油劣化的原因如下：

1.1 熱裂解及氧化

在高溫下導熱油與空氣發(fā)生氧化反應，熱穩(wěn)定性較差的烷烴、環(huán)烷烴的烷基長側鏈大量斷裂，發(fā)生裂解及氧化反應，氧化生成醛、酮、有機酸和過氧化物。生成的輕組分從膨脹槽排出，過氧化物容易縮合形成膠質和瀝青質，牢固地黏附在管道內(nèi)壁的金屬表面， 嚴重影響傳熱、引起腐蝕。氧化自由基鏈式反應式如下：

(1)RH+O2→R·+HOO·

(2)R·+O2→ROO·

(3)ROO·+RH→ROOH+R·

在此反應鏈中，氧的含量和自由基的活性決定了反應的速度，而自由基的活性隨著溫度的升高也大幅提高[2]。導熱油熱媒系統(tǒng)運行中突然斷電，爐管內(nèi)的導熱油急劇升溫導致局部過熱，會加快裂解和縮合反應的速度；氮封系統(tǒng)的失效，法蘭連接和焊接質量存在問題，都會加速導熱油的氧化降解。

1.2 雜質

雜質對導熱油的影響是多方面的，一方面，部分雜質可以直接與導熱油發(fā)生化學反應；另一方面，一些雜質，比如金屬，能提高導熱油中自由基的活性，起到催化劑的作用，加快導熱油的劣化速度。導熱油熱媒系統(tǒng)管線和罐體為金屬材料, 產(chǎn)生的鐵銹可以加速導熱油的變質。換熱器盤管開裂后，若換熱器另一程壓力高于熱媒系統(tǒng)壓力，導致油竄入熱媒系統(tǒng)，也會造成污染。

2 導熱油熱媒系統(tǒng)

導熱油熱媒系統(tǒng)由熱載體爐、熱油循環(huán)泵、膨脹槽、儲油罐、注油泵、自動控制系統(tǒng)等組成。某精細化工廠的一套YQL-14000Q型導熱油爐，以導熱油為介質, 利用循環(huán)泵,強制導熱油進行液相循環(huán), 將熱能輸送給換熱設備后,再返回導熱油爐重新加熱。具體工藝流程如圖1。

圖1 導熱油熱媒系統(tǒng)工藝流程

2.1 熱油循環(huán)泵

熱油循環(huán)泵的作用是克服導熱油在循環(huán)過程中的壓降損失以保證導熱油的循環(huán)。最大循環(huán)量確定為[3]：

G=3.6Q/[C×(t2-t1)×ρ]

(1)

式中:G——導熱油循環(huán)量；

該類維修集約范式維修程式的核心理念為“分級+定期”，采用日常維修和定期檢修相結合的方式，主要開展大修、架修、年檢、半年檢、月檢、日檢等6個層級的維修活動，如表2所示。同時，根據(jù)不同城市軌道交通運營的線路、車型差異，6個層級的劃分存在一定的差別。該種維修集約范式存在維修工作時間確定及維修工作時間集中性明顯等特點。

Q——導熱油爐的供熱量，kW；

C——導熱油平均比熱，kJ/kg·℃；

ρ——導熱油密度，kg/m3；

t1——導熱油爐入口溫度，℃；

t2——導熱油爐出口溫度，℃。

為防止導熱油結焦一般取溫差t2-t1≤30 ℃。停爐時必須待導熱油溫度降到70 ℃以下方可停止導熱油循環(huán)泵的運行。

2.2 高位膨脹槽

膨脹槽有儲存導熱油受熱膨脹量，補充導熱油，排除系統(tǒng)中氣體的作用。閉式膨脹槽一般采用惰性氣體密封，工作溫度一般要求≤70 ℃，設計安裝在系統(tǒng)的最高點，膨脹槽是有熱位移的設備，一邊基礎為固定端，一邊為滑動端。和熱油儲槽之間設有雙降液管，一方面能夠滿足整個系統(tǒng)的熱油膨脹，另一方面能適當?shù)嘏懦麄€系統(tǒng)的氣體，具有導熱油以系統(tǒng)全流量通過的能力[1]，膨脹槽在正常工況時保持高液位，這樣可以使得在需冷油置換時有足夠的導熱油來防止加熱爐內(nèi)導熱油的超溫過熱。

2.3 導熱油爐

導熱油加熱爐包括本體、燃燒器、空氣預熱器、鼓風機、煙囪等，爐管選用20 g無縫鋼管，加熱爐效率≥92%，系統(tǒng)溫度維持在250 ℃，導熱油出系統(tǒng)壓力為0.5 MPa，采用PLC控制實現(xiàn)全自動控制。

2.4 儲油罐

儲油罐的主要作用為儲存膨脹器溢流出的導熱油，通過注油泵向高位膨脹槽中注油，在進行維護檢修時需將導熱油爐本體、用熱設備、管路及附件內(nèi)的導熱油全部放盡，因此低位儲油罐的容積應不小于導熱油爐中導熱油總容量的1.2倍。取裝填系數(shù)80%，則儲油罐的容積為[4]：

