汪琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑 上海热油炉设计开发中心 2021/10/27

  摘 要：在印染行业中的热定型机与染色机可采用导热油循环供热方式，导热油炉及循环供热系统内每年需要补充添加量5%右的新导热油。根据导热油的特点可分为矿物型导热油与合成型导热油，然后讨论了导热油化学特性及主要性能，分析了不一样的导热油混合使用方法及需要注意的几点，研究了在导热油炉和热定型机使用的过程中的导热油变质劣化的原因，最后总结了导热油炉及循环供热系统内补充添加新导热油的操作方法与安全保障措施。

  关键词：热定型机；染色机；导热油炉；导热油混合；导热油变质；运行安全保障

  在印染行业中对染色机染布的染液一般都是采用蒸汽加热器的方式来进行加热染色，但是由于蒸汽加热染色的方式普遍存在着生产成本高、热量消耗大、环境污染严重、加热效率低等问题，因此难以满足印染行业对于节能减排的生产要求。而采用导热油循环供热方式对染色机加热，就可取代传统的染色机蒸汽加热器，从而可降低生产所带来的成本30%～40%，并达到节约能耗和降低电费的目标，同时还可延长设备使用寿命，其经济效益和节能减排效果非常显著！

  在印染热定型机采用导热油炉循环供热过程中[1]，因为超温、氧化、污染会引起导热油变质劣化，其外观特征是颜色变深、粘度增大，可以从导热油炉及循环供热系统的放油管放出的旧导热油外观特征来大致判断其劣化程度，当放出的旧导热油呈现出稀沥青状时，就应该可以更换新导热油。

  另外，导热油在导热油炉正常运行过程中也会存在一些自然损耗，同时导热油内的轻馏分也会以气相形态挥发排放。所以，导热油炉及循环供热系统内每年需要补充添加量5%左右的新导热油，且补充添加的方法是将冷态新导热油注入到高位膨胀槽内，然后再通过高位膨胀槽将新导热油间接地注入到导热油炉及供热系统的主循环回路中，最后，通过循环油泵将新导热油与原来在导热油炉及供热系统管道内的旧导热油自动进行混合使用。

  矿物型导热油是以石油基矿物型基础油为原料生产的导热油。矿物型导热油是以石油炼制过程中的某段馏分为原料，经过一系列精制过程制得的基础油为原料，通过添加抗氧剂、金属钝化剂、高温阻聚剂、抗垢剂、防焦剂等混合均匀后制得。从结构组成上看矿物型导热油是烃类混合物，馏程比较宽；但由于原油性质不同、加工工艺不同，其热稳定性会有一定的差别。

  采用精制矿物油馏分制造的导热油，其最高允许使用温度一般在300℃以下；少数精制矿物油馏分制造的导热油，其最高允许使用温度可以达到310℃；而个别的高品质矿物型导热油，其最高允许使用温度甚至可以达到320℃。

  合成型导热油是由化学合成工艺制成的物质或其衍生物生产制作的导热油。合成型导热油是纯度比较高的合成芳烃型产品，具有特殊高热稳定性，例如联苯和联苯醚共沸混合物、三联苯和氢化三联苯，以及卞基和二卞基甲苯等，合成型导热油的最高使用温度可以达到340℃，甚至有个别的还可以达到350℃。

  但是也有一些采用石油化工产品的副产物制造的合成型导热油，例如烷基苯重沸物，根据其原料的组成和质量情况，这类合成型导热油的最高使用温度就只能达到300℃或者还低于300℃。

  热稳定性是在规定的试验温度及时间的条件下，导热油在受到加热后而表现出的稳定性。但从本质上看导热油的热稳定性是由其基本的化学组成所决定的；另外，导热油的纯度、精制深度、馏程范围、杂质含量等多种因素也会影响其热稳定性。因此，在导热油炉及循环供热系统的实际运行过程中，即使是在正常的操作使用情况下，导热油的热分解、热聚合和热氧化等各类化学反应随时都会发生。所以，这是一个动态的、不可逆的化学变化过程，也是一个化学组成劣化的变质过程。

