導熱油間接加熱染色機及爐管外表面清洗方法
汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑
（上海導熱油爐設計開發中心 上海 200042）
摘 要：介紹了染色機的結構與型式，討論了導熱油間接加熱染色機的使用方法，即采用了油加熱換熱器的染色機，以及在原有的蒸汽加熱染色機結構上進行改裝的油加熱換熱器，從而達到節能降耗的目的，分析了導熱油爐的爐管外表面吹灰清焦的具體步驟，研究了導熱油爐的爐管外表面的化學清洗方法。
關鍵詞：導熱油加熱；染色機結構；導熱油爐；爐管外表面；吹灰清焦；化學清洗
前 言
根據把染料施加于織物和使染料固著在纖維中的方式不同，染色方法可分為浸染（或稱竭染）和軋染兩種。浸染是將被染織物浸漬于染液中，通過染液循環及與被染物的相對運動，借助于染料對纖維的直接性而使染料上染，并在纖維上擴散、固著的染色方法。軋染則是將織物在染液中經過短暫的浸漬后，隨即用軋輥軋壓，將染液擠入織品的組織空隙中，并除去多余染液，使染料均勻分布在織物上，染料的上染是（或者主要是）在以后的汽蒸或焙烘等處理過程中完成的。
染色機械和設備對于染色時染料的上染速度、均染性、染料的利用率、染色操作、勞動強度、生產效率、能耗和染色成本等都有很大的影響。染色機的品種及型號可根據其運轉操作是否連續、染物的形態、染色溫度、壓力、染液，及染物相對運動的情況和使用的染色方法等加以分類。染色機以染物的形態可分為：散纖維染色機、紗線染色機、織物染色機等。
在印染行業中對染色機染布的染液一般都是采用蒸汽加熱器的方式進行加熱染色，這種蒸汽加熱染色的方式普遍存在著生產成本高、能源消耗大、環境污染嚴重，并且效率低下，難以滿足印染行業對節能減排的生產要求；因此，采用導熱油爐循環供熱給染色機進行間接加熱的方法，使用油加熱換熱器的染色機，以及在原有的蒸汽加熱染色機上進行改裝的油加熱換熱器，取代傳統的染色機蒸汽加熱，從而能夠達到比原有生產成本降低30%～40%左右的節能減排效果。
1．染色機蒸汽加熱改裝使用導熱油加熱的方法
1.1 蒸汽直接加熱染色機
染色機是利用加熱染液對紡織物進行染色和前后處理，對染色液進行加熱，一般采用直接加熱或者間接加熱。直接加熱就是將高溫、高壓的蒸汽直接輸入染色機的染缸體內，使染液達到所需要的工藝溫度，其優點是加熱方式簡單；但缺點是蒸汽對染色液加熱以后產生的冷凝水會與染液相互混合，從而會改變染色液的濃度，進而會影響染色加工的質量。因此，為了保持染色液濃度，就需要不斷排放已使用過的、并且染色液濃度受到變化的染液水，同時還要新補充符合濃度的染色液；所以，蒸汽直接加熱染色機的水浴比相對較高。
1.2 蒸汽間接加熱染色機
蒸汽間接加熱染色機是采用蒸汽通過一臺熱交換器進行間隔加熱的方法，這樣就使得蒸汽不會與染色液互相接觸，其優點是不會改變染液的濃度。采用蒸汽加熱的熱交換器結構是在筒體內設置染液管，染液通過水泵強制進行循環。當染色液需要加熱時，通過向筒體內輸入蒸汽、且充滿整個筒體內部空間的蒸汽對染液管內循環染色液進行間接加熱；而當染色液需要冷卻時，通過向筒體內輸入冷水、且充滿整個筒體內部空間的冷水對染液管內循環染色液進行間接冷卻。
蒸汽間接加熱染色機的水浴比相較于蒸汽直接加熱染缸的水浴比要低很多，印染廢水的排放量也要明顯減少；但缺點是采用蒸汽對熱交換器進行加熱時，會有溫度較高的冷凝水排出，但是大多數印染企業因為無法回收利用大量的外排蒸汽冷凝水，所以就會造成大量的低溫熱能和水資源的嚴重浪費現象。
