（动力机械及工程专业论文）熔盐热载体特性及其供热系统研究.pdf

摘要 摘要 熔盐加热炉及其供热系统是采用熔盐作为传热介质，采用液相强制循环方式，从而将热能输送到用 热设备的一种新型的特种锅炉。因其具有低压高温、在设定的供热温度下可进行精确的温度调节等特点， 应用于需要3 5 0 6 0 0 高温传热的生产场合，市场需求量越来越大，但长期以来一直依赖进口。就技 术水平而言，我国的熔盐加热炉及其供热系统技术仍处于初级的模仿阶段。与较成熟的工业锅炉产品相 比，目前国内尚没有熔盐加热炉及其供热系统设计、建造及运行方面的规范，也没有指导性文件。从国 内用户的使用情况来看，还存在着设计方法不成熟，设计参数与实测运行参数存在偏差；存在一些设计 缺陷；控制水平不高等问题。 本文首先从热载体的概念出发，比较了几种常见热载体的性能和使用范围，指出了我国熔盐加热炉 的现状，指明了本文的主要工作方向；本文进而阐述了熔盐特性，并进一步分析了对熔盐加热炉及其供 热系统设计产生影响的介质特性；本文介绍了熔盐加热炉及其供热系统的构成；针对熔盐加热炉在结构 上的要求，本文在分析了常见热载体加热炉结构特性后，选定了适合熔盐特性的熔盐加热炉结构；本文 提出了熔盐加热炉热力计算方法，在进行热力计算特点分析的基础上，对影响热力计算结果的参数提出 了修正方法：本文针对熔盐对金属材料的要求，确定了适合熔盐特性的熔盐加热炉及其供热系统用金属 材料； 提出熔盐供热系统设计要求及其系统运行控制要求；本文列举了一工程应用实例，介绍了熔盐 加热炉采用的结构、技术特性参数、热力计算结果、技术要求和控制系统。 本文最后对全文进行了总结，并对熔盐加热炉及其供热系统的进行研究进行了展望。 关键词：熔盐；热载体；加热炉；供热系统 东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em o l t e ns a l th e a t - c a r r i e rh e a t i n gf u r n a c ea n dh e a t i n gs y s t e mw h i c hi su s i n gm o l t e ns a l tf o ri t sh e a t t r a n s ；f e rm e d i u m ，a n du s i n gt h ew a y so ff o r c e dc i r c u l a t i o n , m a k e st h eh e a te n e r g yc o n v e y i n gt ot h ee q u i p m e n t w h i c hn e e d e d 1 ti san e ws t y l eb o i l e r b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i co fl o wp r e s s u r e ，h i g ht e m p e r a t u r e ，a c c u r a t e t e m p e r a t u r er e g u l a t i o n , a p p l i e di n3 0 0 6 0 0 e e n t i - d e g r e eh i g ht e m p e r a t u r et r a n s f e rp r o d u c t i o n t h em a r k e t d e m a n di sv e r yl a r g e b u tf o ral o n gt i m e ，w en e e di m p o r t a t i o n t ot h et e c h n i c a l1 e v e l ，o u rn a t i o n a lm o l t e ns a l t h e a t c a r d e rh e a t i n gf u r n a c ea n dh e a t i n gs y s t e mi sa tt h es t a g eo fp r i m a r yi m i t a t i o n c o m p a r et ot h em a t u r i t y b o i l e r s 。w ed on o th a v et h ed e s i g n ，b u i l d i n g - o p e r a t i o nr e g u l a t i o n s ，g u i d i n gi n s t r u m e n t f o r mt h eu s i n g c o n d i t i o n si no u rn a t i o n , w eh a v em a n yp r o b l e m si nd e s i g nm e t h o d st i nm a t u r i t y , d e s i g np a r a m e t e ro 凰e 乞 d e s i g nd e f i c i e n c ya n dc o n t r o ll e v e ll o w t h i sp a p p e rf