清潔環保型熔鹽爐及煙氣余熱回收節能裝置研究
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：分析了燃天然氣立式圓筒型熔鹽爐的結構型式，研究了燃生物質柴油立式圓筒型熔鹽爐的構造組成，討論了燃生物質固硫型煤熔鹽爐的機械化燃燒裝置與立式圓形盤管式爐體結構特點，探討了熔鹽爐煙氣余熱回收利用節能裝置的幾種常用結構型式：對流型換熱器、輻射型換熱器、熱管式換熱器、余熱鍋爐。
關鍵詞：清潔能源；天然氣熔鹽爐；生物柴油熔鹽爐；固硫型煤熔鹽爐；節能減排裝置；煙氣余熱回收
前 言
清潔環保型熔鹽爐就是以天然氣、生物柴油、生物質固硫型煤等作為燃料，采用熔鹽作為熱載體，利用熔鹽循環泵強制熔融鹽進行液相閉路循環供熱，將熱量輸送給用熱設備后，熔融鹽繼而返回熔鹽爐內重新繼續加熱，周而復始、循環輸送熱能；所以，清潔環保型熔鹽爐熱利用效率高、節能減排效果非常顯著。
熔鹽爐的優點是能夠在較低的運行壓力下，可獲得較高的工作溫度530～540℃，其最高工作溫度可達到580℃，而且供熱溫度穩定，能夠精確地進行供熱負荷與熔鹽輸出溫度調節，在可調負荷段內能穩定運行，并且安裝自動運行控制和安全監測裝置[1]。因此，熔鹽爐是加熱400℃以上的最好供熱設備，可廣泛應用在固堿、三聚氫胺、氧化鋁等高溫加熱的生產行業中。
熔鹽爐在運行過程中的排煙溫度高達500～650℃，熱能損失的絕大部分都被煙氣所帶走，主要是煙氣的顯熱損失；而少量的熱能損失則是由爐體散熱損失和漏風損失，以及燃料不完全燃燒熱損失造成的。根據熱載體爐排出煙氣余熱所具有的排煙溫度可分為三類：高溫余熱（高于500℃）、中溫余熱（介于500～300℃）和低溫余熱（低于300℃）?；厥绽萌埯}爐煙氣余熱節能裝置的幾種常用結構型式有：對流型換熱器、輻射型換熱器、熱管式換熱器、余熱鍋爐等。
1．清潔環保型熔鹽爐結構設計
清潔環保型熔鹽爐結構型式主要有：燃天然氣熔鹽爐、燃生物柴油熔鹽爐、燃生物質固硫型煤熔鹽爐等。根據爐本體的外形結構可分為：圓筒型、方箱型；根據燃油或燃氣燃燒器的布置形式可分為：立式頂部燃燒型、立式底部燃燒型；根據螺旋盤管的固定方式可分為：上部吊掛式、下部支撐式；根據螺旋盤管層數和煙氣流程可分為：兩層盤管三回程煙氣、三層盤管四回程煙氣；根據輻射爐管加工形狀可分為：圓形螺旋盤管、方箱形盤管。
1.1 燃天然氣熔鹽爐
天然氣屬于清潔燃料，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，燃燒時產生的二氧化碳少于其他化石燃料，所造成的溫室效應較低[2]。立式頂部燃天然氣熔鹽爐是由天然氣燃燒器、爐本體、保溫層、圓筒鋼殼體、鍍鋅彩板外殼、煙氣出口、煙氣余熱回收利用裝置等幾部分組成[3]。爐管束的結構是采用圓筒形螺旋盤管，爐管的材質是12Cr1MoVG特種無縫管，爐管受熱面是由內圈螺旋盤管和外圈螺旋盤管，以及與內圈螺旋盤管相互串聯的爐頂盤管三個部分組成，其爐體結構是兩層盤管三回程煙氣流動方式。
天然氣燃燒器安置于爐頂中心位置，天然氣燃燒后產生的高溫煙氣在爐膛內從上向下流動，并與爐頂盤管下側面、內圈螺旋盤管內側面以及外圈螺旋盤管下部內側面進行輻射換熱后，高溫煙氣從內圈螺旋盤管下端部折轉180°后，由下向上進入內圈螺旋盤管與外圈螺旋盤管之間所構成的第一回程煙氣通道；經過第一回程的對流換熱后，煙氣從外圈螺旋盤管上端部折轉180°下行，由上向下進入外圈螺旋盤管與殼體之間所構成的第二回程煙氣通道；再經過第二回程的對流換熱后，煙氣由殼體下部排煙口排出，進入煙氣余熱回收利用裝置后，最終引至煙囪排入大氣中。而冷熔鹽由下聯集箱進入爐體，并在熔鹽爐內吸收熱量后，熱熔鹽再從爐體的上聯集箱輸出，因此，熔鹽流動方向是由下向上，從而構成逆向對流換熱方式，所以，換熱效果顯著。