  但从另一个方面来看，导热油的热稳定性是导热油在高温加热条件下抵抗化学分解的能力。因此，导热油热稳定性测定结果是其确定导热油的最高允许使用温度的唯一科学依据。而从实际生产操作情况来看，如果导热油在高温条件下长期工作运行时，导热油性能和质量的变化速度及变质率与导热油的热稳定性及最高工作温度直接相关。

  所以，热稳定性较好的导热油产品对其高温加热的承受能力较强，且导致变质率上升的一系列化学反应发生的速度很慢；因此，导热油的使用寿命也就相对比较长。

  抗氧化性是表明导热油在高温条件下接触空气等外来污染物而发生老化的程度。当导热油出现氧化变质后生成氧化降解产物和高分子缩聚产物，从而导致了导热油的粘度、酸值和残炭的增大，并且会进一步加剧导热油变质劣化的进程。目前最有效的预防方法是在高位膨胀槽内采用惰性气体（氮气）封闭的方式来避免导热油的氧化变质[2]。

  考虑到在我国北方地区冬季的低温冷冻环境下，为了使导热油炉及循环供热系统的开车启动顺利完成，同时为了满足启动导热油循环泵输送的要求，导热油应该具有较好的低温流动性，通常控制的指标是凝点和低温运动粘度。另外，在导热油生产加工过程中最好不要通过添加降凝剂来改善其低温流动性，因为降凝剂通常是高分子化合物，在高温下容易产生裂解和进一步聚合，从而会影响导热油的热稳定性。

  传热性能包括在使用温度范围内的密度、粘度、比热容、导热系数、膨胀系数等物性参数，优良的传热性能是要求导热油在满足热稳定性和安全性指标要求的前提下，具有较低的粘度、较高的密度和比热。

  蒸发性是保证导热油循环供热系统平稳安全运行的重要性能，尤其是在敞开式循环供热系统中使用的导热油，应该能够在常压或低压下保持液相运行，以保证循环供热系统操作的安全性。同时也要使导热油炉及循环加热系统的每年补充添加新的导热油添加量控制在5%以下。因此，通常要求导热油具有较高的初馏点和闪点（开口），较小的蒸发损失和较低的蒸汽压力。

  导热油是可燃的有机化合物，在高温条件下长期运行时，其自身性能必须能够提供其安全运行保证，对印染热定型机或染色机应该是无腐蚀，发生泄漏时的危险性较小，且不易被引燃或自燃，这就要求导热油具有较高的初馏点、闪点（开口和闭口）、燃点和自燃点。

  以烷烃为基体的矿物型导热油与以矿物油为基体（包括烷烃、芳烃）导热油是可以进行混合使用，并且使用温度低的矿物型导热油，是可以补充添加到使用温度高的矿物型导热油中间，只要混合后导热油的实际使用温度不会超过两者之中最低的实际使用温度。因为两种不同牌号的导热油进行混合使用是否合适，主要是看混合使用后的导热油的操作安全性；另外，还要看混合使用后与混合使用前的导热油使用寿命的变化及其变化趋势。

  目前可以采用导热油的粘度、闪点、残炭、酸值四项报废指标的变化来衡量油品的寿命，四项报废指标的数值随导热油使用时间长短而发生变化，当在运行使用的导热油粘度变化达到±20%、闪点变化达到±15%、残炭值达到1.5%、酸值达到0.5mg KOH/g时就可以判定导热油品质应该报废。当然对于劣质报废的矿物型导热油是不能够进行混合使用。

  但对于将要进行混合的矿物型导热油，应该从基础油种类、加入添加剂品种等方面进行认真分析与考虑，充分注意不同添加剂的相互作用，例如非离子系界面活性剂和磺酸盐能发生较强作用。所以，分别加入有这些添加剂的两种矿物型导热油不宜混合使用。