1.3 導熱油間接加熱染色機
采用導熱油爐循環供熱給染色機進行間接加熱的方法[1]，提供一種加熱或冷卻分別在不同的熱交換器內進行，且加熱時對染液或者加熱的熱源（高溫導熱油）沒有影響的節能環保加熱方法，即采用導熱油間接加熱染色機，在染布的染缸體內設有水位管，其上部一側位置設有進出布口，染缸體通過管道分別與過濾器、染液的給排水閥相連接，過濾器的另一端通過管道與加料桶、染液循環水泵相連通，而在染布的染缸體與染液循環水泵之間相連接、且有通過法蘭合二為一的水冷卻交換器以及油加熱換熱器。
油加熱換熱器包括筒體，其內部設有分層排列的受熱管，且受熱管內流動染液，筒體外殼兩端分別設有導熱油進口與出口，筒體內兩側皆設有形狀與之相配、且密封的熱源封頭與染液封頭；另外，熱源封頭與染液封頭之間形成空腔，受熱管兩端分別穿過熱源封頭及染液封頭，筒體與兩端熱源封頭之間形成的空間內充滿熱源；受熱管兩端分別穿過熱源封頭與染液封頭時的結合處呈現密封狀態。筒體外殼上對應于空腔的下側，皆設有滲漏液出口，受熱管可以采用金屬圓管或傳熱系數較高的異型金屬管制成，筒體內設有上、下間隔排列的折流擋板，折流擋板面積小于筒體內徑尺寸，分層排列的受熱管分別穿過對應的折流擋板。
筒體的一個側面設有染液進口。水冷卻交換器包括筒體，其內部設有分層排列的染液管，而在染液管內流動著染色液，筒體外殼兩端分別設有冷水進口與冷水出口，筒體內兩側皆設有其形狀與筒體兩側封頭之間形成的空間內充滿冷卻水，染液管兩端分別穿過封頭時的結合處呈現密封狀態。
筒體的另一個側面設有染液出口，染液管采用金屬圓管或者傳熱系數較高的異型金屬管制造而成，筒體內設有上、下間隔排列的折流擋板，折流擋板的面積小于筒體內徑尺寸，分層排列的染液管分別穿過對應的折流擋板。而通過法蘭合二為一的油加熱換熱器以及水冷卻交換器，會根據生產過程中的工藝需要分別對染液進行加熱與冷卻，從而達到染色工藝要求的染液溫度。
另外，油加熱換熱器的結構設計是通過供熱的熱源（高溫導熱油）直接對受熱管內的染液進行加熱，從而提高了熱量交換率。受熱管可以采用異型金屬管制作而成，這樣會增加受熱面的面積，并使得受熱管內流動的染液發生攪動作用，從而可以增加金屬管壁的傳熱效率。檔板的作用也在于使進入筒體內的熱源（高溫導熱油）隨著折流擋板阻隔的方向而流動，從而可以進一步增加熱源（高溫導熱油）與受熱管的接觸。
熱源封頭與染液封頭之間形成空腔的作用、在于當受熱管兩端分別穿過熱源封頭與染液封頭時的結合處發生滲漏時，滲漏液體可以通過空腔以及滲漏液出口排出。水冷卻交換器的結構設計也是相同的原理，這樣就可以極大提高了染液的冷卻效果。
2．染色機結構與型式
染色機對不同的纖維與不同類別的紡織品具有差別化和專一性，因此，需要明確染色機所能適應的纖維，以及適應的機織物還是針織物，若是適應于針織物，還需區分是適應于經編織物、緯編織物還是橫編織物；另外，還應了解該染色機是局限于單一品種的，還是數類別品種均可以使用的復合型。
2.1 散纖維染色機
染物的形態為散纖維、纖維條，散纖維染色容易染得勻透，但由于散纖維容易散亂；所以，一般采用染物散纖維填裝而染液循環的染色機。散纖維染色機最初是用于羊毛的染色，故稱為散毛染色機，至今仍有應用，通常把散毛染色機作為此類染色機的代表。纖維經初步紡織制成的纖維條或纖維條球，以此種染物形態的染色機也歸入散纖維染色機類。