i r s t l yc o m p a r e dt h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o nr a n g e i n d i c a t eo u rm o l t e ns a l t h e a t - c a r r i e rh e a t i n gf u r n a c ec u r r e n ts i t u a t i o n a l s oi n d i c a t et h i sp a p p e r sr e s e a r c hd i r e c t i o n e x p o u n dt h e m o l t e ns a l th e a t c a r d e rc h a r a c t e r f u r t h e r l ya n a l y s et h em e d i u mc h a r a c t e rw h i c hi n f l u n c et h ed e s i g no fm o l t e n s a l th e a t c a r r i e rh e a t i n gf u r n a c e t h i sp a p p e ri n t r o d u c et h ec o n s t i t u t i o no fm o l t e ns a l th e a t - c a r r i e rh e a t i n g f u r n a c e t ot h ed e m a n do f m o l t e ns a l th e a t c a r d e rh e a t i n gf u r n a c es t r u c t u r e t h i sp a p p e rr a i s et h ec o m p u t i n g m e t h o do fm o l t e ns a l th e a t - c a r r i e rh e a t i n gf u r n a c e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fh e a tc a l c u l a t i o n , r a i s et h e p a r a m e t e rc o r r e c t i o nm e t h o dw h i c hi n f l u n c et h eh e a tc a l c u l a t i o nr e s u l t t ot h ed e m a n do fm o l t e ns a l t h e a t c a r r i e rh e a t i n gf u r n a c e sm e t a lm a t e r i a l c o n f i r mt h em e t a lm a t e r i a lw h i c hi sf i tf o rm o l t e ns a l th e a t c a r d e r h e a t i n g 如i m a c e r a i s et h ed e m a n do f m o l t e ns a l th e a t c a 州e rh e a t i n gf u r n a c e sc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p p e rg i v e a ne x a m p l ei np r a c t i c a lp r o j e c t sa p p l i c a t i o n , i n t o d u c et h es t r u c t u r e t e c h n i c a lp a r a m e t e r , h e a tc a l c u l a t i o nr e s u l t , t e c l m i c a ld e m a n d sa n dc o n t r o ls y s t e mo f m o l t e ns a l th e a t - c a r d e rh e a t i n gf u m a c e f i n a l l y , t h i sp a p p e rg i v et h es u m m a r y , a n dt h ee x p e c t a t i o no ft h em o l t e ns a l th e a t - c a r d e rh e a t i n gf u r n a c e a n dh e a t i n gs y s t e m sr e s e a r c h k e y w o r d s ：m o l t e ns a l t h e a t - c a r d e r h e a t i n gf u m a c e h e a t i n gs y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成采。