清洁环保型熔盐炉及烟气余热回收节能装置研究
汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑
（上海热油炉设计开发中心 上海 200042）
摘 要：分析了燃天然气立式圆筒型熔盐炉的结构型式，研究了燃生物质柴油立式圆筒型熔盐炉的构造组成，讨论了燃生物质固硫型煤熔盐炉的机械化燃烧装置与立式圆形盘管式炉体结构特点，探讨了熔盐炉烟气余热回收利用节能装置的几种常用结构型式：对流型换热器、辐射型换热器、热管式换热器、余热锅炉。
关键词：清洁能源；天然气熔盐炉；生物柴油熔盐炉；固硫型煤熔盐炉；节能减排装置；烟气余热回收
前 言
清洁环保型熔盐炉就是以天然气、生物柴油、生物质固硫型煤等作为燃料，采用熔盐作为热载体，利用熔盐循环泵强制熔融盐进行液相闭路循环供热，将热量输送给用热设备后，熔融盐继而返回熔盐炉内重新继续加热，周而复始、循环输送热能；所以，清洁环保型熔盐炉热利用效率高、节能减排效果非常显著。
熔盐炉的优点是能够在较低的运行压力下，可获得较高的工作温度530～540℃，其最高工作温度可达到580℃，而且供热温度稳定，能够精确地进行供热负荷与熔盐输出温度调节，在可调负荷段内能稳定运行，并且安装自动运行控制和安全监测装置[1]。因此，熔盐炉是加热400℃以上的最好供热设备，可广泛应用在固碱、三聚氢胺、氧化铝等高温加热的生产行业中。
熔盐炉在运行过程中的排烟温度高达500～650℃，热能损失的绝大部分都被烟气所带走，主要是烟气的显热损失；而少量的热能损失则是由炉体散热损失和漏风损失，以及燃料不完全燃烧热损失造成的。根据热载体炉排出烟气余热所具有的排烟温度可分为三类：高温余热（高于500℃）、中温余热（介于500～300℃）和低温余热（低于300℃）。回收利用熔盐炉烟气余热节能装置的几种常用结构型式有：对流型换热器、辐射型换热器、热管式换热器、余热锅炉等。
1．清洁环保型熔盐炉结构设计
清洁环保型熔盐炉结构型式主要有：燃天然气熔盐炉、燃生物柴油熔盐炉、燃生物质固硫型煤熔盐炉等。根据炉本体的外形结构可分为：圆筒型、方箱型；根据燃油或燃气燃烧器的布置形式可分为：立式顶部燃烧型、立式底部燃烧型；根据螺旋盘管的固定方式可分为：上部吊挂式、下部支撑式；根据螺旋盘管层数和烟气流程可分为：两层盘管三回程烟气、三层盘管四回程烟气；根据辐射炉管加工形状可分为：圆形螺旋盘管、方箱形盘管。
1.1 燃天然气熔盐炉
天然气属于清洁燃料，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生的二氧化碳少于其他化石燃料，所造成的温室效应较低[2]。立式顶部燃天然气熔盐炉是由天然气燃烧器、炉本体、保温层、圆筒钢壳体、镀锌彩板外壳、烟气出口、烟气余热回收利用装置等几部分组成[3]。炉管束的结构是采用圆筒形螺旋盘管，炉管的材质是12Cr1MoVG特种无缝管，炉管受热面是由内圈螺旋盘管和外圈螺旋盘管，以及与内圈螺旋盘管相互串联的炉顶盘管三个部分组成，其炉体结构是两层盘管三回程烟气流动方式。
天然气燃烧器安置于炉顶中心位置，天然气燃烧后产生的高温烟气在炉膛内从上向下流动，并与炉顶盘管下侧面、内圈螺旋盘管内侧面以及外圈螺旋盘管下部内侧面进行辐射换热后，高温烟气从内圈螺旋盘管下端部折转180°后，由下向上进入内圈螺旋盘管与外圈螺旋盘管之间所构成的第一回程烟气通道；经过第一回程的对流换热后，烟气从外圈螺旋盘管上端部折转180°下行，由上向下进入外圈螺旋盘管与壳体之间所构成的第二回程烟气通道；再经过第二回程的对流换热后，烟气由壳体下部排烟口排出，进入烟气余热回收利用装置后，最终引至烟囱排入大气中。而冷熔盐由下联集箱进入炉体，并在熔盐炉内吸取热量后，热熔盐再从炉体的上联集箱输出，因此，熔盐流动方向是由下向上，从而构成逆向对流换热方式，所以，换热效果显著。
另外，炉管的支撑方式是外圈螺旋盘管支撑在炉底支架上，可以向上自由膨胀；内圈螺旋盘管与炉顶盘管则通过上部吊挂装置吊挂在壳体上，可以向下自由膨胀，并且炉顶盘管上侧面、内圈螺旋盘管上端部与炉顶小端盖之间保持相对静止状态，从而有效地保证炉膛内高温烟气密封性，并降低炉顶盖外部表面温度，减少炉顶散热损失和漏烟热损失。
