导热油结焦对石膏粉炒制传热系数的影响

    石秀芹+刘月强+王殿栋

    摘 要：陶瓷石膏粉导热油间歇式炒锅出现能耗高，生产效率大幅下降，甚至存在安全隐患的根本原因是导热油老化过程中在换热面结焦，严重降低了传热系数。结焦的具体原因很多，主要应从加热炉系统设计、油品选购、油温控制、炒锅夹套结构设计、系统防氧化等环节上把握，才能保证加热换热系统节能高效、安全运行。

    关键词：陶瓷石膏粉；间歇式炒锅；导热油；结焦；总传热系数；影响

    1 前言

    经特殊加工过的不同特性的熟石膏粉可以用于各种指标要求的陶瓷石膏模具（如：母模、工作模—滚压、注浆、塑压等），即使普通滚压、注浆模具对石膏相组成、凝结时间、流变性、强度、膨胀系数、吸水性等方面的性能也有非常严格的要求。普通陶瓷模具熟石膏粉煅烧脱水模式主要有炒锅（间歇、连续）、回转窑（间歇、连续）；供热方式主要有导热油、热风、蒸汽夹套与燃煤直烧。经过国内外几十年的探索发展，用导热油夹套加热的间歇式炒锅工艺易于控制，炒制的石膏粉相组成稳定、质量指标优越，产品非常适合用于日用、卫浴的普通陶瓷模具。

    采用导热油加热煅烧石膏粉也存在一些弊端，如：设备换热夹套内导热油结垢降低总传热系数，这个问题随导热油使用时间越长会越来越严重、甚至引起爆锅、爆管事故。不仅产品能耗高，影响生产效率，还会存在严重安全隐患。在山东平邑石膏矿区，普通陶瓷石膏粉的产量占全国用量的40%以上，导热油炒锅工艺安全问题也时有发生，如：爆锅的情况，目前已引起人们的高度注意。

    本文就该热工问题，并结合实际情况进行讨论，以指导加热系统规范操作运行和炒锅夹套结构优化设计，最终达到节能、消除安全隐患的双重目标。

    

    2 导热油老化结焦及危害

    2.1导热油的基本知识

    导热油是良好的热传递介质，热稳定性好，具有抗热裂化和化学氧化的性能，能在低压下产生高温、传热效率高、散热快、加热均匀，以及调温准确、节能效果好、输送和操作方便等特点。近年来，被广泛应用于各种石膏制品工业生产过程，如：石膏粉烘干与煅烧，以及纸面石膏板、石膏砌块烘干工艺中等。

    一般采用型号为320﹟-350﹟、密度为D≈870kg/m3、比热为C≈0.74kcal/kg·℃性能的导热油。

    2.2导热油结焦的原理与主要原因

    2.2.1导热油结焦的原理

    导热油在加热过程中被氧化，高温下油品酸值增大，其运动黏度逐渐增加，滞留时间加长。因此，会发生裂解和热缩聚反应。裂解后产生小分子，在同样温度下挥发，热缩聚反应产生高分子产物，导致油品黏度增大，从而使管道、设备内部生成积炭，影响传热效果，加速了导热油老化失效。

    导热油在传递热能的同时产生胶质，胶质附着在内壁，易形成结焦。另外，若有空气进入，容易发生降解和聚合反应，形成的高沸物在导热油中的溶解度达到过饱和状态，从而形成结焦。如果操作温度超过导热油本身的设计温度，腐蚀产物和杂质的污染等都会使管内壁形成结焦，结焦可能使炉体管道局部过热，损害机械强度，严重时危及人身安全。

    2.2.2导热油结焦的原因

    在生产实践中，导热油结焦的原因主要有以下几个方面：

    ⑴ 导热油本身含有容易聚合结焦的组分；

    ⑵ 操作使用温度过高；

    ⑶ 使用中加热器表面过热或加热体没有被导热油完全浸没；

    ⑷ 加热体在热量没有传导出去时移走导热油。

    3 油品老化结焦产生的危害

    ⑴ 导热油是因污染、热降解和缩聚反应、残余物、腐蚀产物、过热、胶质沉积、小分子挥发等因素导致黏度、总酸值、水分和丙酮不溶物增加，以及低沸物和高沸物变化，且变化率较大。从而引起传热速度差、泵汽蚀、蒸汽压高、系统超压和泵密封的磨损等问题，缩小了输油管道的输油能力，增加了摩擦阻力，加大了输送能耗。甚至，有时还会导致初凝停流等事故发生。