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 ! 导东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丝网 | 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保魁本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公匆( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文麴公- 奄( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：趔：篁：型 第一章绪论 1 1 热载体 第一章绪论 热载体是用来传递和输送热量的中间媒体。工业上，将热载体分为有机热载体和无机热载体两大类。 有机热载体又根据生产方法分为矿物型热载体和合成型热载体，导热油是有机热载体中的典型代表；无 机热载体有水及水蒸汽、空气及烟道气、熔融盐类等。 1 1 1 水和水蒸汽 众所周知，水和水蒸汽是最早被用作为热载体的，它的传热效率高、资源丰富，所以也是最廉价、 r 矿物型有机热载体 r 有机热载体1 合成型有机热载体 热载体一 r 水及水蒸汽 i无机热载体j 空气及烟道气 l l l 熔融盐 使用最为普遍的热载体。 在0 1 0 0 * c 温度范围内，水是理想的热载体。在此温度范围内，水与其它熟载体相比具有最优性 质：在标准大气压力下沸点1 0 0 c ；冰点0 ；比热容高，c p = 4 2 0 0k j m 3 k ；导热系数很高，1 = 0 6 w ( m k ) ； 粘度低，v = lx1 0 - 6 m 2 s ( 2 0 时) ：经济的应用条件，例如价廉、无毒等等。 水在1 0 0 时的蒸发潜热高达2 2 5 7 3 k j k g ，所以水蒸汽的传热能力很大，因此约1 5 0 以上的水蒸 汽通常是比水更受欢迎的热载体。但随着温度的升高，水蒸汽的饱和蒸汽压急剧上升。1 8 0 时水的饱 和蒸汽压力为1 m p a ，2 5 0 c 时则为4 m p a ，至3 1 1 时，其饱和蒸汽压力达到1 0 m p a 。温度再升高，饱 和蒸汽压力还要升高。所以，水及水蒸汽在加热和供热时设备必须加压，需要专门设计一套承压的加热 设备和供热系统，加热设备及其供热系统的换热材料、设备的压力等级、制造要求、使用和运行要求及 技术都很高。而且，整套装置的投资高、工程建设周期长。一般的用热单位通常都不具备中高压蒸汽， 这样就使它的应用受到一定的条件限制，因此，工业上水和水蒸汽的使用温度一般以不超过2 0 0 为宜。 在水和水蒸汽加热及其供热系统中还会遇到受热面金属腐蚀、沉淀和结垢等问题。 1 1 2 导热油 导热油是有机热载体中的典型代表。它是一种有机化合物，由石油馏分及化学合成而成。因其外观 状态呈油状液体而又用作为传热介质，故俗称为“导热油”，也叫“热媒油”。 矿物型导热油是以石油经高温裂解过程或催化过程生产的馏份油产品作为基础油，再经过深度加 工，加入清净分散剂和抗氧化剂等添加剂精制而成。矿物型导热油原料来源比较丰富，价格便宜，制造 工艺简单，大都无毒无味，常温下不易氧化。 合成型导热油是以化工或石油化工产品为原料，由二种或二种以上基体油经有机合成工艺制得。这 种导热油由美国道氏公司首创，故俗称为“道生油”。合成型导热油加工工艺复杂，成本较高，使用温 度也更高，热稳定性也较好，但合成型导热油有毒，气味难闻，凝点偏高。 导热油可以在较低的工作压力下( 工作压力一般不超过i m p a ) 被加热到较高的工作温度，达到液 相3 4 0 或气相4 0 0 ，并有较好的热稳定性。一般不腐蚀设备金属。粘度不大，泵送性能好。在工程 上已得到广泛使用。但在使用过程中当油温超过8 0 时必须有隔离空气的措施，否则导热油会被急剧 氧化而变质，影响使用性能；导热油都是可燃的，故使用中必须注意防火要求：随着使用时间延长导热 油会出现热劣化和酸化变质，其发生时间根据使用温度和载热体的种类不同而不同，裂解析出碳，增加 粘度，使传热效果下降，造成加热炉受热面结碳而引发事故；有机热载体劣化后经再生处理可重复使用。 东南大学硕士学位论文 1 1 3 熔盐热载体 在使用温度达到3 5 0 - 一6 0 0 9 c 的高温状态时，有机熟载体因发生有机物急速的分解及猛烈的碳化反 应而无法继续使用，熔盐热载体( 以下简称“熔盐”) 恰好弥补了这一空白。工程上最常用的熔盐是由 硝酸钾( k n 0 3 ) 、亚硝酸钠( n a n 0 2 ) 、硝酸钠( n a n o ，) 三种无机盐组成一种三元共熔混合物。熔盐 热稳定性好，其传热系数是有机热载体的两倍，而且使用温度在6 0 0 。c 以下时，几乎不产生蒸气，但它 易和接触的有机化合物发生剧烈的反应，且其融点高达1 4 2 ，整套设备建设费用较高，熔盐加热炉及 其供热系统的换热材料、制造要求、使用要求都很高。 1 1 4 几种常见热载体的比较 几种常见热载体的性能比较见表l 一1 ，其使用温度范围见表l - - 2 。 