1.2 燃生物柴油熔盐炉
生物质在种植生长期间吸取CO2的量与其在燃烧过程中排放CO2的量相当，因此从生物质的整个过程角度分析，其温室效应为零。生物柴油是一种清洁环保的可再生能源，硫含量低、SO2和硫化物的排放低，燃烧残炭低、废气中微小颗粒物含量低，所造成的温室效应为零，并具有良好的生物降解特性，是一种洁净的生物质燃料。立式底部燃生物柴油熔盐炉是由生物柴油燃烧器、炉本体、保温层、圆筒钢壳体、镀锌彩板外壳、烟气出口、烟气余热回收利用装置等几部分组成[4]。
炉管束的结构是采用圆筒形螺旋盘管，炉管的材质是12Cr1MoVG特种无缝管，炉管受热面是由内圈螺旋盘管和外圈螺旋盘管，以及与外圈螺旋盘管相互串联的炉顶盘管三个部分组成，其炉体结构是两层盘管三回程烟气流动方式。
生物柴油燃烧器安置于炉底中心位置，生物柴油燃烧后产生的高温烟气在炉膛内从下向上流动，并与内圈螺旋盘管内侧面、炉顶盘管下侧面，以及外圈螺旋盘管上部内侧面进行辐射换热后，高温烟气从内圈螺旋盘管上端部折转180°后，由上向下进入内圈螺旋盘管与外圈螺旋盘管之间所构成的第一回程烟气通道；经过第一回程的对流换热后，烟气从外圈螺旋盘管下端部折转180°上行，由下向上进入外圈螺旋盘管与壳体之间所构成的第二回程烟气通道；再经过第二回程的对流换热后，烟气由壳体上部排烟口排出，进入烟气余热回收利用装置后，最终引至烟囱排入大气中。
而冷熔盐由下联集箱进入炉体，并在熔盐炉内吸取热量后，热熔盐再从炉体的上联集箱输出，因此熔盐流动方向是由下向上，从而构成顺向对流换热方式；所以，换热效果相对而言差一些。
另外，炉管的支撑方式是内圈螺旋盘管与外圈螺旋盘管均支撑在炉底支架上，可以向上自由膨胀，炉顶盖板内侧采用安装耐火纤维毡用于炉顶耐热保温，并可有效地保证炉膛内高温烟气密封性，减少炉顶散热损失和漏烟热损失。立式底部燃烧型熔盐炉的最大隐患是炉内炉管泄漏了高温熔融盐，或者高温炉顶耐火层塌落下来，均会造成炉底部燃油燃烧器严重损坏，从而使得熔盐炉停止生产运行[5]。
此外，生物柴油缺点是价格昂贵、运输仓储成本较高，因此，如果用户没有选用生物柴油作为熔盐炉燃料时，也可以采用普通柴油作为燃料，只需要拆换下熔盐炉的生物柴油燃烧器，安装上相同热负荷的燃油燃烧器就可以运行使用。
1.3 燃生物质固硫型煤熔盐炉
燃生物质固硫型煤熔盐炉的燃烧方式为层燃，采用机械化燃烧装置是链条炉排或往复炉排，因为生物质固硫型煤是非常容易点燃，并且燃烧时间较长，燃尽率也较高，节煤率可达30%以上，而且SO2排放量可减少50%以上，CO2排放量可减少60%，烟气粉尘排放量可减少90%；因此，节能减排效果非常明显[6]。另外，生物质固硫型煤的固硫效果比较明显，符合低碳环保的要求，同时生物质固硫型煤的价格合理、性价比高。
燃生物质固硫型煤熔盐炉是采用立式圆形盘管式结构，并与燃烧生物质固硫型煤的机械化燃烧装置（如链条炉排或往复炉排）相互结合，这样就使得炉体结构布置紧凑。炉内熔盐循环回路布置采用立式螺旋盘管结构，这样在停车时就可以依靠重力将炉管内熔融盐排放到熔盐贮罐内，从而可避免停炉时熔盐在炉管内发生冷却凝固现象。
熔盐炉内的炉管受热面一般是由几个螺旋盘管圈同心布置而成，螺旋盘管圈既作为受热面、又作为烟气隔墙，生物质固硫型煤在链条炉排或往复炉排的燃烧室内燃烧后，火焰向上加热由内圈螺旋盘管组成的炉膛辐射受热面后，高温烟气由炉膛上部折转180°流入内圈螺旋盘管与中圈螺旋盘管之间的烟气通道，烟气向下流动时对炉管内熔盐进行对流传热。
烟气流动到达炉体下部折转180°流入中圈螺旋盘管与外圈螺旋盘管之间的烟气通道，烟气向上流动时继续对炉管内熔盐进行对流传热，烟气由炉体上部排烟口排出，进入烟气余热回收利用装置后，最后烟气引至烟囱排出。因为燃生物质固硫型煤熔盐炉的烟气中含尘量与燃天然气熔盐炉（燃生物质柴油熔盐炉）相比要大得多；所以，对流传热烟气通道中的烟气流速要控制得低一些，以便降低对流受热面炉管磨损程度。