    ⑵ 导热油系统中少量轻组分物质通过排气管线排出。轻组分物质引起泵出流量低、连锁停炉。重组分物质会导致内壁结焦、炉管内外温差加大，烧穿炉管以至引起严重的安全事故（管道结焦或堵塞必须清洗）。

    ⑶ 导热量不足，会直接严重影响到产品的生产效率与品质。

    4 石膏粉炒制中导热油老化结焦对生产效率的影响

    4.1炒锅设计数据与热工计算

    石膏粉炒制案例中所评价的炒锅设计夹套内直径为1.2m、高度1.6m、换热面积为7.16m2。夹套钢板厚度为16mm、夹层宽度为200mm。

    根据先前实测该工艺作业系统换热面平均总传热系数为K1=65～95W/㎡·℃，可按平均值80 W/㎡·℃评价。实际生产能力为1.3~1.7 t/h，按平均1.65 t/h计算。

    4.1.1石膏粉炒制煅烧能耗计算

    （1） 计算条件

    原矿二水石膏品位为82%，石膏已经蒸压晾晒后H2O+≈8%，未转化率约17%，炒制H2O+≈4.9%，石膏比热为0.26kal/kg?℃。

    （2） 炒制1t产品所需热量

    1） 蓄热：1031.9kg×0.26kcal/kg·℃×(160℃-20℃)=37561.2 kcal；

    2） 分解热：未转化率(17%)×原矿品位(82%)×27005kcal=3764.5 kcal；

    3） 蒸发热：31.9kg×519kal/kg=16556.1kcal。

    因此，炒制1t产品所需的热量合计为57881.8kal/t成品。

    4.1.2加热炉供热系统

    加热炉供热系统从油炉出来后的热损失大约按15%设计与计算（管道与设备保温不良等情况与空气换热损失）。导热油加热炉的主要参数如下：

    1） 锅炉热功率：60万kcal/h；

    2） 油泵：50m3/h；

    3） 油温差：锅炉设计油温差20℃；

    4） 实际油温差：在该加热系统中正常生产时锅炉的温差为：T1（275℃）-T2（264℃）=Td（11℃）

    5） 实际输出热量：锅炉导热油介质正常负荷输出热量为：50m3/h×870kg/m3×0.740kal/kg·℃×11℃=354090kcal/h

    6） 有效利用热：管路设备热散失后的有效利用热量为系统生产正常情况加热炉实际供热：354090kcal/h×（1-0.15）=300976.5kcal/h

    4.1.3热平衡情况

    炒锅换热正常时产品每小时需要的热量为：1.65t/台×3台×57881.8大卡/t=286515kcal

    结合上述评价，系统供热、需热基本平衡，符合实际情况。

    4.2石膏粉炒制生产中导热油结焦对总传热系数影响

    4.2.1作业系统异常情况描述

    该陶瓷模具石膏粉炒制生产系统运行几年后，其产量严重降低。单锅每小时产量由正常时1.3~1.7t/h降至0.7t/h以下，此时，加热炉进出口油温差由正常时的10~12℃降为5~6℃。通过对生产过程进行系统评价判断，可能是锅内导热油结垢引起的。该情况在打开炒锅夹套换热面后判断获得了确认，炒锅夹套壁内结焦厚度达2~2.5mm。

    4.2.2导热油结焦状态下的传热系数计算

    石膏粉炒制系统换热面导热油结焦状态下的传热系数为：

    0.7t/h×57881.8kcal/t=7.16m2×192℃×K2

    此时，总传热系数为K2=29.5kcal/㎡·℃=34.4W/㎡·℃。换热面内壁导热油结垢后的总传热系数比均值80W/㎡·℃降低了45.6W/㎡·℃，占57%，在该加热系统中平均每毫米结焦厚度会降低总传热系数约25%。