表1 一l 常见热载体的性能比较 名称传热性能工作压力对材料要求毒性使用温度使用限制 水和水蒸汽好高无特殊要求无 l0 0 2 0 0 2 5 0 导热油好低有特殊要求略有15 0 3 0 0 3 5 0 熔盐低低无特殊要求无 3 5 0 5 0 0 5 5 0 表1 2常见热载体的使用温度范围 项目 使用温度【】 种类 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 水和水蒸汽 导热油 熔盐 1 2 熔盐加热炉的现状 熔盐加热炉是以油、气、煤为燃料，采用熔盐作为传热介质，利用熔盐循环泵强制液相密闭循环， 从而将热量输送到用热设备的一种新型的特种锅炉。因其具有供热温度高、系统运行压力低、传热介质 不发生相变、热源稳定、供热温度可进行精确调节、投资运行费用低等优点，而广泛应用于石油、化工、 纺织、食品、塑料、橡胶、冶金及建材等众多行业。 长期以来，我国使用的熔盐加热炉一直依赖从国外进口，而且设各价格不菲，其主要生产商是美国、 德国、日本等国的一些公司。熔盐加热炉及其供热系统技术在我国本世纪初才刚刚起步。2 0 0 1 年，国 家经贸委将超大型燃油热载体加热炉确定为“国家重大技术装备国产化创新研制项目”( 国经贸技术 【2 0 0 1 】5 1 9 号文) 。2 0 0 3 年，首批为中国长城铝业股份河南分公司第二套氧化铝道尔法溶出技术生产的 四台】4 m w ( 12 0 0x10 4 k e a l h ) 的熔盐加热炉在常州能源设备总厂有限公司自主设计、建造完成，本人有 幸承担了这四台熔盐加热炉的建造监造工作，包括对设计图样资料的审核确认和对产品建造质量的监督 检查，该工程于2 0 0 4 年5 月荣获了中国优质工程奖银奖，填补了国内超大型热载体加热炉技术的空白。 目前，江苏省常州市己成为国内设计、建造热载体加热炉的基地，聚集了数十家热载体加热炉建造 单位，常州能源设备总厂有限公司是热载体加热炉国家标准的起草单位，热载体加热炉及其供热技术是 从常州走向全国的。从2 0 0 3 年开始，常州已先后为国家大型石化、冶金企业建造了上百台超大型熔盐 加热炉，并陆续有一些容量较小的熔盐加热炉开始走出国门，出口到日本、俄罗斯、东南亚、中东等国 家和地区。目前国内设计、建造的单台容量最大的熔盐加热炉也已经在常州综研加热炉有限公司建造完 成并出厂，其单台最大容量己达到2 3 6 5 m w ( 2 0 0 0 1 0 4 k c a l h ) 。 熔盐加热炉及其供热系统技术在我国虽然起步较晚但发展势头迅猛。单就其技术水平而言，我国的 熔盐加热炉及其供热系统技术仍处于初级模仿阶段。国内外的相关文献资料介绍，熔盐在电解冶金、表 面处理、制取半导体和超导单晶、熔盐燃料电池、熔盐锂电池、熔盐氟化、熔盐氯化等领域中得到广泛 2 第一章绪论 应用，基本上都是作为电解质使用。而作为热载体使用时，文献资料中仅仅提及当使用温度为3 5 0 - 6 0 0 的高温时可选择熔盐作为高温热载体使用，而其相关的文字内容往往只有数百字的介绍，对熔盐的特 性、熔盐加热炉及其供热系统设计方法或技术要求等几乎只字未提。与较成熟的工业锅炉产品相比，由 于对熔盐的特性缺乏深入研究，目前国内既没有熔盐加热炉及其供热系统设计、建造及运行方面的规范， 也没有指导性文件。从国内用户的使用情况来看，还存在着设计方法不成熟，设计参数与实测运行参数 存在不小的偏差；存在一些设计缺陷：控制水平不高等问题。 1 3 论文的主要工作 本课题的研究方向是根据常州能源设备有限公司设计、制造的四台超大型熔盐加热炉的具体情况， 在熔盐特性研究的基础上，分析其对熔盐加热炉及其供热系统设计的影响，选定适合熔盐特性的加热炉 结构及其供热系统，并提出熔盐加热炉热力计算方法，对影响热力计算结果的参数进行修正。 本课题的主要内容有： 1 广泛收集熔盐的技术资料，研究熔盐的特性，分析其对熔盐加热炉及其供热系统设计产生的影 响： 2 分析常见热载体加热炉的结构，选定适合熔盐特性的熔盐加热炉结构； 3 根据传热学原理，分析热力计算方案，提出熔盐加热炉热力计算方法； 4 通过对影响热力计算结果的参数分析，提出修正方法； 5 选用适合熔盐特性的熔盐加热炉及其供热系统的材料； 6 提出熔盐供热系统设计及其运行控制要求。 本课题的关键技术是：研究熔盐的介质特性，分析其对熔盐加热炉及其供系统设计产生的影响，选 定适应熔盐特性的加热炉结构及其供热系统，并确定热力计算方法，对影响热力计算结果的计算参数进 行修正，提出熔盐供热系统设计及其运行控制要求。 3 东南大学硕士学位论文 第二章熔盐的特性及其对设计的影响 2 1 熔盐的介质组份 工程上，最有实用价值的熔盐的组份为：硝酸钾( k n 0 3 ) ：5 3 w t + 亚硝酸钠( n a n 0 2 ) ：4 0 w t + 硝酸钠( n a n 0 3 ) ：7 w t ，介质盐的技术要求应分别符合g b l 9 1 8 工业硝酸钾、g b t 4 5 5 3 工业 硝酸钠、g b 2 3 6 7 工业亚硝酸钠的规定，分别见表2 一l 、表2 2 、表2 - - 3 。 