  因为不同化学组成的气相导热油各自具有不同的沸点或共沸点，而将不同化学组成的气相导热油混合使用，会使混合后的气相导热油蒸发条件发生改变，可能会使得导热油炉无法正常操作，或造成混合前后的气相导热油的蒸汽饱和温度与其饱和压力不一致，甚至还会发生导热油炉及循环供热系统的操作安全问题。

  气相导热油与液相导热油在化学和物理性质上有明显的差别，尤其是在可蒸发性、饱和温度与饱和压力等方面。因此，当使用不同气相与液相导热油时，导热油炉及循环供热系统的操作条件也是不相同的。另外，如果将气相导热油与液相导热油混合使用，对于气相导热油炉及循环供热系统而言，可能会造成混合前后导热油蒸汽的饱和温度与饱和压力的不一致；而对于液相导热油炉及循环供热系统而言[3]，则会造成循环供热系统内蒸汽压力过高。所以，这两种情况都会引发导热油炉及循环供热系统的操作安全问题。

  因为矿物型导热油与合成型液相导热油属于两类不同化学性质的导热油；所以，当这两类导热油混合使用时会存在技术和经济两方面的问题。从技术方面来看，两者混合使用后的导热油在高温条件下是否将会发生化学反应或物性参数的变化，从而会导致导热油炉的运行参数与设计条件不相符合；此外由于矿物型导热油的组分混杂，使得在混合使用后在线运行的导热油，是无法通过现有质量检验手段及评价标准，去有效监测其化学组分或某一个特定物性参数的变化程度，故很难正确评定其品质变化的状况。

  而从经济方面来说，矿物型导热油因其组分混杂而不适宜通过回收处理方法来改善使用运行的导热油品质；而合成型液相导热油具有明确的化学组分和一致的物理性质，故对大多数发生质量变化的合成型液相导热油，一般可以采用再生处理方式进行回收处理，即是采用蒸馏和吸附等处理方法脱去使用运行中的导热油内部残存的高沸产物与低沸产物，将其中尚未发生化学变化的那部分导热油回收再生回来，以达到有效改善运行使用中的导热油品质，提高导热油的使用安全性和延长导热油使用寿命，同时也可降低合成型液相导热油的资金使用成本。

  但是如果生产企业将矿物型导热油与合成型液相导热油混合使用，则会使得合成型液相导热油不能够进行回收再生处理，从而会给生产企业造成了资金损失和资源浪费。

  导热油在使用过程中会受到过热超温、氧化变质、化学污染和导热油泄漏等因素的影响，致使导热油会发生品质变化，并且在绝大多数情况下导热油的品质变化是不可逆变化。最终这些变化将会导致运行使用中的导热油使用寿命缩短、使用安全性变差，严重时甚至还会造成导热油炉及循环供热系统发生安全事故[4]。

  在导热油炉及循环供热系统运行过程中，导热油的工作温度（或油膜温度）超出其最高允许使用温度（或液膜温度），从而会发生导热油的过热超温，进而会产生导热油的裂解和聚合反应，使得导热油快速变质劣化，形成了裂解产物，甚至还会在炉管内结焦积垢，进一步恶化传热效果，并最终引发生产安全事故[5]。

  所以，导热油过热超温的结果是会造成导热油的裂解和聚合反应，而裂解和聚合的后果是其原有的化学成份会形成沸点更低的裂解产物和沸点更高的聚合产物，即形成了低沸产物和高沸产物。因此，低沸产物会在运行条件下部分气化，并以气泡形式悬浮在导热油中，但导热油中的气泡则会使循环油泵内出现气蚀，从而会恶化导热油炉内的炉管传热，造成导热油进一步过热裂解。

