燃油熔盐炉的结构与系统设计探讨

;<.= 钢的特性 !必须采取焊前预热 $ 层间保温 $ 焊后
热处理 ! 以防止焊接裂纹 ! 降低焊接接头处的残余应 力水平 " 要从严控制焊接接头缺陷 ! 并且进行 %""$ 射线探伤 ! 合格级别为不低于! 级 " 能 源 研 究 与 利 用
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炉膛出口温度及排烟温度的确定 一般来说 ! 炉膛出口温度的确定有一个技术经
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熔盐炉运行系统的设计
熔盐炉系统由以下几个部分组成 ! 熔盐炉 $ 熔
盐循环泵 $ 熔盐储槽及一些管路配件等 ! 其系统如图
% 所示 " 系统运行时的循环回路如下 # 粉状的混合无
机盐类放入熔盐储槽内 ! 通过储槽内安装的蒸汽加 热伴管或电加热炉等方式加热到熔点以上 ! 粘度达
年 第 期
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研究与探讨
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文章编号 !&""&%’’!$"!""##"$%""!(%"$
数规律下降"在
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前
言
#"" &’’"" 接 近
一 稳 定 值 约
在 $’" !
(""" 温 度 范 围
内 " 通常用熔盐 作 载 热 体 # )" 年代国内锅炉 行业制造熔盐 炉容量较小 " 目 前国内制造的 单台最大容量 已 达 到 &#*+ # 近年来熔盐炉 的需求量增加 迅速 " 但对熔盐 热载体的特性 缺乏深入研究 " 目前国内还没 有熔盐炉设计 $ 制造及运行规 程 " 也无指导性 文件 " 因此在熔 盐炉使用过程 中曾出现过许 多重大事故 # 本 文结合实际工作经验对熔盐热载体的特点及设计 中 的 若 干 问 题 作 一 探 讨 "以 供 设 计 $制 造 和 使 用 单 位参考 # 摘 要 ! 文章主要对熔盐炉的结构选型 $ 设计和运行系统等 作了具体介绍 " 侧重分析了设计时要注意的几点 # 关键词 !熔盐 %结构 %设计 中图分类号 !G,&0’ 文献标识码 !H
,-"$.#"#-/-"!.0#-/-"$ 熔化后形成的熔体混合
物 " 属于危险类物品 # 熔盐与导热油相比 " 在相近的 压力下可获得更高的使用温度 1$’"!("""2 " 且有较 好的热稳定性 " 它的主要物理特性数据如下 ! 熔点为 &#!" # 密度在 &’"" 时 "!3! """4567$%
$
熔盐炉的结构选型
熔盐炉宜采用立式圆筒盘管式" 这有两个理
由 ! 一是立式圆筒盘管式结构燃烧室内火焰充满度 好 % 二是立式圆筒盘管式结构有利于介质 1 熔盐或 水 ;排放 # 本文以 &#*+ 立式燃油熔盐炉 ABCD#%’""%
年 第
(""" 时 "!3& (’"4567$8 在此温度区间内线性下降 #
$ 道 5! 在炉内吸收热量后 ! 汇集到上集箱 ! 从上集箱
排出 " 外层盘管支承在炉底支架上 ! 内层盘管由吊挂 装置吊挂在壳体上 " 加热炉本体在制造厂制造完成 后以整装形式出厂 "
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设计压力的确定和材料的选择 在熔盐炉设计中 ! 应考虑到熔盐在高温下与水
或导热油相比具有较高粘度这一特性 ! 流动阻力相 对较大 ! 亦即管内熔盐的驱动压头及熔盐在管内的 静压头均比介质为水或导热油时大 ! 因而要求熔盐 炉的设计压力要稍大于相同工作压力下导热油炉的 设计压力 " 一般熔盐炉的设计压力控制在工作压力 的 %&%#%&! 倍 " 如果能对系统阻力进行计算 !则更有 利于设计压力和工作压力的确定 ! 并将设计压力定 为循环泵的最高扬程 " 在受热面及系统管道选材方面与锅炉用材区别 不大 ! 主要取决于熔盐介质使用温度 " 使用温度在
气密性试验 " 试验合格后 ! 应用压缩空气将系统内部 吹扫干净 "
0
结
语
在设计熔盐炉时 ! 其设计流程与导热油炉的设 计流程基本一致 !不同的地方主要是传热介质不同 " 熔盐炉的特点是低压高温且没有相的变化 ! 在热交 换过程中性质较稳定 " 在设计时 !一定要针对熔盐热 载体的特殊性进行 " 另外熔盐炉的运行系统较为复 杂 !主要是其以循环回路的形式运行 ! 对管理的密封 与压力的稳定要求较高一些 " 因此必须加以特别的 重视 ! 并且在实践中不断总结 ! 以确保对其安全 # 合 理地使用 " 参考文献 % &%’* 日, 综研化学株式会社’载热体手册 &- ’’ 北京 %中 国科学技术出版社 !%110’ &!’国家质检总局’ 熔盐炉安全技术监察规程* 初稿, &- ’’!""%’ &$’赵钦新 !章燕谋’燃油燃气锅炉的结构与设计 &-’’ 机械工业出版社 !%111’ &#’冯俊凯 !沈幼庭 ’锅炉原理及计算 &-’’科学出版 社 !%11!’ &&’常州能源设备总厂’熔盐炉安装使用说明书 &2 ’’