硝酸钾( k n 0 3 ) ：g b l 2 2 6 8 危险化学品名录危险货物编号：c n 第5 1 类5 1 0 5 6 ；联合国编号： u n l 4 8 6 ；道路危险货物运输规定分类号：一级无机氧化剂，2 1 0 2 7 。 表2 1工业硝酸钾 指标 指标项目 一级二级 硝酸钾( k n 0 3 ) ，( ) 9 9 69 9 0 水分，( ) o 1 00 3 0 氯化物( 以n a c i 计) ，( ) 0 0 3o 2 0 水不溶物，( ) 0 。0 l 0 0 3 硫酸盐( 以k 2 s 0 4 计) ，( ) 0 0 l0 0 1 吸湿性，( )0 2 5 外观白色结晶 表2 2工业硝酸钠 指标 指标项目 优等品一等品合格品 硝酸钠( n a n 0 3 ) ( 以干基计) ，( ) 9 9 59 9 39 8 5 水分，( ) 1 51 82 0 水不溶物( 以干基计) ，( ) 0 0 30 0 6 氯化物( 以n a c i 计) ，( )0 1 5o 2 4 亚硝酸钠( n a n 0 2 ) ( 以干基计) ，( ) 0 0 10 0 2o 1 5 硫酸钠( 以n a 2 s 0 4 计) ( 以干基计) ，( ) o 0 5o 1 0 铁( f e ) ，( ) 0 0 0 5 松散度( 筛分试验，粒径鱼兰!竺：望：!(5-5) p 式中：a 余量系数，一般取吐= 1 1 1 2 ； 口熔盐的体膨胀系数，体积t ； t 熔盐的温度，通常f = 1 5 0 。 g 。熔盐的保有量，t ； p 熔盐密度，k g m 3 。 粗略计算，取y = 1 5 g i n 。 在熔盐槽底部放置蛇形蒸汽盘管，槽外加电加热伴带，以作启动时融化熔盐所用，并以一定的方式 加以控制，以保证槽内维持一定温度而不使熔盐凝固。 熔盐槽还应液位计、压力表、安全阀、氮气密封减压阀、气体排放阀等附件。 5 2 2 熔盐循环泵 熔盐循环泵是用以提供动力，驱动熔盐在加热炉及其供热系统中液相流动从而实现能量的转换，是 熔盐加热炉及其供热系统必不可少的设备。如果循环泵工作停止，则整个加热炉及其供热系统循环中断， 加热炉受热面管子进入空烧状态，管子金属材料会过热损坏，管内熔盐因过热而劣化，甚至气化。即使 循泵的运转不停止，但由于某种原因引起循环流量降低，则导致受热面管内传热系数下降，管壁温度升 高，加速熔盐的劣化。 循环泵的选定主要是对泵的类型、流量及扬程的选择，其中流量及扬程应与供热系统相匹配。 为隔断空气、水和水蒸汽与熔盐的接触，减缓熔盐的热劣化速度，以及避免高温熔盐泄漏与有机物 接触引起着火灾或与水接触出现水蒸汽爆炸，所以循环泵一般使用设置在熔盐槽上部的立式液下泵。液 下泵的泵体淹没在熔盐中，立式电动机安装在熔盐槽顶部，并通过弹性联轴器与泵体连接，启动无需排 空操作，轴承部位设有冷却装置，使轴承工作环境不受高温熔盐的影响，独特的结构确保冷却水绝对不 会进入供热系统，耐高温的密封装置使熔盐不致于逸出。 熔盐循环泵的流量，按熔盐加热炉及其供热系统的熔盐的循环流量职即：各个用热设备循环回 路按各自工艺条件计算的要求流量之和。 熔盐循环泵的扬程鼠为包括所有用热设备的全循环系统的压力损失。 5 2 3 燃烧器 为适应即将进入的熔盐，防止熔盐遇冷而固化，在将熔盐通过循环泵输送给加热炉之前，需要对加 2 1 东南大学硕士学位论文 热炉的受热面管子、供热系统配管以及附件采取必要的预热措施，避免配管材料因骤热产生热应力，而 掌握好管壁温度特别重要，因此由温度监控器进行测量和控制管壁预热温度是非常有必要的。管壁预热 温度应不低于熔盐的凝固点高3 0 ，一般要求达n - 受热面管子2 0 0 、系统配管以及附件1 8 0 以上。 如果熔盐发生了热劣化，则此温度还要适当提高。 熔盐加热炉具有严格的空管预热要求，但预热温度也不应过高，以免使受热面管子过热损坏。所以， 从安全角度考虑，熔盐加热炉应采用有以下特点的燃烧器： ( 1 ) 应采用双y 型烧咀，分大火及小火二种火焰，调节比可达1 ：2 5 ，以保证空管预热是在小油 量、小火状态下“温火”进行，防止炉管局部过热。 ( 2 ) 采用三次风技术，在空管预热时可在小火焰外形成三次冷却风保护风幕，以更好地保护炉管 安全。 5 3 系统配管与附件 熔盐供热系统的配管设置，对系统的正常运行很重要。最初时，用热设备及供热系统的配管是常温 状态，考虑到熔盐在温度低于1 4 2 c 时便产生凝固，故配管需采用管外伴热预先加热，防止熔盐在供热 系统内出现放热而固化，引起管道的堵塞，因此配管应采用蒸汽套管或电伴热。 与此同时，所使用的阀门也宜选用具有蒸汽夹套的型式或配以电伴热装置，带有金属波纹套管密封 能的阀门对阀门能提供额外的防泄漏保护，带有高温填料与后支座件的钢制直通型阀门比较适合熔盐加 热炉及其供热系统。对于自控阀，钢阀体的气动隔膜阀是比较好的，这种阀门具有翅片冷却的填料箱， 并带有符合温度限制的柔性石墨或聚四氟乙烯填料函。放空阀应该是各种类型的手动阀，钢制的针形阀 或截止阀可以满足排放的要求。在安全阀( 或释放阀) 之前可以安置也可以不安置爆破膜，如果安全阀 的安装方式不能将挥发性物体中的热隔离开，那么推荐在它前面安装一个爆破膜，如果使用了爆破膜， 就应在系统中设置一个过流阀与压力表。 因为温度的限制，含有黄铜或青铜元件的阀门应避免使用。