立式圆形盘管式结构的燃生物质固硫型煤熔盐炉缺点是：对于大容量燃生物质固硫型煤熔盐炉的圆筒形辐射受热面与机械化燃烧装置不容易很好地协调匹配。
卧式方箱形盘管式结构的燃生物质固硫型煤熔盐炉缺点是：当停炉时不能依靠重力将炉管内熔融盐排放到低位熔盐贮罐内，并且由于对流蛇形管片的结构特点，使得对流段蛇形管内熔融盐不能排放出来，从而造成在对流段蛇形管内熔盐会发生冷却凝固现象，并造成蛇形管内熔盐堵塞的事故；另外，在熔盐炉停车后，炉膛余热和炉墙蓄热也会对炉管内不流动的堵塞熔盐产生过热氧化。
2．烟气余热回收利用节能装置
烟气余热回收利用在节能减排措施中占有极其重要的地位，通常情况下低温余热的烟气可进行一次回收利用，中温余热的烟气应有一次到两次回收利用，而高温余热的烟气可采取两次以上回收利用，这样才能充分地利用烟气余热。
目前烟气余热回收利用方式主要有两种方法：一种方法是利用烟气余热来预热助燃空气或燃料供给炉子自用；另一种方法是利用烟气余热去加热冷水产生蒸汽或热水等二次能源供给用户。由于熔盐炉的排烟温度非常高，因此，必须采用烟气余热回收利用节能装置[7]，其常用结构型式有：对流型换热器、辐射型换热器、热管式换热器、余热锅炉等。
2.1 对流型换热器
对流型烟气余热回收换热器有针状换热器、片状换热器、管状换热器、板式换热器、管式换热器、套管式换热器、喷流换热器等。这些换热器如果采用普通铸铁、铸钢或无缝钢管制造时，只能用于排烟入口温度在900℃以下的烟气，换热器的金属壁温度不宜超过450℃，预热介质温度不超过400℃。而当这些换热器如果采用耐热钢或不锈钢制作时，换热器则可直接用于高温烟气余热回收利用，预热介质温度可达到400～700℃。
另外，针状换热器、片状换热器、板式换热管、管式换热器主要用于中、小型炉子的烟气余热回收利用，管状换热器、套管式换热器、喷流换热器主要应用在大、中型炉子的烟气余热回收利用上。
最常用的管式换热器与板式换热器主要是通过焊接拼装在一起成为整体换热器，优点是占地少、运行可靠、漏气率低、无动力消耗、安装方便；缺点是表面热损失大，会有漏气现象，并且随着使用时间延长、漏气会增加，烟气通道较小，会给清理灰垢带来困难，因此，只能预热空气，不能预热天然气。
2.2 辐射型换热器
辐射型烟气余热回收换热器是双层圆筒结构，包括辐射传热面内套、导向套以及分配与汇集空气流的冷风联接箱和热风联接箱。助燃用空气从冷风联接箱引入，被分配到内套与导向套构成的环形间隙内，并以高速流过环形间隙通道，然后在热风联接箱内汇集。在热风联接箱内汇集起来的助燃空气通过热风管道送入炉膛内或燃烧器中。
作为热源的炉子排出高温烟气在流过内套筒芯部的过程中，对助燃空气进行辐射换热，且具有很高的传热系数。辐射型烟气余热回收换热器适用于各种炉型，但排烟入口温度最好不要低于900℃。对于以辐射换热为主的热交换来说，烟气温度越高，则传热系数和换热器的热效率也越高。辐射型烟气余热回收换热器的优点是结构简单、气密性好、寿命较长，缺点是烟气余热回收率不高，要用在高温烟气中才有较为明显效果。
如果温度为900℃的烟气流经辐射型换热器后温度尚有700℃左右，流出的烟气含热量仍然较多；所以，辐射型换热器常与对流型换热器串联使用，用于对烟气余热进行二级或多级回收利用。
2.3 热管式换热器
热管式换热器是由带翅片的热管束作为换热元件组成的换热器，其结构是有一个矩形外壳，在矩形外壳中布满了带翅片的热管，在矩形外壳中间有一块隔板把壳体分成两半，形成了下半壳体的高温烟气通道与上半壳体的低温空气通道，输入的高温烟气通过隔板的一侧把热量通过翅片传递给热管，再由热管内部的工质吸引热量，工质在热端吸热汽化后流向冷端，放出凝结潜热后又变成液态流向热端，并把热量传送到壳体隔板的另一侧低温空气，从而实现低温空气与高温烟气的冷热交换[8]。
热管式换热器可以在温度为300℃以下的烟气中高效率地回收烟气余热，从而实现烟气余热多级回收，并且进一步降低炉子的排烟温度。热管式换热器的优点是传热能力强、换热效率高、单位体积的热交换面积大，气体流动阻力小；而且容易防止高温烟气与低温空气间的泄漏，并在少量热管失效或损坏后不致影响换热器的运行；整体结构紧凑简单，因受热膨胀而产生的问题少，检修维护方便；投资费用少，收回投资快；但缺点是粉尘容易粘附，清灰比较困难，随着使用时间的延长，换热效率会降低。