散纖維染色機包括：吊筐式散纖維染色機、毛條球染色機。
2.2 紗線染色機
紗線根據其形狀有絞紗（包括絞絲、絨線）、筒子紗、經軸紗等，紗線染色產品主要供色織或針織用。紗線染色機包括：絞紗染色機、筒子紗染色機、經軸染紗機、連續染紗機。
2.2.1 絞紗染色機
絞紗染色機包括：噴射式絞紗染色機、液流式染色機、高溫高壓染紗機。
（1）噴射式絞紗染色機
絞紗套在多孔管上，用泵將染液從染槽送入多孔管，噴淋于絞紗上，順絞紗下流至染槽，與此同時，回轉棒轉動使套在多孔管上的絞紗漸漸轉動，改變和管子的接觸位置而達到均勻染色的目的。
（2）液流式染色機
染物保持不動，用旋漿或用泵使染液循環流經染物，其結構簡單、浴比較大，可以密閉、容量大，質量好，多用于絞紗。
（3）高溫高壓染紗機
染色時將絞紗堆放在紗籠中，將壓板蓋好擰緊，然后將紗籠架吊入染槽內，加入染液，依靠泵的作用，使染液由紗籠中間的噴管噴射經絞紗，再從四周回流，經過一定時間以后再換向循環。高溫高壓絞紗染色機采用密封操作，升溫和染色時間均可自動控制，浴比較小。高溫高壓染紗機多用于滌綸及其混紡紗的染色，也可用于其他纖維的染色，適應性較好。
2.2.2 筒子紗染色機
高溫高壓筒子紗染色機的結構是由高壓染缸、纖維支架、染小樣機、四通閥、循環泵、膨脹缸、加料槽、壓縮空氣、輔助槽等部件組成，紗線卷繞在空心的多孔管上，筒子染色機的基本結構與絞紗高溫高壓染紗機相似，所不同的是紗籠架被筒子托架所代替。
2.2.3 經軸染紗機
經軸染紗機可分為立式和臥式高溫染紗機，經紗卷在中空且表面布滿小孔的卷軸上，放在圓筒形機體的中央，染液是由泵自內向外循環或自外向內循環，染后經軸紗可以直接或再經過一定處理后用于織造，比絞紗染色的工序要簡化得多。
2.2.4 連續染紗機
連續染紗機適宜大比量低支數的紗、線或帶的染色，紗線經過染液浸軋、汽蒸、后處理連續完成染色過程，勞動生產率高，主要用于硫化、靛藍、直接等染料的染色。
2.3 織物染色機
織物染色機可分為浸染和連續軋染，浸染機大多適用于針織物、毛織物、絲綢織物等；連續軋染設備適用于棉、麻、滌綸/棉、滌綸/麻等機織物染色；浸染設備有繩狀和平幅，浸染式有繩狀染色機、溢流染色機、噴射溢流染色機等；平幅染色機有各種軋染機、卷染機、經軸卷染機和星形架染色機等。
2.3.1 繩狀浸染設備
（1）絞盤式繩狀染色機
絞盤式繩狀染色機習慣上稱為染機，絞盤式繩狀染色機的形狀根據容布量不同而略有不同，染布量多的形狀一般為扁而寬，織物進出染色機需要手工操作，因此產量低。
（2）絞盤式高溫高壓繩狀染色機
絞盤式高溫高壓繩狀染色機由機體、絞盤、離心泵、過濾器、熱交換器、升壓器、升壓控制閥、溢流口、溢流控制閥、多孔襯里、連續清洗開關、四氟乙烯層等部件組成，其基本結構與繩狀染色機相似，但能夠密封和耐壓，可以在高溫高壓條件下或在常溫常壓下運行；適用的染料以及織物品種較為廣泛，且蒸汽耗量較低。
（3）高溫高壓溢流染色機
高溫高壓溢流染色機內的織物是由主動導輥以及染液溢流帶動進行循環，在染色過程中織物呈松弛狀態、張力很小、染色均勻、得色鮮艷、產品手感柔軟；主要用于合成纖維經編、緯編織物以及彈性織物等染色，可用于高溫高壓染色、也可用于常溫常壓染色。
（4）高溫高壓噴射染色機