任何时候都不能依靠控制阀门来完全关 断液流，这是因为阀芯和阀座之间的线形接触面通常难以承受密封所需的足够压力。 配管设置时必须有合理的弯曲度和适宜的斜度，以保证熔盐的自由流动以及有利于熔盐从加热炉及 其供热系统中排出。当系统停止运行时能将系统内熔盐全部放回到熔盐槽内。 正常生产时，熔盐的工作温度达到3 5 0 - - - 6 0 0 ，其配管的膨胀量是相当大的，在配管布置时必须 予以考虑，除了在不同方向上设置必要的弯管外，还必须合理地设置各种柔性的滑动支吊架来消除配管 在各个方向的热应力和膨胀量，满足配管稳定和受热位移的要求。但不得采用膨胀节吸收配管的热膨胀 量，而应采用水平u 型管段或垂直u 型管段，因为熔盐易在膨胀节的凹槽部分产生沉积，导致其功能 丧失。 熔盐的渗透性很强，而且熔盐三组份均属于化学危险物品，因此在熔盐加热炉及其供热系统在运行 过程中不允许有泄漏现象发生，一旦泄漏易造成严重后果。所以为防止泄漏的产生，除留极少数必不可 少的法兰接头外，其余均采用焊接连接，并需采用气体保护焊，焊接接头须经1 0 0 r t 或2 5 r t + 1 0 0 u t 探伤合格。当选用c r m o 钢钢管时，鉴于c r m o 钢的特性，必须采取焊前预热、层问保温、焊 后热处理等措施，以防止焊接裂纹，降低焊接接头处的残余应力水平。 配管布置时应尽量少用法兰连接，必须采用法兰连接时，宜采用公称压力( p n ) 不小于2 5 m p a 一 密封面型式为凹凸面、榫槽面或环连接面的高颈对焊法兰。密封件( 法兰垫片) 采用金属缠绕式垫片或 八角型嵌入式金属环式垫片。 配管及其附件不应采用有色金属及铸铁材料制作，因为这些成分对熔盐的热劣化会产生促进作用。 配管及其附件设置完成后，要进行液压试验和气密性试验合格。液压试验后，应用压缩空气将配管 内部未排尽的积水彻底吹扫干净。 5 4 控制系统要求 随着工业技术的发展，自动化控制技术越来越多地被采用。目前，燃油燃气以及大型熔盐加热炉及 其供热系统都采用了许多工业仪表和自动控制装置，通过工业仪表对温度、压力、液位等参数进行测量， 对运行工况进行监视，并通过自动控制装置将熔盐加热炉及其供热系统的运行参数和运行工况调节、控 制在安全运行允许的范围之内，同时起到保护作用，实现安全、经济运行。 1 熔盐加热炉及其供热系统应装设下列控制仪表： ( 1 ) 熔盐加热炉进出口的压力表和差压报警器： 第五章熔盐供热系统设计 ( 2 ) 熔盐加热炉进出口的测温仪表和超温报警器： ( 3 ) 熔盐加热炉受热面管子的测温仪表和超温报警器： ( 4 ) 熔盐贮盐槽上的测温仪表和超温报警器； ( 5 ) 熔盐贮盐槽上的液面计和低液位报警器； ( 6 ) 熔盐循环泵出口配管上的压力表和超压报警器。 2 熔盐加热应装设针对下列工况的自动调节保护装置： ( 1 ) 熔盐出口压力超过允许值时； ( 2 ) 熔盐出口温度超过允许值时； ( 3 ) 熔盐出口温度低于允许值时。 3 以油或气体作燃料的熔盐加热炉应配有下装置： ( 1 ) 根据熔盐出口温度的变化而自动调节燃烧器负荷的装置： ( 2 ) 点火程序控制装置； ( 3 ) 火焰监测装置： ( 4 ) 炉膛熄火保护装置： ( 5 ) 重新点时炉膛吹扫装置。 东南大学硕士学位论文 第六章熔盐加热炉及其供热系统用材料 6 1 熔盐加热炉及其供热系统对材料的要求 设计是关键，材料是基础，正确选用金属材料是确保熔盐加热炉安全运行的一项重要措施。受热面 管子、集箱和系统管道是加热炉中最重要的受压元件，在其中储存着大量高温的熔盐，一旦受热面管子、 集箱或系统管道发生破裂，这些高温状态的熔盐将释放出巨大能量，造成事故，性质是十分严重的。因 此必须选择质量好的金属材料建造熔盐加热炉，所用的金属材料及焊接材料等应符合有关国家标准和行 业标准，设计单位、建造单位不应任意选用材料来建造熔盐加热炉。 熔盐加热炉受压元件所用的金属材料应具有以下性能： 1 金属材料应具有较高的强度。一般来说，金属材料的强度级别越高，抵抗破坏的能力越强。采 用强度级别高的金属材料，管子、集箱的壁厚可以减小一些，可以避免建造工艺困难。 2 金属材料应具有较好的塑性、韧性、和冷弯性能。金属材料的塑性、韧性和冷弯性能好，在管 子、集箱加工时，金属材料不易出现裂纹。 3 金属材料应具有较低的时效敏感性。金属材料经冷加工成形后，其工作温度正处于时效过程进 行得较为强烈的温度区域。发生时效过程会使金属材料的冲击韧性降低。 4 金属材料应具有较低的缺口敏感性。管子、集箱上常常开有大量的孔，所用的金属材料应具有 缺口敏感性低的性能，即对应力集中不敏感。 5 金属材料应具有较高的抗氧化性。受热面管子内熔盐换热条件较差，金属管壁在较高温度下工 作，通常要求金属材料在工作温度下氧化深度小于o 1 m m 年。 6 金属材料应具有良好的组织稳定性。要求金属材料在工作温度下，其金相组织不发生导致降低 强度和韧性的组织变化。 7 金属材料应具有良好的可焊接性能。熔盐加热炉受压元件与受压元件的连接，都是采用焊接方 法。因此要求所用金属材料应具有良好的可焊接性能。易发生焊接裂纹的金属材料可焊接性能差；不易 发生焊接裂纹或不发生焊接裂纹的金属材料可焊接性能好。