济比较的问题 ! 由于辐射换热量与烟温的四次方成 正比 ! 辐射受热面的热负荷比对流受热面高很多 ! 这 样吸收同样多的热量 ! 其辐射换热面所需的面积就 比对流换热面积为少 " 如果辐射换热面过多 !则炉膛 出口温度降低过多 ! 亦即炉膛内温度水平较低 ! 不利 于燃烧的顺利进行 " 一般炉膛出口温度选在 7"" #
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研究与探讨
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门 !宜选用具有蒸汽夹套的型式或配以电伴热装置 " 在启动时需要对受热面管和系统管道进行空管预 热 !空管预热操作时掌握好管壁温度特别重要 !一般 要求壁温达到 %炉管 !""! ! 系统管道 %("!以上 " 如 果熔盐发生了劣化 ! 则此温度还要适当提高 "
运动粘度 " 3&" $&" %(7!%9:&’"" 时 ; " 随 温 度 升 高 按 指
#("%E 为例进行探讨 "该炉主要的技术参数为 !
额定供热量F&#*+ # 热载体 !熔盐 # 热载体温度 !
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进炉 !%&#’"! ! 出炉 !!&(""! " 热载体循环流量 #" &
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熔盐系统中的管道宜采用焊接连接 ! 尽量少用
法兰连接 " 必须采用法兰连接时 ! 宜采用公称压力
*!+, 不小于 !"&-./# 密封面型式为凹凸面 # 榫槽面或
环连接面法兰 " 密封件采用缠绕式垫片或嵌入式金 属环 * 八角型 , 垫片 " 使用温度小于 &""! 时 ! 可选用 低合金钢螺柱及与之配套的螺母$ 使用温度大于
研究与探讨
)*+,-%" % """! 之间 ! 且炉膛的辐射换热量占总换热量的比
值为 "&’#"&2" 排烟温度的高低直接影响到锅炉的热 效率 ! 由于熔盐介质在使用时的出口温度为 $(" #
#(")$*+" 操作压力 ##,&%-"./0" 燃料1轻柴油 " 鼓风
量 1!2 """3)$"+" 燃烧室压力1$ """/0 " 炉内烟气阻 力 1! %""/0" 排烟温度1#’""!" 该熔盐炉为立式圆筒盘管式结构 ! 其受热面由 内 $外二层密排布置螺旋盘管组成 ! 燃烧器置于炉顶 中心 ! 燃烧室火焰由上而下与内层盘管内侧面辐射 换热后 ! 燃烧产生的高温烟气再从内层盘管底部由 下而上进入内 $ 外层盘管之间所构成的第一对流换 热区 ! 经对流换热后从外层盘管上部进入外层盘管 与壳体所构成的第二对流换热区 ! 由上而下对流换 热后 ! 在壳体下部排烟口排出 "熔盐热载体由下集箱 分 2 道并行进入炉内 4 其中内层盘管 ( 道 ! 外层盘管
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热稳定 性
! #’’" 以 下 不
分 解 % " #’’ &
’#"" 时 "-/-@!
缓 慢 分 解
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空气接触"在
#’’ &’Biblioteka Baidu"" 还 会
发 生 -/-@! 的 氧 化 反 应 "
!-/-@! .@! " !-/-@$% $ 在 )!"" 以 上 时 "-/-@! 的 分 解 非 常 强
烈 " 产生的 -!# 会令熔盐沸腾 # 由于热分解引起的 组成变化将使其熔点升高 # 腐蚀性能 ’ ’’ 在 "<&776/ 的腐蚀速度下 " 铁素 体耐热钢可以用到 #0"" " 在 #0"" 以上推荐用奥氏 体钢 #
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能 源 研 究 与 利 用
!""# $
期
熔盐热载体的特点
目前常用的熔盐是一种三元无机盐类 ! 由 ’$#
’""! ! 因此排烟温度显然要比导热油炉要高 ! 一般
为熔盐介质出口温度加上8("#%""!9 " 该炉的设计排 烟温度为 ’""!"