另外，爐管的支撐方式是外圈螺旋盤管支撐在爐底支架上，可以向上自由膨脹；內圈螺旋盤管與爐頂盤管則通過上部吊掛裝置吊掛在殼體上，可以向下自由膨脹，并且爐頂盤管上側面、內圈螺旋盤管上端部與爐頂小端蓋之間保持相對靜止狀態，從而有效地保證爐膛內高溫煙氣密封性，并降低爐頂蓋外部表面溫度，減少爐頂散熱損失和漏煙熱損失。
1.2 燃生物柴油熔鹽爐
生物質在種植生長期間吸收CO2的量與其在燃燒過程中排放CO2的量相當，因此從生物質的整個過程角度分析，其溫室效應為零。生物柴油是一種清潔環保的可再生能源，硫含量低、SO2和硫化物的排放低，燃燒殘炭低、廢氣中微小顆粒物含量低，所造成的溫室效應為零，并具有良好的生物降解特性，是一種潔凈的生物質燃料。立式底部燃生物柴油熔鹽爐是由生物柴油燃燒器、爐本體、保溫層、圓筒鋼殼體、鍍鋅彩板外殼、煙氣出口、煙氣余熱回收利用裝置等幾部分組成[4]。
爐管束的結構是采用圓筒形螺旋盤管，爐管的材質是12Cr1MoVG特種無縫管，爐管受熱面是由內圈螺旋盤管和外圈螺旋盤管，以及與外圈螺旋盤管相互串聯的爐頂盤管三個部分組成，其爐體結構是兩層盤管三回程煙氣流動方式。
生物柴油燃燒器安置于爐底中心位置，生物柴油燃燒后產生的高溫煙氣在爐膛內從下向上流動，并與內圈螺旋盤管內側面、爐頂盤管下側面，以及外圈螺旋盤管上部內側面進行輻射換熱后，高溫煙氣從內圈螺旋盤管上端部折轉180°后，由上向下進入內圈螺旋盤管與外圈螺旋盤管之間所構成的第一回程煙氣通道；經過第一回程的對流換熱后，煙氣從外圈螺旋盤管下端部折轉180°上行，由下向上進入外圈螺旋盤管與殼體之間所構成的第二回程煙氣通道；再經過第二回程的對流換熱后，煙氣由殼體上部排煙口排出，進入煙氣余熱回收利用裝置后，最終引至煙囪排入大氣中。
而冷熔鹽由下聯集箱進入爐體，并在熔鹽爐內吸收熱量后，熱熔鹽再從爐體的上聯集箱輸出，因此熔鹽流動方向是由下向上，從而構成順向對流換熱方式；所以，換熱效果相對而言差一些。
另外，爐管的支撐方式是內圈螺旋盤管與外圈螺旋盤管均支撐在爐底支架上，可以向上自由膨脹，爐頂蓋板內側采用安裝耐火纖維氈用于爐頂耐熱保溫，并可有效地保證爐膛內高溫煙氣密封性，減少爐頂散熱損失和漏煙熱損失。立式底部燃燒型熔鹽爐的最大隱患是爐內爐管泄漏了高溫熔融鹽，或者高溫爐頂耐火層塌落下來，均會造成爐底部燃油燃燒器嚴重損壞，從而使得熔鹽爐停止生產運行[5]。
此外，生物柴油缺點是價格昂貴、運輸倉儲成本較高，因此，如果用戶沒有選用生物柴油作為熔鹽爐燃料時，也可以采用普通柴油作為燃料，只需要拆換下熔鹽爐的生物柴油燃燒器，安裝上相同熱負荷的燃油燃燒器就可以運行使用。
1.3 燃生物質固硫型煤熔鹽爐
燃生物質固硫型煤熔鹽爐的燃燒方式為層燃，采用機械化燃燒裝置是鏈條爐排或往復爐排，因為生物質固硫型煤是非常容易點燃，并且燃燒時間較長，燃盡率也較高，節煤率可達30%以上，而且SO2排放量可減少50%以上，CO2排放量可減少60%，煙氣粉塵排放量可減少90%；因此，節能減排效果非常明顯[6]。另外，生物質固硫型煤的固硫效果比較明顯，符合低碳環保的要求，同時生物質固硫型煤的價格合理、性價比高。
燃生物質固硫型煤熔鹽爐是采用立式圓形盤管式結構，并與燃燒生物質固硫型煤的機械化燃燒裝置（如鏈條爐排或往復爐排）相互結合，這樣就使得爐體結構布置緊湊。爐內熔鹽循環回路布置采用立式螺旋盤管結構，這樣在停車時就可以依靠重力將爐管內熔融鹽排放到熔鹽貯罐內，從而可避免停爐時熔鹽在爐管內發生冷卻凝固現象。