高溫高壓噴射染色機的種類很多，按照外形不同可以分為U字形立式噴染機、C字形輪胎式噴染機等，通常附有程控裝置，可以按預定工藝控制時間、升降溫度。噴射染色機與溢流染色機的區別是：溢流染色機中織物的上升是依靠主動導輥的帶動；但在噴射染色機中織物的上升是由噴口噴射染液帶動的，因而織物的張力更小，各部分所受到的作用力更為均勻，染色織物手感比較柔軟。
（5）高溫高壓噴射溢流染色機
高溫高壓噴射溢流染色機是在噴射和溢流染色機的基礎上發展起來的，其染色機內既有溢流裝置，又有噴射裝置；與溢流染色機相比，織物所受到的張力較小、染色浴比小，染液與染物的循環速度快，勻染性較好，但容易產生大量泡沫。而與噴射染色機相比，其操作較為簡單。
2.3.2 平幅染色機
（1）經軸染色機
高溫高壓經軸染色機是由經軸、染槽、循環泵、蛇形蒸汽加熱管、染液加料桶、進液泵、連續循環冷卻器等部件組成，經軸染色機大多用于針織物染色，某些輕薄機織物有時也采用。
（2）星形架染色機
星形架染色機適用于不耐軋壓的織物（如絲絨）以及容易擦傷的織物（如真絲織物）的染色，與星形架染色機相類似的還有方形架染色機、壓力棒輪染布機、掛染槽染色機等。
（3）卷染機
卷染機是在染槽上裝有一對卷布輥，通過調速齒輪箱，決定其主動與被動；同時織物以一定的張力，織物經導布輥通過染液，卷繞在另一個卷布輥上（主動卷布輥），織物經過被動卷輥被退卷入染槽，再繞到主動卷布輥上，這樣運轉一次稱為一道；普通卷染機是敞口型，因此蒸汽耗量大，會影響車間的環境，并且在染色溫度高的時候，卷布輥上的織物兩邊溫度與中間溫度不相同，故容易造成織物邊中色差，所以目前很少使用了。
（4）連續軋染機
連續軋染機適用于大批量的染色加工，勞動生產率高，棉機織物和滌棉混紡織物大都采用連續軋染工藝；各種染料由于染色工藝過程與工藝條件不同，因而有各種型式的連續軋染機：如還原染料懸浮體軋染機，不溶性偶氮染料連續軋染機，活性/分散染料、還原/分散染料連續軋染機等。
3．吹灰清焦
導熱油爐及循環供熱系統在長時間運行使用后，爐管外表面會形成積灰結焦的現象，因此，需要采用吹灰清焦、化學清洗等方法進行爐管外表面的清洗。
3.1 吹灰
導熱油爐內爐管外表面煙氣側積灰或結焦都會增加熱阻而影響傳熱，因此必須及時吹灰，避免外部積灰；積灰部位一般在對流受熱面煙氣側。
用飽和蒸汽吹灰，往往由于蒸汽中帶水，水滴會把灰粘在管壁上，越結越厚，并會結成硬層。用壓縮空氣吹灰效果較好。大型導熱油爐需要安裝吹灰裝置[2]，及時進行吹灰。吹灰的順序必須沿煙氣流動的方向，由前向后逐步沖掃。
3.2 清焦
爐管外表面結焦是指積灰熔融了再冷卻后形成的熔渣。而熔渣主要出現在爐膛內輻射受熱面上。在這些區域內，爐內溫度最高，煤中的灰粒大部分處于熔融或軟化狀態，碰到輻射爐管外壁后就被冷卻凝固，粘結在受熱面的外表面上。結焦不僅影響受熱面的換熱能力，而且還會帶來爐管外壁管的熱偏差和流量偏差，造成爆管，有時還會引起受熱面的高溫腐蝕使管壁變薄。
結焦的原因也是多方面的，煤的灰分熔點過低；爐膛結構不恰當，如爐膛容積熱強度設計偏高，爐管外壁受熱面積偏小，運行不當使火焰中心偏移，或火焰中心向上移動等都是影響結焦的因素。應檢查其原因采取不同的方法加以避免。
爐膛內結焦嚴重時要求停爐清焦[3]，清焦是從上往下進行。在爐膛溫度降至70℃時，雖然還不能進入爐膛，就應從爐外打開人孔門，看火孔等用鐵棍清焦，待到能進入爐膛后，再進入爐內進一步清焦。清焦要有可靠的安全措施，避免焦塊墜落軋傷人或損害爐管外壁。