  高沸产物在运行条件下会增加导热油的粘度、且恶化炉管的传热，同时还会造成导热油的加剧过热裂解，此外还有可能会在炉管壁面上形成结焦积垢，使得炉管壁的热阻进一步增加，并有可能会导致炉管过热而产生爆管事故。

  由于导热油过热超温后会造成其品质劣化的内在原因，再加上在高温加热运行条件下受到变质产物的不良影响，从而会进一步加快导热油的品质劣化，致使导热油品质劣化从量变发展到质变，最终使得导热油的整体状况发生了根本性变化，从而造成导热油的彻底报废或酿成导热油炉及循环供热系统发生安全事故[6]。

  在导热油炉及循环供热系统运行过程中，高温的导热油与空气或具有氧化作用的物质接触并发生氧化反应，而氧化则会导致导热油的化学性质发生变化，使得导热油变质劣化，并形成氧化产物。由于氧化产物具有更低的热稳定性，其粘度、酸值、闪点、自燃点、导热系数等物性参数均不相同，故会导致传热恶化和引发生产安全事故。导热油工作温度越高、与空气接触的机会越多、且接触时间越长，则导热油被氧化的速度也就会越快，最终氧化所导致的危害性也就越大。

  导热油敞开式循环供热系统中的敞开式高位膨胀槽，正好是一个具备了高温导热油与空气接触的快速氧化环境，这就是高温导热油在敞开式高位膨胀槽内非常容易发生快速氧化和变质劣化的根本原因；而如果在敞开式循环供热系统中的生产工艺操作条件是非常不稳定的情况下，则会造成导热油的工作温度反复波动，这也是推动导热油加速氧化的直接原因。

  特别是在间歇式生产工艺操作条件下的循环供热系统中、或是热定型机与染色机的热负荷及工艺操作温度频繁变化的循环供热系统中，则会导致敞开式高位膨胀槽内的液位因为循环供热系统中导热油工作温度的反复波动而会出现大幅度上下波动，使得敞开式高位膨胀槽内的导热油工作温度更加高（相比于稳定供热负荷及恒定工艺操作温度），并且造成敞开式高位膨胀槽中的内外空气频繁流动变化，空气与高温导热油的搅动和接触更加剧烈，导热油的氧化反应速度会更加快，最终氧化变质的后果就越发严重[7]。

  在印染热定型机与染色机运行使用中，如果导热油被其他的化学物质污染，由于污染物并非是导热油，且污染物并不具有与导热油本身相同的热稳定性及化学物理性质。这样在高温加热的运行条件下，污染物自身会出现化学性质不稳定的情况，致使污染物首先发生变质，且其变质物质的存在将会对导热油的整体质量造成不良影响，甚至还会与导热油进一步发生化学反应，从而会恶化传热效果和引发生产安全事故[8]。

  导热油的化学污染主要是来自于运行使用过程中被加热介质泄漏污染，当被加热介质侧的操作压力高于导热油加热侧的工作压力，同时导热油换热器本身又存在制造焊接缺陷的情况下，被加热介质就会发生泄漏，这样循环供热系统内的导热油就有可能被泄漏污染。另外一种情况就是导热油在运输、储存和注入循环供热系统的过程中被污染，使得污染物进入了导热油循环供热系统内，或者是新安装的导热油换热器及导热油输送管道未能清除干净内部存在的污染物质，从而也会造成导热油进入循环供热系统后被污染。

  在印染热定型机与染色机运行使用中，高温导热油向外部环境发生泄漏的危害性是最为严重的，由于导热油具有可燃性或易爆性；所以，高温的导热油泄漏后可能会引发火灾事故或爆炸事故，并有可能还会造成操作人员的伤亡事故。而且如果发生了导热油类型牌号的选择不当、导热油炉及循环供热系统的设计、制造、安装存在有缺陷、生产工艺条件不合理或生产操作方式等环节存在着问题，都将会成为导热油泄漏事故发生的安全隐患[9]。