    4.3结焦处理后的效果

    在打开炒锅换热夹套内面后，对换热面进行彻底打磨清理；然后再重新封装投产后，单锅产量立即恢复到原来水平，最高时其产量可达2t/h的水平。

    5 石膏粉炒制时导热油结焦的原因、预防及处理措施

    5.1石膏粉炒制时导热油结焦原因

    石膏粉炒制时导热油结焦的原因主要有：第一，油品随着时间会自然老化，对正常较低温度使用的导热油也应三年检测或更换一次。第二，随着导热油长时间的运行，此间会不规范的补充一些成分复杂的新油品，有些新添加油品质量较差，而且由于对补充的新油未做配合试验，因此，更容易出现结焦的现象。第三，在生产旺季与冬季，为了不影响产量，导热油长时间高温运行，导致更易结焦。

    5.2石膏粉炒制时导热油结焦的预防及处理措施

    结焦的预防措施主要有：优化炒锅结构设计、选择合适夹套尺寸并进行导流设计以消除热介质静流、滞留区；选用优质导热油，规范补油、做配合实验；合理控制使用温度。

    结焦的处理措施主要有：降低加热炉进出口油的温差；若出现传热效率明显下降，以及产量降低时应及时进行系统判断，在采取相应的措施处理。导热油锅炉在换油前一般要进行清洗，如果不清洗锅炉，会对新油造成污染，降低其品质。从而缩短其使用寿命，同时也易老化结焦。

    6 结语

    炒制煅烧陶瓷石膏粉的导热油间歇式炒锅工艺能耗变高，生产效率大幅下降的根本原因是导热油在夹套换热面老化结焦，严重降低了总传热系数，也存在安全隐患。结焦的原因很多，主要应从加热炉系统设计、油品选购、温度控制、炒锅结构设计、系统防氧化等环节上把握，才能有力保证陶瓷石膏粉煅烧加热换热系统节能高效安全运行。

    同时，本文中所讲述的结焦影响传热系数的案例在所有导热油加热系统及石膏工业烘干、煅烧工艺中带有普遍性，应足以引起业内的注意。优化换热设计、规范系统运行，以保证作业高效节能，又降低安全风险。

    作者简介：石秀芹 ，工程师 ，长期从事湿法、干法ALPHA高强石膏；BETA石膏；化学石膏高附加值处理利用；纸面石膏板；石膏砌块等石膏深加工项目工程设计。

    摘 要：陶瓷石膏粉导热油间歇式炒锅出现能耗高，生产效率大幅下降，甚至存在安全隐患的根本原因是导热油老化过程中在换热面结焦，严重降低了传热系数。结焦的具体原因很多，主要应从加热炉系统设计、油品选购、油温控制、炒锅夹套结构设计、系统防氧化等环节上把握，才能保证加热换热系统节能高效、安全运行。

    关键词：陶瓷石膏粉；间歇式炒锅；导热油；结焦；总传热系数；影响

    1 前言

    经特殊加工过的不同特性的熟石膏粉可以用于各种指标要求的陶瓷石膏模具（如：母模、工作模—滚压、注浆、塑压等），即使普通滚压、注浆模具对石膏相组成、凝结时间、流变性、强度、膨胀系数、吸水性等方面的性能也有非常严格的要求。普通陶瓷模具熟石膏粉煅烧脱水模式主要有炒锅（间歇、连续）、回转窑（间歇、连续）；供热方式主要有导热油、热风、蒸汽夹套与燃煤直烧。经过国内外几十年的探索发展，用导热油夹套加热的间歇式炒锅工艺易于控制，炒制的石膏粉相组成稳定、质量指标优越，产品非常适合用于日用、卫浴的普通陶瓷模具。

    采用导热油加热煅烧石膏粉也存在一些弊端，如：设备换热夹套内导热油结垢降低总传热系数，这个问题随导热油使用时间越长会越来越严重、甚至引起爆锅、爆管事故。不仅产品能耗高，影响生产效率，还会存在严重安全隐患。在山东平邑石膏矿区，普通陶瓷石膏粉的产量占全国用量的40%以上，导热油炒锅工艺安全问题也时有发生，如：爆锅的情况，目前已引起人们的高度注意。

    本文就该热工问题，并结合实际情况进行讨论，以指导加热系统规范操作运行和炒锅夹套结构优化设计，最终达到节能、消除安全隐患的双重目标。

    