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盘管管径及管内熔盐流速的选择 盘管管径的选用 ! 必须保证管内熔盐的流速不
低于 %&(#$&")": ! 应使熔盐在管内流动时既有良好 的传热效果 ! 又有适宜的流动阻力 " 流速过高 !虽然 有利于保护炉管 !但却增加了阻力损失 ! 加大了循环 泵的压头 & 流速过低 !一是易导致炉管管壁温度的增 高 !降低炉管的使用寿命 ! 严重时将烧穿管壁引发安 全事故 ! 二是易造成熔盐超温 !产生热劣化现象 "
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熔盐三组分均为强氧化剂 ! 容易分解放出氧和
热量 ! 它本身并不可燃 ! 但能导致可燃物燃烧 ! 对摩 擦和热震动较敏感 $ 与松软的粉末可燃物能形成爆 炸性混合物 $ 与易燃物 # 有机物 # 还原剂接触能分解 引起燃烧和爆炸 $ 燃烧后产生有毒和刺激性的氮氧 能 源 研 究 与 利 用
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设计时应注意的几个要点
受热面热负荷的选取 对燃烧器而言 ! 要求其能力为燃烧器额定燃烧
能力的 %%"$#%!"$ ! 其调节比一般应不小于 # 气体 燃料燃烧器为 (%% !液体燃料燃烧器为 $%% " 对链条炉排来说 ! 要求其炉排热强度 #烟煤时为 % % "&(2#%&"(.6")! + ! 无烟煤时为 "&(2#"&2%.6")! +! 容积热强度为 "&!$#"&$(.6")! % +"
到某一合理值后 ! 使其在熔融状态下通过熔盐循环 泵注入熔盐炉 ! 进一步加温后以设定的出口温度向 用热设备输送 !供热后回到熔盐储槽 " 运行停止时 ! 熔盐全部回流到熔盐储槽内 "
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熔盐系统的管道布置时 ! 应合理地设置滑动支
吊架 !以保证管道的稳定和受热膨胀位移的要求 " 但 不得采用膨胀节吸收热膨胀量 ! 而应采用水平 ) 型 管段或垂直 ) 型管段 "
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换热面积的确定 由于炉膛内辐射受热面积由一圈圈密排布置的
(""! 以下时 ! 可选用低合金钢无缝钢管 & 使用温度
在 (""! 以上时 !应选用不锈钢无缝钢管 " 所有接触 熔盐的部件不应采用有色金属及铸铁材料 ! 因为这 些成分会加剧熔盐劣化 " 当选用 ;<.= 钢管时 !鉴于
螺旋盘管构成 ! 因此在计算受热面积时不是计算盘 管的半个圆周长 ! 而是按盘管在盘管中线的投影面 积来计算的 !这样计算的结果偏于保守 ! 但对锅炉负 荷长久稳定的运行有好处 "另外有关角系数的问题 ! 由于 $!%&% !因而可以取角系数 &&% "
&""! 时 ! 应选用高合金钢螺柱及与之配套的螺母 "
图% 熔盐加热系统
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在熔盐系统的管道完成后 ! 要进行液压试验和
熔盐储槽必须设在熔盐系统的最低位置 ! 熔盐 储槽容积应为熔盐受热后的膨胀量与停止运行时高 温熔盐排放量的总和 " 为了加热 #熔化于初期投放在 储槽内的粉末状盐类 ! 直至其粘度达到可以用循环 泵打循环 ! 并为了减少热损失 !有利于维持储槽内熔 盐的熔融状态 !熔盐储槽上应设置加热 # 保温用的装 置 "熔盐与空气接触会发生氧化劣化 ! 因此熔盐系统 必须密闭 ! 在熔盐储槽内必须充装惰性气体 "熔盐循 环泵宜选用立式液下循环泵 ! 泵的安装位置应位于 熔盐储槽上方 "
"<)$&"%( 7!%9# 比
热 容 ! !&<’’4=6 & 45 ,# 导热系数
# !"<$+67 & ,
燃油熔盐炉的 结构与系统 设计探讨
许光明8李德峰
: 常州市锅炉压力容器检验所 " 江苏常州 !&$""!;
1’"""时 ;# 固态
盐 膨 胀 系 数 $3
"<""& ’>7$? 6,8
熔盐膨胀系数
期
化物气体 ! 因此在系统设计中应特别注意熔盐与上 述物质的隔离 "
&’$
考虑到熔盐在温度低于 %#!! 时便产生凝固 !
熔盐一旦在管道内凝固 ! 再熔化它将是一件十分困 难的事 " 因此要求在配管及系统结构设计中必须充 分注意到熔盐的这一特点 " 熔盐系统的管道必须有 合理的弯曲度和适宜的斜度 ! 以保证系统停止运行 时能将系统内熔盐全部放回到熔盐槽内 ! 不能有熔 盐的滞留 " 与此同时 !熔盐系统中所使用的管道和阀