  因为导热油是可燃或易爆物质，当作为传热介质用于加热或冷却具有氧化作用的工艺介质时，如果在导热油换热器内部发生泄漏的情况下，则有可能会导致导热油换热器内部发生燃烧或爆炸事故；所以，除非已经采取非常有效和可靠预防泄漏的安全保障措施外，在正常情况下不宜采用导热油作为传热介质直接通过导热油换热器对具有氧化作用的化学品加热或冷却。

  当导热油炉开车点火升温时，因为导热油温度低和粘度大，炉管内的导热油流速低，炉管内壁的油膜厚度比较厚；所以，在导热油炉开车调试和升温操作时[10]，必须严格控制导热油的升温速度，以避免炉管内导热油出现局部过热超温。而当导热油在炉管受热面内流动时，会在炉管内壁表面附着存有一层油膜，这层油膜是处在层流状态，并且是依靠热传导进行传热。

  因此，如果导热油在炉管内的流动速度越快，则炉管内导热油的油膜层厚度就会越薄，其传热效果也就越好，而这层油膜温度就是导热油炉内导热油的最高工作温度，该温度比炉管中心流动的导热油主流体的温度要高出20℃～30℃，它基本上是接近于炉管受热面的金属壁温度。所以，为了防止油膜温度过高而发生导热油过热裂解，在导热油使用操作时应该注意不要超温过热，以保证导热油的油膜温度小于导热油的最高允许液膜温度。

  在印染热定型机与染色机运行使用中，当热定型机或染色机的工作温度升不上来的时候，说明导热油输送给热定型机或染色机的热量不足；但这时不能盲目采用提高导热油炉出口油温的解决办法，而是要首先查明热定型机或染色机的传热装置是否正常散热、导热油供热管道是否干净通畅、每个阀门是否正常开启等各个操作原因。

  而当导热油炉的出口油温超过了预定设置温度、发生了导热油超温报警时，应该马上及时降低导热油温度到安全工作温度范围内；并且当热定型机或染色机的生产需用热量减少、或者是暂时停止运行使用时，应该要马上打开导热油旁路阀门，以维持导热油炉的炉管内有额定安全的导热油流量和流速，从而可避免导热油局部过热而产生超温裂解[11]。

  保护导热油的安全运行最好办法是采用封闭式膨胀槽内充填氮气的保护措施，但如果没有充填氮气保护的操作条件和资金费用时，则要保证维持高位膨胀槽内的低温导热油液位的足够稳定和足够高，以隔绝膨胀管内高温导热油直接与空气接触，避免发生导热油高温氧化；并且膨胀管与高位膨胀槽的外表面不要进行保温隔热，夏天还要避免阳光直接辐射到高位膨胀槽上，同时还要求确保敞开式高位膨胀槽内的导热油温度不应超过70℃，让其能够始终处于低温状态。

  导热油应该定期抽样化验，因为导热油一旦开始变质劣化，就会引起恶性循环，如果在导热油炉及循环供热系统运行过程中，导热油的粘度越大，导热油在炉管内的流速就会越低，传热效果也就越加恶化，油膜温度则会变得越高，最终导热油的过热裂解也就越加剧烈。因此，对运行使用中的导热油应该要求定期进行检测，新导热油炉投入运行之后，应该半年进行一次监测，而随着导热油的颜色变深，监督检测的次数也应该适当增加。

  定期检测项目包括对运行使用中的导热油粘度、闪点、残炭、酸值应该进行监测，若四项指标中的变化值超过新油原始数据的15%～20%时，应该考虑更换新油。另外，由于导热油过热分解，使得轻馏分以气相形态向高位膨胀槽内排放，同时导热油在实际运行使用中也会有一些自然损耗，所以，需要定期向导热油炉及循环供热系统内补充添加新的导热油。而补充添加新的导热油最好是使用同一厂家生产的同一牌号导热油，使用前应该进行抽样化验认可。如果采购条件和购买资金允许的条件下，应尽量避免不同牌号的导热油混合使用；如果是条件实在不允许，则可采用相同类型（烷烃型）的导热油混合使用。