V=1.2×V0/0.8

(2)

V，儲油罐容積，m3；V0，整個系統(tǒng)導熱油的體積，m3。

2.5 自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為動力控制及儀表顯示控制兩部分，包含熱媒流量、進出口油溫、壓力、煙氣溫度檢測、一鍵點火控制等。

2.6 系統(tǒng)吹掃與排水

通常導熱油爐熱媒系統(tǒng)的工作壓力﹤0.6 MPa，故導熱油熱媒系統(tǒng)的管路宜采用空壓機爆破吹掃。若導熱油爐熱媒系統(tǒng)進行水沖洗，則需將系統(tǒng)管路中的水徹底排干凈。導熱油的水分含量一般控制在3×10-4以下，才不會影響系統(tǒng)的正常運行，如果水含量過高會引起循環(huán)泵氣蝕。某精細化工廠開工時的導熱油爐的升溫烘爐曲線，如圖2。

圖2 導熱油爐的烘爐曲線

3 導熱油熱媒系統(tǒng)的清焦

結焦是導熱油爐的熱效率降低及導熱油爐失火的主要原因?？梢酝ㄟ^適當降低熱流強度、減小加熱管徑或提高熱油流速來預防結焦，控制導熱油在加熱爐管內(nèi)工作的適宜流速值為 2～2.5 m/s。判定導熱油是否失效的直接依據(jù)是傳熱效果，但是真正判定導熱油是否失效要依據(jù)化驗數(shù)據(jù)，必要時還要色譜對比分析。為了使導熱油系統(tǒng)長期有效運行, 必須對導熱油系統(tǒng)進行不定期的分析檢測, 諸如黏度、閃點、酸值及殘?zhí)康戎笜?。當導熱油達到報廢標準時, 要及時更換并對導熱油系統(tǒng)進行徹底的清洗, 延長熱媒爐的使用壽命。導熱油熱媒系統(tǒng)的清焦措施主要為：

3.1 導熱油排出系統(tǒng)后對傳熱系統(tǒng)的清洗

導熱油熱媒系統(tǒng)停運后的清洗主要有物理清洗和化學清洗。化學清洗分為堿液清洗和酸液清洗兩大類，熱媒系統(tǒng)中淤泥和沉積物主要是金屬氧化物和導熱油分解物,加入酸液或堿液后,可用溶劑除去污垢沉積物和淤泥中的導熱油[5]。當形成的不溶物質完全堵塞了系統(tǒng)，在加熱器表面形成硬焦時，需要進行機械清洗，如高壓噴水管、蒸汽噴槍和帶動旋轉的清潔頭的轉動設備機械清洗等[6]，無論是化學清洗或是物理清洗，這些清洗方法均須在熱媒系統(tǒng)停運的前提下進行，并排空導熱油，將影響熱媒系統(tǒng)正常生產(chǎn)，而且變質導熱油的處置也將成為問題。

3.2 介質管線在線清洗

在線清洗技術(在線清洗劑結合高溫物理過濾) 是在基本不影響熱媒系統(tǒng)正常運行的前提下，將在線清洗劑直接注入管道中，清除管道內(nèi)壁上的污垢。在導熱油只有輕度氧化或只有輕度腐蝕的情況下，可以通過旁路過濾器過濾，使用循環(huán)泵循環(huán)清洗，施工成本低，難度小。

4 結束語

導熱油作為傳熱介質，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領域得到越來越多的應用，其工藝也在不斷改進。導熱油的劣化是不可避免的，選擇熱穩(wěn)定性優(yōu)良的導熱油,規(guī)范地使用和維護，并定期對運行中的導熱油進行質量監(jiān)測,預防導熱油的劣化變質，可以最大限度的延長其使用壽命，是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的重要手段。

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Application of Heat Conduction Oil Heating Medium System in Industrial Production

WU Jing-long1, ZHANG Zheng-guo1, WU Song-hai2, WU Ming-chen1

(1.CNOOC Enertech Zhuhai Fine Chemical LTD., Zhuhai 519055, China; 2.School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The heat conduction oil heating medium system is a kind of heat energy equipment system which can provide high temperature heat supply under low vapor pressure. The system has the advantages of good heat transfer effect, energy saving conveying and convenient operation. However, the heat conduction oil is often heated too hot or the design flow rate of tube is too low which results in coking during using, affecting heat transferring, reducing the life of heat conduction oil, and even threatening the safety of the system. In this paper, the composition of the heat conduction oil heating medium system, reasons for the deterioration of heat conduction oil and decoking measures are analyzed and discussed.

heat conduction oil; heating medium system; deterioration; decoking

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.003

1002-3119(2017)02-0010-03

TE626.39

A

2016-12-05。

吳景龍，工程師，碩士，2014年畢業(yè)于天津大學化工學院化學工程專業(yè)，主要從事煉油生產(chǎn)與技術。E-mail：jinglongwu@126.com