金属材料的可焊接性能与金属材料的化学成 分、性能有关，与焊接方法及工艺方法也有关。采取焊前预热、层间保温、焊后热处理焊等严格的施焊 工艺措施，可以降低焊接接头处的残余应力水平，改善金属材料在焊接后产生裂纹的倾向，以防止焊接 裂纹。 除上述要求外，还要求金属材料中的非金属夹杂、气孔、疏松和分层等缺陷尽量少，并且不允许存 在白点和裂纹。 熔盐加热炉受压元件所用的金属材料必须是镇静钢，其力学性能、弯曲性能应当符合相应的材料标 准，钢材的磷含量不应大于0 0 3 0 ，硫含量不应大于0 0 2 0 ，含碳量不应大于0 2 5 。对于板材其2 0 时的伸长率5 5 应不小于1 8 ，对于碳素钢室温时夏比( “v ”形缺口试样) 冲击吸收功不低于2 7 j 。 6 2 熔盐加热炉及其供热系统用材料 熔盐加热炉及其供系统所用材料包括钢板、钢管、拉撑件等金属材料和焊条、焊丝、钨棒、氩气等 焊接材料。金属材料和焊缝金属在使用条件下应具有规定的强度、韧性和伸长性以及良好的抗疲劳性能 和抗氧化、组织稳定性能，还应与熔盐的介质特性相兼容。 用于熔盐加热炉受压元件的金属材料可按表6 1 表6 4 选用： 1 钢板 表6 1 熔盐加热炉用钢板 适用范围 钢的种类钢号技术标准 工作压力，m p a壁温， 碳素钢 2 0 9 g b 7 1 3 5 94 5 0 合金钢 1 2 c r i m o v g g b 7 1 3 不限 5 8 0 第六章熔盐加热炉及其供热系统用材料 2 钢管 适用范围 钢的种类 钢号技术标准 工作压力 壁温 用途 m 口a 受热面管子 4 8 0 2 0g b 3 0 8 75 9 集箱、系统管道 4 5 0 碳素钢 受热面管子 4 8 0 2 0 g g b 5 3 1 0不限 集箱、系统管道 4 3 0 洼 受热面管子 5 8 0 合金钢1 2 c r l m o v gg b 5 3 1 0不限 集箱、系统管道 5 6 5 注：要求使用寿命在2 0 年以内，可提高至4 5 0 3 锻件 表6 3 熔盐加热炉用锻件 适用范围 钢的种类钢号技术标准 工作压力，m p a壁温， 碳素钢 2 0g b 6 9 95 ，94 5 0 合金钢 1 2 c r l m o vg b 3 0 7 7 不限 5 6 5 4 紧固零件 表6 4 熔盐加热炉用紧固零件 适用范围 钢的种类钢号技术标准 工作压力，m p a壁温， 碳素钢 3 5g b 6 9 9不限4 2 0 3 5 c r m o 难n 4 不限 5 0 0 合金钢 2 5 c r l m 0 1 v 1不限5 5 0 2 0 c r lm 0 1v t i b 不限 5 7 0 注：螺母材料的硬度应低于螺柱( 栓) 材料的硬度。 5 接撑件 熔盐加热炉接撑件所用的金属材料必须为镇静钢，且应符合g b 7 1 5 标准件用碳素钢热轧圆钢 的规定或者g b 6 9 9 优质碳素结构钢技术条件中2 0 钢、g b t 3 0 7 7 合金结构钢中1 2 c r l m o v 钢 的规定。 6 ，焊条、焊丝 焊接受压元件所用的焊条应符合g b t 5 1 1 7 碳钢焊条、g b t 5 1 1 8 低合金钢焊条、g b 9 8 3 不 锈钢焊条的规定，焊丝应符合g b 4 2 4 2 焊接用不锈钢丝、g b t 8 11 0 气体保护电弧焊碳钢、低合 金钢焊丝g b t 1 4 9 5 8 气体保护焊用钢丝的规定。 焊接材料的选用应根据母材化学成分和力学性能、焊接材料的工艺性能以及焊接接头的设计要求和 使用性能统筹考虑。 6 3 材料使用控制与管理 l 。熔盐加热炉及其供热系统材料的选用主要取决于熔盐的工作温度。工作温度在4 5 0 以下时，可 选用碳素钢材料；工作温度在4 5 0 以上时，应选用低合金钢材料。 2 5 东南大学硕士学位论文 所有接触熔盐的部件都不得采用有色金属或铸铁材料，因为这些成分会加剧熔盐的劣化。 2 熔盐加热炉及其供热系统材料所用的金属材料及焊接材料等的质量和规格应符合相应的国家标 准和行业标准的规定。材料生产单位应按相应的材料标准的规定提供材料质量证明书原件，并在材料的 明显部位作出清晰、牢固的材料标记，至少包括材料标准代号、材料牌号及规格、炉( 批) 号、材料生 产单位名称及检验标志。材料质量证明书的内容必须齐全、清晰，并加盖材料生产单位检验印章。 熔盐加热炉建造单位如从非材料生产单位购买熔盐加热炉及其供热系统用金属材料及焊接材料等， 应同时取得材料质量证明书原件或加盖供材单位检验专用章和经办人章的有效复印件。 熔盐加热炉建造单位应对所获得的熔盐加热炉及其供热系统用金属材料及焊接材料等与材料质量 证明书的真实性、一致性负责。 修理熔盐加热炉及其供热系统所用材料应与所修部位原来的材料牌号相同。 3 采用国外金属材料设计、建造熔盐加热炉时，应符合以下要求： ( 1 ) 材料牌号应是列入国外材料标准的成熟的锅炉用材料牌号，其化学成分、力学性能、焊接性 能与国内可以用于熔盐加热炉及其供热系统的材料相类似； ( 2 ) 应按订货合同规定的技术标准和技术条件进行验收，对照国内材料标准如缺少检验项目，应 补做所缺项目的检验，合格后才能使用； ( 3 ) 首次使用前，应进行焊接工艺评定和成型工艺试验，满足技术要求后才能使用； ( 4 ) 强度计算应采用该牌号材料的技术标准或技术条件所规定的性能数据进行。 