  在染色机上安装导热油换热器，就可取代染色机上蒸汽加热器；再将染色机上导热油换热器并联接入导热油炉加热印染定型机的循环供热系统中，因为导热油供热是一个闭合循环系统，可以反复循环使用，其热能利用率很高，从而克服了蒸汽加热对于蒸汽能耗和水资源的浪费；并且导热油循环供热过程比较平稳，导热油输出温度高，染色机加热升温速度快，导热油炉的热效率较高[12]，因此，可以降低生产所带来的成本30%～40%，并且节约能耗，提高生产效率，同时还延长了染色机的常规使用的寿命。

  在导热油炉及循环供热系统补充添加新的导热油时，烷烃型导热油与烷烃型导热油可以进行混合使用，但是在混合之前需要对原来使用的烷烃型矿物导热油进行粘度、闪点、残碳、酸值四项指标测试，证实其没有达到油品的报废标准时才可以进行烷烃型导热油混合使用，并且劣质报废的矿物型导热油是不能够混合使用。

  另外，烷烃型导热油两者之间的混合比例宜逐渐加大，并且使用温度低的烷烃型导热油也可以加入混合到使用温度高的烷烃型导热油中间，但在生产实际操作运行中应特别注意，混合使用后的烷烃型矿物导热油实际使用温度不宜超过两者之中最低的实际使用温度。

  在印染热定型机与染色机使用导热油供热过程中，导热油的最高允许使用温度可以成为合理且经济地选用导热油的重要参数，因为导热油的最高允许使用温度是为了测定其耐热性，在试验条件下确定的最高测试温度，而导热油炉内导热油的最高工作温度则是在实际使用运行中可能发生的真实操作温度。

  根据导热油炉的最高工作时候的温度来合理选择导热油的类型牌号，是保证导热油炉及循环供热系统使用操作可靠性和运行管理安全性的基础，也是影响导热油常规使用的寿命的关键条件。

  因此，在印染热定型机与染色机使用导热油供热过程中，由于印染工艺和操作条件的变化，或者在导热油炉及循环供热系统的设计、制造和安装等方面存在的缺陷，都有可能使得导热油的工作温度发生改变，甚至还会造成其过热超温，故选择导热油的类型牌号时应对其预留适当温度差的安全裕量。即导热油的最高工作时候的温度应低于其最高允许使用温度，两者之间的温度差值即为导热油的温度安全裕量，在印染热定型机与染色机使用运行过程中建议导热油的最高工作时候的温度应低于其最高允许使用温度20～30℃。

  印染热定型机是染整行业中主要耗能设备之一，在印染定型生产的基本工艺的中、后整理过程中间需要进行加热，尤其是热定型机需要提供180℃～250℃的定型温度，用于化纤织造物定型工艺要求，而导热油炉及循环供热系统能完全满足热定型机的供热需要，同时还能为染色机、蒸化机、焙烘机等其他需要高温的设备提供加热需求。

  [1]汪琦,张慧芬,俞红啸等.导热油循环供热系统在热定型机中的应用[J].染整技术,2020,42(5):25-31.

  [7]季炳奎,汪琦.导热油供热系统在印染业中的节能效果[J].染整技术,2008,30(7):6-9.

  [9]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉和供热系统的泄漏原因及处置方法[J].工业炉,2017,39(3):39-41.

  [11]汪琦,张慧芬,俞红啸等.清洁能源供热技术在印染定型机中的应用研究[J].染整技术,2019,41(5):40-43.

  汪琦，硕士，高级工程师，目前从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

  （1）投稿文章一经采用，支付作者稿酬200元/篇（如优势产品应用、经验类总结文章等）；