熱電廠輸送中壓蒸汽加熱定型機及保溫層計算

汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心  上海  200042）

摘  要：討論了熱電廠使用的循環流化床鍋爐結構型式，分析了熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽經過溫度壓力控制裝置產生飽和蒸汽加熱定型機，研究了蒸汽管道保溫材料和蒸汽管道保溫層厚度計算方法以及施工注意事項。

關鍵詞：熱電廠；循環流化床鍋爐；中壓中溫蒸汽；蒸汽管道保溫；熱定型機

1．前言

織物在織成布面后會進行定型處理，因為織物經過熱定型后，物理性質和化學性質均較穩定，例如：縮水、幅寬、經緯密度等不易變化，布面也較為平整；但因為熱定型溫度較高，故應注意定型前后顏色的變化，特別是一些敏感色，如灰色、軍綠色、淺卡其等，所以一般要注意定型的顏色。另外，熱定型可以控制布面的幅寬、經緯密度、縮水率等，因此，熱定型對溫度、車速都有嚴格要求。

滌綸梭織面料的定型溫度是170～200℃，速度為20～28M/分鐘。滌綸定型溫度一般變化不大，但大紅染料升華牢度不好，做完后機箱會留下染料，不能即刻做淺色，只能做黑色，也可用廢布多過幾次機，才能做淺色。滌綸拉架布縮水率很大，如果客戶要求彈性好、縮水率小、手感好，必須胚布預定型定死，特別留意黑白。紅白花，由于染料升華牢度不好，成品定型必須低溫，如果高溫則會嚴重沾污產品。

錦綸梭織面料的定型溫度是160～180℃，速度為20～25M/分鐘。錦綸定型溫度高低對顏色變化很大，特別是紫色、粉蘭等，所以要留意定型后與定型前的顏色是否相同。錦綸面料的厚薄縮水率也大小不同。錦綸面料定型時很容易勾紗，如果定型過程中出現一條到頭的勾紗，要立刻停機，檢查機頭面尾、風箱、滾筒，并采用砂紙打磨或者墊布。

2．循環流化床鍋爐結構型式

熱電廠使用的循環流化床鍋爐是將燃料在流化狀態下進行燃燒，一般粗粒子在燃燒室下部燃燒，較細的粒子在燃燒室上部燃燒。被吹出燃燒室的細粒子經分離器收集下來之后，通過還料器送回燃燒室實現循環燃燒。燃燒室內的燃燒溫度為880℃，流化床溫度控制在850～900℃之間，屬于低溫燃燒，有利于控制NOX的生成，而加入石灰石可以實現爐內脫硫；并且采用分級燃燒方式，一次風量為55%，二次風量為45%，床層壓差控制在6～12kPa；一次風是通過了布風裝置送入燃燒室，二次風從燃燒室下部的錐體部分、分成三層送入燃燒室。

煤是從爐前煤斗，經過給煤機送至返料管的給煤口；石灰石是以氣力輸送方式，從返料管的給石灰石口送入。因此，煤和石灰石是從返料管上加入，與返料混合后進入燃燒室，從而有利于循環流化床鍋爐的燃燒和脫硫[1]。

循環流化床鍋爐結構是由水冷風室、燃燒室、高溫旋風分離器、返料器、尾部煙道等組成。燃燒室包覆面積全部布置膜式水冷壁，水冷風室和布風板采用膜式水冷壁結構，與燃燒室膜式水冷壁互相構成一體，鐘罩式風帽布置在肋片上。燃燒室內布置有附加受熱面：前后雙面膜式水冷壁、第2級屏式過熱器、屏式熱端再熱器。

兩個高溫旋風分離器是偏心高效型，且采用絕熱式結構，分離器的進氣管向下傾斜一定角度；分離器中心排氣管是倒錐形結構，并且在排氣管的進口處有一個帽沿；分離器中心排氣管偏心布置，使排氣管中心與氣流旋轉中心合一，從而可提高分離效率。每個分離器下有一個流化密封型的返料器，每個返料器有2根返料管，返料經過返料管流入燃燒室內循環燃燒，返料閥門為非機械型自平衡式[2]。