    2 导热油老化结焦及危害

    2.1导热油的基本知识

    导热油是良好的热传递介质，热稳定性好，具有抗热裂化和化学氧化的性能，能在低压下产生高温、传热效率高、散热快、加热均匀，以及调温准确、节能效果好、输送和操作方便等特点。近年来，被广泛应用于各种石膏制品工业生产过程，如：石膏粉烘干与煅烧，以及纸面石膏板、石膏砌块烘干工艺中等。

    一般采用型号为320﹟-350﹟、密度为D≈870kg/m3、比热为C≈0.74kcal/kg·℃性能的导热油。

    2.2导热油结焦的原理与主要原因

    2.2.1导热油结焦的原理

    导热油在加热过程中被氧化，高温下油品酸值增大，其运动黏度逐渐增加，滞留时间加长。因此，会发生裂解和热缩聚反应。裂解后产生小分子，在同样温度下挥发，热缩聚反应产生高分子产物，导致油品黏度增大，从而使管道、设备内部生成积炭，影响传热效果，加速了导热油老化失效。

    导热油在传递热能的同时产生胶质，胶质附着在内壁，易形成结焦。另外，若有空气进入，容易发生降解和聚合反应，形成的高沸物在导热油中的溶解度达到过饱和状态，从而形成结焦。如果操作温度超过导热油本身的设计温度，腐蚀产物和杂质的污染等都会使管内壁形成结焦，结焦可能使炉体管道局部过热，损害机械强度，严重时危及人身安全。

    2.2.2导热油结焦的原因

    在生产实践中，导热油结焦的原因主要有以下几个方面：

    ⑴ 导热油本身含有容易聚合结焦的组分；

    ⑵ 操作使用温度过高；

    ⑶ 使用中加热器表面过热或加热体没有被导热油完全浸没；

    ⑷ 加热体在热量没有传导出去时移走导热油。

    3 油品老化结焦产生的危害

    ⑴ 导热油是因污染、热降解和缩聚反应、残余物、腐蚀产物、过热、胶质沉积、小分子挥发等因素导致黏度、总酸值、水分和丙酮不溶物增加，以及低沸物和高沸物变化，且变化率较大。从而引起传热速度差、泵汽蚀、蒸汽压高、系统超压和泵密封的磨损等问题，缩小了输油管道的输油能力，增加了摩擦阻力，加大了输送能耗。甚至，有时还会导致初凝停流等事故发生。

    ⑵ 导热油系统中少量轻组分物质通过排气管线排出。轻组分物质引起泵出流量低、连锁停炉。重组分物质会导致内壁结焦、炉管内外温差加大，烧穿炉管以至引起严重的安全事故（管道结焦或堵塞必须清洗）。

    ⑶ 导热量不足，会直接严重影响到产品的生产效率与品质。

    4 石膏粉炒制中导热油老化结焦对生产效率的影响

    4.1炒锅设计数据与热工计算

    石膏粉炒制案例中所评价的炒锅设计夹套内直径为1.2m、高度1.6m、换热面积为7.16m2。夹套钢板厚度为16mm、夹层宽度为200mm。

    根据先前实测该工艺作业系统换热面平均总传热系数为K1=65～95W/㎡·℃，可按平均值80 W/㎡·℃评价。实际生产能力为1.3~1.7 t/h，按平均1.65 t/h计算。