国内材料生产单位生产国外牌号材料时，应完全按照该牌号的国外材料标准的规定组织生产和验 收。 4 熔盐加热炉建造单位应对用于熔盐加热炉及其供热系统用材料按j b 3 3 7 5 ( 锅炉原材料入厂检验 的规定进行入厂验收，合格后才能使用。 对无材料质量证明书或虽有材料质量证明书，但其内容不完整、与材料实物不符的材料，熔盐加热 炉建造单位应拒绝验收。 5 熔盐加热炉建造单位应建立材料保管和使用的管理制度。未经检验或经检验不合格的材料不得 用于建造熔盐加热炉及其供热系统。材料切割下料前，应进行材料标记移植，以防止错用材料。 第七章工程使用实例 7 1 工程( 项目) 概况 第七章工程使用实例 在氧化铝生产过程中，由于我国铝土矿存在高铝、高硅、可磨性差和难溶出的特点，管道化溶出方 式逐渐成为一种发展趋势，而熔盐加热炉是管道化溶出系统中最关键的加热设备。本工程是由四川玉象 密胺科技有限公司投资建设、年产能力为8 0 0 k t 管道化溶出氧化铝项目，其一期工程两台熔盐加热炉， 分别由常州能源设备总厂有限公司和常州综研加热炉有限公司各负责设计、建造一台，并进行现场安装， 该工程( 项目) 已于2 0 0 8 年1 0 月投入使用。 本工程( 项目) 中的熔盐加热炉型号为r y q - 2 3 2 6 0 q ，额定供热量2 3 2 6 0 k w ( 2 0 0 0 1 0 4 k c a l h ) ， 于2 0 0 8 年6 月建造完工出厂。加热炉采用立式盘管式结构，液相强制循环，其炉本体受热面管子采用 0 1 4 0 6 m m 无缝钢管，制作成螺旋状、彼此紧密相联的圆盘管，由内、中、外三圈盘管分层放置组成， 立式布置。内圈盘管有5 个道程共8 5 罔，直径3 2 m ，单程长度1 7 0 8 2 m ：中圈盘管有2 个道程共7 4 圈，直径3 6 2 m ，单程长度4 2 0 5 7 m ；外圈盘管有2 个道程共8 4 圈( 包括6 圈顶棚管) ，直径4 0 3 m ， 单程长度5 3 1 4 8 m 。内、中、外三圈并联，其中内圈盘管构成燃烧室，其内侧管面为辐射受热面，外侧 管面及其它各层管面均为对流受热面。炉本体下部通过支撑安于炉座上，燃烧器置于炉底，燃烧室产生 的高温烟气在内、中、外层盘管间的间隙中流动，其通过面以强制对流方式传热。进出口集箱采用 0 4 2 6 x 1 4 m m 无缝钢管，熔盐低进高出，与燃烧室产生的烟气流动方向相反，通过这种强制对流可获得 较高的传热系数和较大的传热温差，使加热炉结构紧凑。 7 2 熔盐加热炉技术特性参数与热力计算汇总 本工程中的熔盐加热炉的特性参数如表7 一l 所示，热力计算结果汇总表7 2 所示。 表7 1 熔盐加热炉特性参数 序号名称符号 单位数值 1 热载体炉型号 r y q - 2 3 2 6 0 q 2 额定供热量 q k w2 3 2 6 0 3 热载体种类 熔盐：5 3 k n 0 3 + 4 0 n a n 0 2 + 7 n a n 0 3 4 热载体循环量wm h9 0 0 5 炉内热载体容量 gm 33 6 7 6 热载体进口温度 t 4 1 0 7 热载体出口温度 t ” 4 5 0 8 燃料种类 天然气 9 工作压力 pm p a 1 o 1 0设计计算压力 p j m p a1 3 1 1 熔盐加热炉允许压降p m f p a o 4 1 2 加热炉热效率r l 7 9 2 序号名称 符号单位数值 1 辐射受热面积f m 2 1 3 5 4 k j h 5 3 3 4 8 1 0 4 2 辐射受热面吸热量 q f k w1 4 8 1 9 0 k c a l h 1 2 7 4 2 1 0 4 3 炉膛出口温度 e l 1 0 5 0 4 对流受热面积hm 27 6 2 8 k j h 3 3 0 6 0 1 0 4 5 对流受热面吸热量 q d k w 9 1 8 3 4 k c a l h 7 8 9 6 1 0 4 2 7 东南大学硕士学位论文 6炉本体排烟温度b 5 0 0 l ( j m 8 6 4 0 。8 1 0 4 7熔盐总吸量q k w2 4 0 0 2 4 k c a l h2 0 6 3 8 1 0 4 8 辐射吸热量占总吸热量比值 r0 6 l 9 内圈熔盐流速0 ) 1 m s2 5 9 1 0中圈熔盐流速0 ) 2 m s1 7 1 1 外圈熔盐流速0 ) 3 m s 1 6 1 2 炉本体总压降 pm p a0 1 9 7 7 3 熔盐加热炉技术要求 表7 3 熔盐加热技术要求 序号名称内圈中圈外圈l 顶棚管进出口集箱 q 3 2 0 4 12z y a0 0 1 - - 2 0 0 6 熔盐炉( 企业标准) 1 建造标准 有机热载体炉安全技术监规程( 参照) 主体 规格 0 1 4 0 6 d4 2 6 1 4 材料 材料 12 c r lm o v g 1 3 8 5 310 2 0 g g b 5 31 0 22 0 9 , g b 7 1 3 主体接撑件材料1 2 c r l m o v o1 4 材料 焊接材料 h 0 8 m n 2