4．化學清洗
燃煤導熱油爐的化學清灰劑以氧化型為主，成份為堿金屬硝酸鹽混合一些助燃劑或分散劑。燃油導熱油爐的化學清灰劑以還原型為主，主要成分為銨鹽混合一些活性劑或添加劑。它們都是在燃燒時產生堿金屬陽離子附著在受熱面上，有防止灰垢沉積的作用，它們產生熔融的硝酸鹽與受熱面上的灰垢形成低熔物，使灰垢疏松，變脆易于脫落，并且還有防蝕，催化助燃作用，提高熱效率、減少污染。
導熱油爐受熱面的積灰分為高溫積灰和低溫積灰兩種形式。高溫積灰以硫酸鈉為主，主要成分為SiO2、鈣、鎂、鐵、鉀等硫酸鹽和氧化物相互粘接，其揮發物含量只有10%，硫酸鈣為主要膠粘劑，它使積灰密實而堅硬?；瘜W清灰劑中的氧化物可以與積灰中的硫酸鈣發生復合分解反應，使其變成易揮發和易分解的物質，從而使其松動多孔[4]。同時，化學清灰劑中的氧化物在活性劑的作用下，在高溫區瞬間分解而產生微爆，使受熱面上的積灰自動脫落。
在燃煤導熱油爐中，高溫腐蝕是由于生成了低熔點的硫酸鈉，它附于受熱面上與SO2反應生成焦硫酸鈉。焦硫酸鈉在650℃左右可與受熱面上的氧化鐵反應，生成熔點更低，具有強腐蝕性的硫酸鐵鈉復鹽。在燃重油導熱油爐中，高溫腐蝕則是由于在600～700℃的溫度下V2O5和釩酸鈉發生的釩腐蝕。
化學清灰劑中的堿性物質可與積灰中強酸性的焦硫酸鈉等物質反應，防止其對金屬的腐蝕。這些堿性物質還可以與釩類物質作用，提高含釩化合物的熔點，并改善積灰的物化性質，使其疏松多孔?；瘜W清灰劑中的耐高溫添加劑可以極小的顆粒分散在積灰中，它可吸附具有腐蝕性的酸鹽。防腐蝕分解而產生的亞硝酸鹽和銅鹽錳鹽類可使鐵鈍化形成鈍化膜，它們都是陽極緩蝕劑。
低溫積灰主要是硫酸的凝出，常發生在對流受熱面后段的空氣預熱器的受熱面，結渣的酸性很強。所以，防止積灰和腐蝕可以從兩方面入手：一是降低煙氣露點，避免或減少硫酸或亞硫酸的凝出，二是使生產的硫酸和亞硫酸加以中和?；瘜W清灰劑中的氧化物等堿性物質可以中和酸，使結渣由黏性變干，易于裂化脫落?；瘜W清灰劑分解時產生的二氧化鎂和氧化鋅可以在低溫受熱面上結成一層薄膜，它與煙氣中SO2起中和作用，使煙氣中SO2含量下降，露點也隨之降低。
化學清灰劑中的助燃劑進入爐膛后，一方面促使化學清灰劑的主體組分瞬時分解；另一方面作為氧的載體提供氧，其中堿金屬鹽、氧化鐵、氧化錳等還可以在燃燒時捕捉原子氧或對燃燒起催化作用。
導熱油爐中爐管表面積灰的熱阻比爐管內導熱油垢的熱阻大，設計研究資料提出導熱油垢的熱阻是爐管材料熱阻的20倍，而煙垢熱阻為導熱油垢熱阻的20倍。采用化學清灰劑后，使爐管受熱面外部保持潔凈，改善傳熱條件，不僅提高了導熱油爐的熱效率，還可減少煙氣中二氧化硫及二氧化氮的排放量，杜絕爆管事故的發生。
使用化學清灰劑可以節約能源5%～15%，而且還可以減少排放煙氣中的二氧化硫及二氧化氮的生成，可減少二氧化硫10%～20%的排放量，并減少二氧化氮20%～60%的排放量，極大改善對環境污染。
化學清洗劑的類型如下：
（1） 循環供熱系統和導熱油爐中爐管內化學清洗劑。
（2） 導熱油爐內爐管外表面化學清洗劑。
（3） 導熱油爐內爐管外表面化學清焦劑。
5．清洗方法