    4.1.1石膏粉炒制煅烧能耗计算

    （1） 计算条件

    原矿二水石膏品位为82%，石膏已经蒸压晾晒后H2O+≈8%，未转化率约17%，炒制H2O+≈4.9%，石膏比热为0.26kal/kg?℃。

    （2） 炒制1t产品所需热量

    1） 蓄热：1031.9kg×0.26kcal/kg·℃×(160℃-20℃)=37561.2 kcal；

    2） 分解热：未转化率(17%)×原矿品位(82%)×27005kcal=3764.5 kcal；

    3） 蒸发热：31.9kg×519kal/kg=16556.1kcal。

    因此，炒制1t产品所需的热量合计为57881.8kal/t成品。

    4.1.2加热炉供热系统

    加热炉供热系统从油炉出来后的热损失大约按15%设计与计算（管道与设备保温不良等情况与空气换热损失）。导热油加热炉的主要参数如下：

    1） 锅炉热功率：60万kcal/h；

    2） 油泵：50m3/h；

    3） 油温差：锅炉设计油温差20℃；

    4） 实际油温差：在该加热系统中正常生产时锅炉的温差为：T1（275℃）-T2（264℃）=Td（11℃）

    5） 实际输出热量：锅炉导热油介质正常负荷输出热量为：50m3/h×870kg/m3×0.740kal/kg·℃×11℃=354090kcal/h

    6） 有效利用热：管路设备热散失后的有效利用热量为系统生产正常情况加热炉实际供热：354090kcal/h×（1-0.15）=300976.5kcal/h

    4.1.3热平衡情况

    炒锅换热正常时产品每小时需要的热量为：1.65t/台×3台×57881.8大卡/t=286515kcal

    结合上述评价，系统供热、需热基本平衡，符合实际情况。

    4.2石膏粉炒制生产中导热油结焦对总传热系数影响

    4.2.1作业系统异常情况描述

    该陶瓷模具石膏粉炒制生产系统运行几年后，其产量严重降低。单锅每小时产量由正常时1.3~1.7t/h降至0.7t/h以下，此时，加热炉进出口油温差由正常时的10~12℃降为5~6℃。通过对生产过程进行系统评价判断，可能是锅内导热油结垢引起的。该情况在打开炒锅夹套换热面后判断获得了确认，炒锅夹套壁内结焦厚度达2~2.5mm。

    4.2.2导热油结焦状态下的传热系数计算

    石膏粉炒制系统换热面导热油结焦状态下的传热系数为：

    0.7t/h×57881.8kcal/t=7.16m2×192℃×K2

    此时，总传热系数为K2=29.5kcal/㎡·℃=34.4W/㎡·℃。换热面内壁导热油结垢后的总传热系数比均值80W/㎡·℃降低了45.6W/㎡·℃，占57%，在该加热系统中平均每毫米结焦厚度会降低总传热系数约25%。

    4.3结焦处理后的效果

    在打开炒锅换热夹套内面后，对换热面进行彻底打磨清理；然后再重新封装投产后，单锅产量立即恢复到原来水平，最高时其产量可达2t/h的水平。

    5 石膏粉炒制时导热油结焦的原因、预防及处理措施

    5.1石膏粉炒制时导热油结焦原因

    石膏粉炒制时导热油结焦的原因主要有：第一，油品随着时间会自然老化，对正常较低温度使用的导热油也应三年检测或更换一次。第二，随着导热油长时间的运行，此间会不规范的补充一些成分复杂的新油品，有些新添加油品质量较差，而且由于对补充的新油未做配合试验，因此，更容易出现结焦的现象。第三，在生产旺季与冬季，为了不影响产量，导热油长时间高温运行，导致更易结焦。

    5.2石膏粉炒制时导热油结焦的预防及处理措施

    结焦的预防措施主要有：优化炒锅结构设计、选择合适夹套尺寸并进行导流设计以消除热介质静流、滞留区；选用优质导热油，规范补油、做配合实验；合理控制使用温度。

    结焦的处理措施主要有：降低加热炉进出口油的温差；若出现传热效率明显下降，以及产量降低时应及时进行系统判断，在采取相应的措施处理。导热油锅炉在换油前一般要进行清洗，如果不清洗锅炉，会对新油造成污染，降低其品质。从而缩短其使用寿命，同时也易老化结焦。

    6 结语

    炒制煅烧陶瓷石膏粉的导热油间歇式炒锅工艺能耗变高，生产效率大幅下降的根本原因是导热油在夹套换热面老化结焦，严重降低了总传热系数，也存在安全隐患。结焦的原因很多，主要应从加热炉系统设计、油品选购、温度控制、炒锅结构设计、系统防氧化等环节上把握，才能有力保证陶瓷石膏粉煅烧加热换热系统节能高效安全运行。

    同时，本文中所讲述的结焦影响传热系数的案例在所有导热油加热系统及石膏工业烘干、煅烧工艺中带有普遍性，应足以引起业内的注意。优化换热设计、规范系统运行，以保证作业高效节能，又降低安全风险。

    作者简介：石秀芹 ，工程师 ，长期从事湿法、干法ALPHA高强石膏；BETA石膏；化学石膏高附加值处理利用；纸面石膏板；石膏砌块等石膏深加工项目工程设计。