從旋風分離器內出來的煙氣進入尾部煙道，且在尾部煙道內從上到下依次布置了受熱面：第3級過熱器、第1級過熱器、冷端再熱器、省煤器、空氣預熱器。尾部煙道上部采用膜式壁包墻過熱器、下部采用護板結構。在第1級與第2級過熱器之間、第2級與第3級過熱器之間，分別布置了第1個和第2個噴水減溫器，用來調節過熱蒸汽溫度。在冷端再熱器與熱端再熱器之間布置了一個噴水減溫器，用來調節再熱蒸汽溫度；另外在冷端再熱器入口處布置了事故噴水減溫器。省煤器是由兩個蛇形管組構成，布置在尾部煙道內。管式空氣預熱器采用臥式布置在尾部煙道的下部。

循環流化床鍋爐點火采取床下油槍預燃筒點火和床上油槍點火相結合方式，床下2個油槍點火的熱煙氣發生器布置在風室前的風道內，床上4個油槍點火的啟動燃燒器布置在布風板位置以上3米處，從而可達到床下和床上聯合點火方式。

循環流化床鍋爐設置了2臺風水聯合冷卻的流化床冷渣器，布置在鍋爐房零米層，處在燃燒室下面兩側。水冷為主，風冷為鋪。每一臺冷渣器是由3個室組成，第1個室是選擇性的冷渣室；第2個室與第3個室內安裝有蛇形水冷管束，采取的是風水聯合冷卻室。

3．熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽加熱定型機

蒸汽是印染企業生產中經常使用的熱源介質，能夠滿足印染生產工藝中所需要的加熱、換熱等重要功能。蒸汽供熱系統包括蒸汽的產生、傳輸、使用、回收凝結水、凝結水的梯級再利用等方面。熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽，需要采用中壓蒸汽管道輸送給印染廠的熱定型機使用，而由蒸汽主管道引出的蒸汽支管要從蒸汽主管的上部引出，并在蒸汽管道安裝時，為了在熱定型機的開車和運行時排出凝結水，要在蒸汽管道的最低點設置蒸汽疏水器。選擇疏水器的能力是要在幾分鐘左右的時間內排出開車時所產生的凝結水。

熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽的熱量包括三個部分：過熱度熱量、飽和相變熱量、冷凝水的熱量。其中過熱度熱量占總熱量的10%左右，飽和相變熱量占總熱量的70%左右，冷凝水熱量占總熱量的20%左右，因此中壓中溫蒸汽大部分是相變熱量，也稱為潛熱。根據蒸汽輸送的特性，熱電廠提供的過熱蒸汽溫度超過熱定型機的定型溫度，因此就需要對熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽進行減溫和減壓，將過熱蒸汽中的顯熱轉化為潛熱，進而降低過熱蒸汽的壓力和溫度，使過熱蒸汽轉化為符合熱定型工藝要求的飽和蒸汽[3]。

采用過熱蒸汽加熱定型機的缺點是：溫度非常高，遠高于定型溫度；傳熱系數低，過熱蒸汽傳熱屬于氣體傳熱，使用顯熱來傳遞熱能；過熱蒸汽放熱系數遠遠低于飽和蒸汽，需要較大的傳熱面積，過熱蒸汽會在換熱表面上產生溫度梯度；過熱蒸汽的壓力很高，因此需要更高壓力等級的壓力設備，所以需要較高的設備初期投入資金。

利用飽和蒸汽加熱定型機的優點是：傳熱系數高，可以利用飽和蒸汽凝結釋放潛熱（蒸發焓）快速、均勻的加熱；通過控制蒸汽壓力就可以控制蒸汽溫度，因此可以迅速的確定和控制熱定型溫度，從而可以達到提高產品質量和生產效率；要求傳熱面積相對較小，所以能夠有效地減少初期的設備投入費用。

綜上所述，由于過熱蒸汽的傳熱效率不如飽和蒸汽，因此，任何使用過熱蒸汽的換熱面積都必須大于在相同壓力下工作的飽和蒸汽傳熱面積，以傳遞相同的熱量給定型機烘箱。所以，熱電廠輸送的中壓中溫蒸汽經過溫度壓力控制裝置相變為飽和蒸汽加熱定型機的優勢是：降低蒸汽使用成本，提高蒸汽使用效率，提高熱定型機烘箱內換熱器的熱效率，延長蒸汽散熱器的使用壽命，延長管道和閥門的使用壽命，延長控制閥的維修周期[4]。

中壓中溫蒸汽經過溫度壓力控制裝置系統的特點是：升溫快、流量省、蒸汽熱量利用率高，并且適應各種面料的定型工藝，進入的蒸汽可以低壓蒸汽與中壓蒸汽自由切換，回用可以選擇回水與回汽，印染企業可以根據具體的熱定型工況進行自由選擇節能模式與高溫模式，從而在保證面料的定型工藝情況下最大限度地減少了蒸汽流量。