2.4 余热锅炉
余热锅炉有烟道式余热锅炉、管壳式余热锅炉、热管式余热锅炉等结构型式。烟道式余热锅炉的烟气侧均处于负压或微正压的状态；而管壳式余热锅炉的受热面均处在内外受压的状态下运行。余热锅炉的工作介质是水和蒸汽，熔盐炉排出高温烟气进入余热锅炉加热水后，产生蒸汽或热水供生产用汽和生活采暖。另外，烟道式余热锅炉在系统布置上要注意在熔盐炉和余热锅炉之间设置旁通烟道，以保证主要生产过程在停用余热锅炉的情况下仍能正常运行。
热管式余热锅炉的结构是由圆筒形汽包、矩形壳体烟箱、中间隔板、穿过中间隔板的热管管束组成，其功能是加热水后产生蒸汽供工厂用热。热管装在矩形壳体烟箱中，壳体烟箱直接和高温烟气通道连接，熔盐炉排出高温烟气从上向下流过热管的热端，热管的冷端被安置于承受压力的圆筒形汽包内，并在汽包上附设有安全阀、水位报警器、水位自动调节器等附属装置。
热管的冷端为光管，热管的热端上翅片的间距根据烟气的性质和含尘量多少来确定，一般在5～8mm之间，易积灰或含尘量大的气体可选取高限，同时应该安装吹灰器；清洁或不易积灰的气体可取低限，并且可以不加吹灰器。热管式余热锅炉的优点是结构紧凑、体积小、重量轻、余热回收率高，但供给与需求的同步运行才是保证余热锅炉回收烟气余热有效利用的必要条件，若能满足这一条件，则采用余热锅炉回收烟气余热就较为有利。
3．结束语
生物质是唯一可以实现碳的零排放的可再生资源，充分利用丰富的生物质资源，可改善目前的能源供应状况，减少化石燃料的使用，从而降低环境污染，实现能源的可持续利用。目前采用的清洁环保型熔盐炉的主要结构型式是：燃天然气熔盐炉、燃生物柴油熔盐炉、燃生物质固硫型煤熔盐炉。
因为熔盐炉的排烟温度非常高，所以必须采用烟气余热回收利用节能装置，其常用结构型式是：对流型换热器、辐射型换热器、热管式换热器、余热锅炉。
参考文献：
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[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 天然气热风炉与燃烧器在热定形机中的应用[J]. 染整技术,2021,43(1):53-57.
[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 燃天然气导热油炉的设计开发[J]. 工业炉,2019,41(2):41-45.
[4]汪琦. 国外有机热载体加热炉体的结构设计[J]. 化工装备技术,2007,28(1):33-37.
[5]汪琦,俞红啸. 熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究[J]. 化工装备技术,2012,33(5):39-42.
[6]汪琦,俞红啸,张慧芬. 燃生物质固硫型煤导热油炉的设计开发[J]. 化工装备技术,2014,35(6):4-7.
[7]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 热载体加热炉结构与节能减排措施的研究[J]. 上海节能,2020,No.10(第10期):1135-1140.
[8]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 燃生物质固硫型煤热管式热风炉的设计开发[J]. 上海化工,2019,44(8):24-28.
编辑概况：
汪琦，硕士，高级工程师，长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。
地 址：上海市长宁支路237弄1号504室，上海热油炉设计开发中心
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