熔鹽爐內的爐管受熱面一般是由幾個螺旋盤管圈同心布置而成，螺旋盤管圈既作為受熱面、又作為煙氣隔墻，生物質固硫型煤在鏈條爐排或往復爐排的燃燒室內燃燒后，火焰向上加熱由內圈螺旋盤管組成的爐膛輻射受熱面后，高溫煙氣由爐膛上部折轉180°流入內圈螺旋盤管與中圈螺旋盤管之間的煙氣通道，煙氣向下流動時對爐管內熔鹽進行對流傳熱。
煙氣流動到達爐體下部折轉180°流入中圈螺旋盤管與外圈螺旋盤管之間的煙氣通道，煙氣向上流動時繼續對爐管內熔鹽進行對流傳熱，煙氣由爐體上部排煙口排出，進入煙氣余熱回收利用裝置后，最后煙氣引至煙囪排出。因為燃生物質固硫型煤熔鹽爐的煙氣中含塵量與燃天然氣熔鹽爐（燃生物質柴油熔鹽爐）相比要大得多；所以，對流傳熱煙氣通道中的煙氣流速要控制得低一些，以便降低對流受熱面爐管磨損程度。
立式圓形盤管式結構的燃生物質固硫型煤熔鹽爐缺點是：對于大容量燃生物質固硫型煤熔鹽爐的圓筒形輻射受熱面與機械化燃燒裝置不容易很好地協調匹配。
臥式方箱形盤管式結構的燃生物質固硫型煤熔鹽爐缺點是：當停爐時不能依靠重力將爐管內熔融鹽排放到低位熔鹽貯罐內，并且由于對流蛇形管片的結構特點，使得對流段蛇形管內熔融鹽不能排放出來，從而造成在對流段蛇形管內熔鹽會發生冷卻凝固現象，并造成蛇形管內熔鹽堵塞的事故；另外，在熔鹽爐停車后，爐膛余熱和爐墻蓄熱也會對爐管內不流動的堵塞熔鹽產生過熱氧化。
2．煙氣余熱回收利用節能裝置
煙氣余熱回收利用在節能減排措施中占有極其重要的地位，通常情況下低溫余熱的煙氣可進行一次回收利用，中溫余熱的煙氣應有一次到兩次回收利用，而高溫余熱的煙氣可采取兩次以上回收利用，這樣才能充分地利用煙氣余熱。
目前煙氣余熱回收利用方式主要有兩種方法：一種方法是利用煙氣余熱來預熱助燃空氣或燃料供給爐子自用；另一種方法是利用煙氣余熱去加熱冷水產生蒸汽或熱水等二次能源供給用戶。由于熔鹽爐的排煙溫度非常高，因此，必須采用煙氣余熱回收利用節能裝置[7]，其常用結構型式有：對流型換熱器、輻射型換熱器、熱管式換熱器、余熱鍋爐等。
2.1 對流型換熱器
對流型煙氣余熱回收換熱器有針狀換熱器、片狀換熱器、管狀換熱器、板式換熱器、管式換熱器、套管式換熱器、噴流換熱器等。這些換熱器如果采用普通鑄鐵、鑄鋼或無縫鋼管制造時，只能用于排煙入口溫度在900℃以下的煙氣，換熱器的金屬壁溫度不宜超過450℃，預熱介質溫度不超過400℃。而當這些換熱器如果采用耐熱鋼或不銹鋼制作時，換熱器則可直接用于高溫煙氣余熱回收利用，預熱介質溫度可達到400～700℃。
另外，針狀換熱器、片狀換熱器、板式換熱管、管式換熱器主要用于中、小型爐子的煙氣余熱回收利用，管狀換熱器、套管式換熱器、噴流換熱器主要應用在大、中型爐子的煙氣余熱回收利用上。
最常用的管式換熱器與板式換熱器主要是通過焊接拼裝在一起成為整體換熱器，優點是占地少、運行可靠、漏氣率低、無動力消耗、安裝方便；缺點是表面熱損失大，會有漏氣現象，并且隨著使用時間延長、漏氣會增加，煙氣通道較小，會給清理灰垢帶來困難，因此，只能預熱空氣，不能預熱天然氣。
2.2 輻射型換熱器
輻射型煙氣余熱回收換熱器是雙層圓筒結構，包括輻射傳熱面內套、導向套以及分配與匯集空氣流的冷風聯接箱和熱風聯接箱。助燃用空氣從冷風聯接箱引入，被分配到內套與導向套構成的環形間隙內，并以高速流過環形間隙通道，然后在熱風聯接箱內匯集。在熱風聯接箱內匯集起來的助燃空氣通過熱風管道送入爐膛內或燃燒器中。
作為熱源的爐子排出高溫煙氣在流過內套筒芯部的過程中，對助燃空氣進行輻射換熱，且具有很高的傳熱系數。輻射型煙氣余熱回收換熱器適用于各種爐型，但排煙入口溫度最好不要低于900℃。對于以輻射換熱為主的熱交換來說，煙氣溫度越高，則傳熱系數和換熱器的熱效率也越高。輻射型煙氣余熱回收換熱器的優點是結構簡單、氣密性好、壽命較長，缺點是煙氣余熱回收率不高，要用在高溫煙氣中才有較為明顯效果。