4．蒸汽管道保溫材料及保溫層厚度計算方法

蒸汽管道保溫是為了防止熱量損失，這樣蒸汽才不會在沿管道的流動時有太多的飽和水析出；當然還有安全問題，即限定保溫層外表面溫度不要太高，從而防止操作人員被高溫燙傷；而蒸汽管道保溫層設計計算是根據不同的要求和限制條件，采用不同的計算方法。第一種是為了減少蒸汽管道散熱損失、并且要獲得最佳的經濟效果，可以采用最佳的經濟合理保溫層厚度計算方法；第二種是為了限定蒸汽管道保溫層外表面散熱的熱流量，可以采用保溫層外表面最大允許熱損失量的計算方法；第三種是為了限定蒸汽管道保溫層外表面溫度不能太高，從而保證操作人員的安全問題，可以采用保溫層外表面溫度的計算方法[5]。

4.1 蒸汽管道保溫材料

熱電廠的中壓中溫蒸汽通過蒸汽管道輸送給印染企業作為熱定型機的熱源，為了減少蒸汽管道在蒸汽輸送過程中無效的散熱損失，必須對蒸汽管道進行保溫，從而達到節約蒸汽費用、降低熱量損耗的效果。蒸汽管道常用的保溫材料是纖維狀保溫材料，具有容重很輕、導熱系數很小、不易燃燒等特點，常用的纖維狀保溫材料有超細玻璃棉、硅酸鹽纖維等。

超細玻璃棉是一種纖維直徑特別細的玻璃纖維，對皮膚無刺激感，超細玻璃棉不僅具有良好的保溫絕熱作用，而且還有較好的隔音效果。硅酸鹽纖維是一種耐高溫的纖維狀保溫材料，其使用溫度可以達到1000～1100℃，硅酸鹽纖維通常制作成保溫氈、保溫棉、保溫板、保溫毯子等。蒸汽管道常用的保溫管殼制品有硅酸鋁管殼制品、輕質超細玻璃棉管殼制品、巖棉管殼制品、微孔硅酸鈣管殼制品。

硅酸鋁是以硬質黏土熟料為原料，經過電阻爐或電弧爐熔融、噴吹成纖維工藝生產制成。硅酸鋁管殼制品的優點是耐高溫、熱穩定性好、化學穩定性好、熱傳導率較??；缺點是抗壓抗折力較差、防水性能差、造價高。

玻璃棉是以玻璃球為原料，經過高溫熔制、拉絲等工藝生產制成，是一種無機質纖維。輕質超細玻璃棉管殼制品的優點是成型好、體積密度小、熱導率小、機械強度高；缺點是不耐水、不耐擠壓、最高使用溫度是400℃。

巖棉是用優質玄武巖、白云石等巖石或者爐渣作為主要原料，在爐內熔融制成纖維狀的材料。巖棉管殼制品的優點是熱導率小、彈性好、不易燃燒、價格低、可承受溫度小于600℃；缺點是吸水率大、水分容易聚集在巖棉內，長期使用后會增加保溫層的重量，從而導致保溫層脫落需要進行返修，另外巖棉可能導致操作人員生癌癥。

硅酸鈣是用硅藻土、硅砂等硅酸類原料與石灰石、石棉纖維或者玻璃絲纖維為主要原料，經過高壓釜處理制造而成的晶體硅酸鈣，通過結晶時硅酸鈣的自硬凝固作用，便可得到在強度、耐水性能方面都很好的保溫材料。微孔硅酸鈣管殼制品的優點是抗壓強度大、使用壽命長、耐酸堿、不易腐蝕、不易變形、防水性能好、使用溫度可達到650℃；缺點是密度較大、導致蒸汽管道的跨距縮短，保溫層后期維護和維修難度較大，工程安裝較為繁瑣。

4.2 蒸汽管道保溫層厚度計算方法

在計算保溫層厚度時，如果增大保溫層厚度，蒸汽管道的散熱量就會減少，但是施工費用就要增加，施工費不僅是保溫材料費，還包括保溫層安裝費、外防護層安裝費、腳手架等費用。所以，需要綜合考慮最佳的與經濟合理的蒸汽管道保溫層厚度。