在實際運行過程中，為了避免爐管表面上積灰結焦現象發生，應盡量將爐膛的排煙溫度控制在850℃以下，同時設置吹灰清洗裝置，每年定期采用化學清焦劑進行清灰除焦處理。在實際使用過程中，應每隔半個月左右在燃料中加入化學清灰劑對爐管外表面進行清灰除渣處理；每周用壓縮空氣對爐膛和爐管外表面進行吹掃清灰處理。以保證爐管受熱面的清潔干凈，改善傳熱條件，提高導熱油爐的熱效率。
在實際使用過程中，如果導熱油出現劣化不能繼續使用時，則必須采用化學清洗劑對導熱油爐和循環供熱系統與熱定型機、染色機的油加熱換熱器進行清洗。在導熱油爐及循環供熱系統的實際運行時，如果導熱油爐的爐管內壁結焦積碳嚴重，導熱油的流量下降，循環油泵出口壓力出現大范圍波動，導熱油爐進出口壓力差增大、進出口溫差增大，則需要采用化學清洗劑對導熱油爐及循環供熱系統進行清洗[5]。
綜上所述，導熱油爐及循環供熱系統的定期清洗，對確保印染企業的熱定型機與染色機的安全運行、高效節能等至關重要。另外，應該定期對導熱油爐和循環供熱系統以及熱定型機、染色機的油加熱換熱器進行檢驗分析、清洗、保養，防止導熱油爐出現爐管結焦積碳的現象[6]，保證導熱油循環供熱系統與熱定型機、染色機的油加熱換熱器的正常運行。
6．結語
高速高壓噴射染色機適用于滌綸經編織物的染色，也適合于滌綸加工長絲中厚型仿毛風格的機織坯布染色，但它卻不適合滌綸長絲類低密度的薄型機織物（如雨紗、特麗綸等綢類）的染色，也不適用于滌黏、滌棉等混紡纖維類織物和緯編類針織物的染色，否則很容易在染色后出現豁裂紕縫（長絲低密度薄型機織物）或起毛起球（滌黏、滌棉混紡纖維類織物）或使織物原來應有的彈性特征喪失（緯編類織物）。
卷染機適合于輕重厚薄范圍較廣的小批量多品種的機織物染色，但不能用于線圈結構的針織物染色。溢流染色機適用于緯編織物、滌黏、滌棉混紡纖維類和彈性要求較高的針織物，但不適用于經編、機織類織物的染色。真絲類機織物宜在卷染機上進行染色，但同為真絲機織的縐紗類織物和真絲針織綢織物應在專門設計的、與棉用溢流染色機有明顯不同的機器上染色。
以前的印染企業染色機大都采用大浴比的蒸汽直接加熱方式，用水量與用電量都比較高，水浴比在1︰12以上?，F在的節能型染色機都是采用小浴比的蒸汽間接加熱方式，水浴比在1︰4～1︰5。而為了更進一步對小浴比的蒸汽間接加熱染色機進行節能降耗，可以采用導熱油加熱取代水蒸汽加熱的染色機改造方法；即采用導熱油爐循環加熱染色機和熱定型機進行導熱油間接加熱的方法，將染色機改用油加熱換熱器。
經過生產實踐證明安全可靠、運行穩定，可降低生產成本30%～40%左右，從而節約了能耗、延長了染色機和熱定型機的使用壽命，克服了傳統染色機采用蒸汽加熱器加熱染色的弊病，降低了用電費用，達到了十分顯著的經濟效益和環保效果，符合節能減排和資源再利用的綠色環保政策。
參考文獻：
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[6]汪琦. 螺紋管對導熱油的強化傳熱和結焦預防研究[J]. 化工設備技術,1997,18(3):8-9.
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、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的研究設計開發工作。
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