如果溫度為900℃的煙氣流經輻射型換熱器后溫度尚有700℃左右，流出的煙氣含熱量仍然較多；所以，輻射型換熱器常與對流型換熱器串聯使用，用于對煙氣余熱進行二級或多級回收利用。
2.3 熱管式換熱器
熱管式換熱器是由帶翅片的熱管束作為換熱元件組成的換熱器，其結構是有一個矩形外殼，在矩形外殼中布滿了帶翅片的熱管，在矩形外殼中間有一塊隔板把殼體分成兩半，形成了下半殼體的高溫煙氣通道與上半殼體的低溫空氣通道，輸入的高溫煙氣通過隔板的一側把熱量通過翅片傳遞給熱管，再由熱管內部的工質吸引熱量，工質在熱端吸熱汽化后流向冷端，放出凝結潛熱后又變成液態流向熱端，并把熱量傳送到殼體隔板的另一側低溫空氣，從而實現低溫空氣與高溫煙氣的冷熱交換[8]。
熱管式換熱器可以在溫度為300℃以下的煙氣中高效率地回收煙氣余熱，從而實現煙氣余熱多級回收，并且進一步降低爐子的排煙溫度。熱管式換熱器的優點是傳熱能力強、換熱效率高、單位體積的熱交換面積大，氣體流動阻力??；而且容易防止高溫煙氣與低溫空氣間的泄漏，并在少量熱管失效或損壞后不致影響換熱器的運行；整體結構緊湊簡單，因受熱膨脹而產生的問題少，檢修維護方便；投資費用少，收回投資快；但缺點是粉塵容易粘附，清灰比較困難，隨著使用時間的延長，換熱效率會降低。
2.4 余熱鍋爐
余熱鍋爐有煙道式余熱鍋爐、管殼式余熱鍋爐、熱管式余熱鍋爐等結構型式。煙道式余熱鍋爐的煙氣側均處于負壓或微正壓的狀態；而管殼式余熱鍋爐的受熱面均處在內外受壓的狀態下運行。余熱鍋爐的工作介質是水和蒸汽，熔鹽爐排出高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱水后，產生蒸汽或熱水供生產用汽和生活采暖。另外，煙道式余熱鍋爐在系統布置上要注意在熔鹽爐和余熱鍋爐之間設置旁通煙道，以保證主要生產過程在停用余熱鍋爐的情況下仍能正常運行。
熱管式余熱鍋爐的結構是由圓筒形汽包、矩形殼體煙箱、中間隔板、穿過中間隔板的熱管管束組成，其功能是加熱水后產生蒸汽供工廠用熱。熱管裝在矩形殼體煙箱中，殼體煙箱直接和高溫煙氣通道連接，熔鹽爐排出高溫煙氣從上向下流過熱管的熱端，熱管的冷端被安置于承受壓力的圓筒形汽包內，并在汽包上附設有安全閥、水位報警器、水位自動調節器等附屬裝置。
熱管的冷端為光管，熱管的熱端上翅片的間距根據煙氣的性質和含塵量多少來確定，一般在5～8mm之間，易積灰或含塵量大的氣體可選取高限，同時應該安裝吹灰器；清潔或不易積灰的氣體可取低限，并且可以不加吹灰器。熱管式余熱鍋爐的優點是結構緊湊、體積小、重量輕、余熱回收率高，但供給與需求的同步運行才是保證余熱鍋爐回收煙氣余熱有效利用的必要條件，若能滿足這一條件，則采用余熱鍋爐回收煙氣余熱就較為有利。
3．結束語
生物質是唯一可以實現碳的零排放的可再生資源，充分利用豐富的生物質資源，可改善目前的能源供應狀況，減少化石燃料的使用，從而降低環境污染，實現能源的可持續利用。目前采用的清潔環保型熔鹽爐的主要結構型式是：燃天然氣熔鹽爐、燃生物柴油熔鹽爐、燃生物質固硫型煤熔鹽爐。
因為熔鹽爐的排煙溫度非常高，所以必須采用煙氣余熱回收利用節能裝置，其常用結構型式是：對流型換熱器、輻射型換熱器、熱管式換熱器、余熱鍋爐。
參考文獻：
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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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