蒸汽管道保溫層厚度計算公式如下：

      （1）

保溫層厚度        （2）

式中：D1——保溫層外徑，m；

D0 ——蒸汽管道外徑（保溫層內徑），m；

——保溫層厚度，m；

——保溫層在平均溫度下的導熱系數，W/（m?K）；

T0——蒸汽管道的外表面溫度（管道內介質溫度），℃；

Tr——環境溫度，℃；

Tm——保溫層內表面與外表面的平均溫度，℃；

      （3）

——表面傳熱系數，W/（m2?K）；

w ——年平均風速，m/s；

       （4）

A ——保溫材料的施工價格，元/m3；

B ——熱量價格，元/GJ；

H ——年使用時間，h；

S ——絕熱保溫投資年分攤率，%；

n ——年利率（復利息），%；

m ——折舊年限（計息年數），年。                                                       

        （5）

蒸汽管道保溫后的散熱量Q按下式（6）計算：

      （6）

式中：Q——蒸汽管道保溫時的散熱量，W/m2；

保溫層的外表面溫度TS按下式（7）計算：

      （7）

式中：TS——保溫層的外表面溫度，℃。

單位長度保溫費用F按下式（8）計算：

      （8）

式中：F——單位長度保溫費用，元/m；

C——保溫材料價格，元/m3。

4.3 蒸汽管道保溫層施工注意事項

當保溫層厚度超過100mm時，應該分為兩層或多層，并且需要逐層進行施工。

瓦塊式保溫制品的拼縫寬度不得大于5mm，縫隙用石棉灰膠泥填滿，并且需要砌筑嚴密，瓦塊內應涂抹3～5mm厚度的石棉灰膠泥層，且施工時應保證錯縫。當采用兩層以上的保溫制品時，同層保溫制品應該錯縫安裝，里層與外層應該壓縫安裝，其搭接長度不應小于50mm，每一瓦塊式保溫層應采用兩道鍍鋅鋼絲或箍帶捆扎緊，不能采用螺旋捆扎方法。

管道端部或左、右盲板的部位應該敷設保溫層。

5．結語

織物熱定型通常是將織物保持一定的尺寸，在一定的溫度、濕度條件下，加熱一定時間后，進行冷卻的過程。溫度是影響熱定型質量最主要的因素之一，因為織物經過熱定型后，原來存在的皺痕被消除的程度，表面平整性的提高，織物的尺寸熱穩定性等，都與定型溫度的高低有著密切的關系。

定型溫度要根據織物的彈性縮水率、厚薄而定，如果溫度過高，則強力下降、彈性降低，織物有變色的可能；但定型溫度過低，織物易卷邊、幅寬不穩定、縮水率大。做柔軟整理時，烘干溫度控制在布面干為宜，烘干溫度不宜過高，否則會影響織物的手感。

定型車速的快慢，主要取決于定型區的長短與定型溫度，車速太快定型沒有效果，染整定型過程中細皺紋不易解決；但車速太慢尤其在高溫條件下，織物泛黃、彈性下降。

定型時上料的軋輥壓力決定布面所帶料液的多少，對布面手感、顏色等有著重要的影響。超喂的大小直接影響織物的緯向密度，從而影響織物的縮水性能，同時為兼顧織物生產時張力要適當防止軋皺及緯斜。

定型的超喂，在確定織物的門幅之后，選擇合適的超喂量與張力，它影響到織物的克重、彈性、布面整理皺紋的產生，如果織物張力小、超喂大，布面不平整，很難消除織物在染色過程中生產的細皺紋；但織物張力大、超喂量小，會導致熱定型時卷邊。定型拉幅的幅寬決定織物定型后的幅寬，使定型后的織物幅寬達到工藝要求，使織物經過預縮后幅寬達到客戶的要求。

參考文獻：

[1]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.循環流化床導熱油爐的循環系統研究[J]. 工業爐,2018,40(3):24-28.

[2]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.循環流化床導熱油爐設計參數的分析與計算[J].工業爐,2018,40(2):50-54.

[3]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.清潔能源供熱技術在印染定型機中的應用研究[J].染整技術,2019,41(5):40-43.

[4]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熱定型機采用天然氣或中壓蒸汽供熱方式研究[A]. 2021第十三屆廣東紡織助劑行業協會年會論文集[C],廣東佛山,2021年9月:108-114,

[5]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熱載體加熱爐結構與節能減排措施的研究[J].上海節能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

作者簡介：

汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、焚燒爐、聯苯爐、生物質氣化爐的研究設計開發工作。

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