導(dǎo)熱油結(jié)焦的必然性及危害性

高溫導(dǎo)熱油在熱油爐中循環(huán)傳送熱能的同時生成黏糊狀的膠質(zhì)。在質(zhì)量好的導(dǎo)熱油中，膠質(zhì)會懸浮在油中，導(dǎo)熱油在熱油爐中循環(huán)時，可將部分膠質(zhì)通過過濾器濾掉。所以過濾器要定期清洗，以免堵塞。當(dāng)然也有相當(dāng)一部分膠質(zhì)，隨油的循環(huán)而黏在爐管壁上。在高溫作用下，此膠質(zhì)逐漸發(fā)黑變硬，在爐管壁上形成結(jié)焦。此結(jié)焦的傳熱系數(shù)與爐管的傳熱系數(shù)是不相同的，在爐管結(jié)焦后，傳熱效果明顯下降。但生產(chǎn)工藝所需溫度是不變的，為了達(dá)到工藝要求，迫使熱油爐提高油溫。隨時間推移，結(jié)焦逐漸增多，而管道逐漸縮小，爐管溫度逐漸升高。

導(dǎo)熱油的鏡膜溫度是指導(dǎo)熱油分子結(jié)構(gòu)損壞達(dá)10%時的溫度，它是由導(dǎo)熱油的分子結(jié)構(gòu)所決定。一般導(dǎo)熱油的鏡膜溫度在350℃左右，當(dāng)導(dǎo)熱油的實際溫度超過它的鏡膜溫度時，其導(dǎo)熱油的膠質(zhì)會成倍增加，結(jié)焦會增厚。

由于結(jié)焦是非傳熱物質(zhì)，當(dāng)熱油爐爐管壁沉積10mm厚的導(dǎo)熱油結(jié)焦時，爐管內(nèi)外壁溫度差高達(dá)300℃，也就是說爐管內(nèi)壁導(dǎo)熱油溫度為300℃時，而爐管外壁溫度已達(dá)600多℃，爐膛需要更高溫度才能達(dá)到此要求，而此時爐管已很難承受此溫度，假如一過火就會使熱油爐的爐管軟化。由于爐管內(nèi)有壓力，因此會先在爐管上產(chǎn)生鼓泡，繼續(xù)加熱，爐管受壓、鼓泡增大、開裂并漏油。遇到火源就燃燒，燒壞熱油爐和房屋，造成人、財、物損失。所以，結(jié)焦是熱油爐的大敵，是熱油爐引起火災(zāi)的禍根。而如何清除結(jié)焦一直是人們關(guān)注和研究的課題。

1.1 導(dǎo)熱油結(jié)焦的機(jī)理

以往人們對導(dǎo)熱油認(rèn)識不足，認(rèn)為導(dǎo)熱油只要在一定溫度下可長期使用而不會結(jié)焦或者認(rèn)為導(dǎo)熱油使用長時間后會變質(zhì)，只需更換導(dǎo)熱油，爐管上就不會結(jié)焦的等等。導(dǎo)熱油會不會在爐管壁上結(jié)焦，導(dǎo)熱油使用一段時間后為什么會影響傳熱效果，這是近幾年來導(dǎo)熱油行業(yè)中討論的焦點。實際上導(dǎo)熱油與自然界其他產(chǎn)物一樣，也存在由好變壞的過程，導(dǎo)熱油在熱油爐中加熱運行如同水滴在水池邊結(jié)水垢一樣，也會形成結(jié)焦，而且結(jié)焦主要分以下四個階段。

1.1.1 誘導(dǎo)階段

導(dǎo)熱油在熱油爐爐管金屬表面的受熱作用下，主要發(fā)生兩大類化學(xué)反應(yīng)：一類是裂解反應(yīng)，另一類是縮合反應(yīng)。裂解反應(yīng)使烷烴類大分子分解為小分子，導(dǎo)熱油理化性質(zhì)表現(xiàn)為黏度減小、閃點變小；縮合反應(yīng)使烷烴類大分子縮合成多環(huán)芳烴或稠環(huán)芳烴等更大分子，導(dǎo)熱油理化性質(zhì)表現(xiàn)為黏度增大、閃點增高。

由于熱油爐有膨脹槽，膨脹槽又與空氣接觸，使一部分低閃點的導(dǎo)熱油揮發(fā)掉；又加上誘導(dǎo)階段中，導(dǎo)熱油的主要化學(xué)反應(yīng)是縮合反應(yīng)，故導(dǎo)熱油報廢時，理化性質(zhì)中黏度、閃點、酸值、殘?zhí)恐稻龃蟆Ｔ谶@些化學(xué)反應(yīng)中，其主要反應(yīng)路線是：烷烴、烯烴、芳香烴、多環(huán)芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。由此可見，在這個反應(yīng)過程中，相對分子質(zhì)量是逐步增大的。如膠質(zhì)相對分子質(zhì)量在600～1000間，而瀝青質(zhì)相對分子質(zhì)量在700～40000間。這些大分子物質(zhì)在導(dǎo)熱油中是不溶的，并從導(dǎo)熱油中分離出來。分離出來的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是黏糊狀的，它在導(dǎo)熱油中起誘導(dǎo)因子作用，繼續(xù)誘導(dǎo)導(dǎo)熱油經(jīng)加熱縮合逐步發(fā)生脫氫反應(yīng)。

1.1.2 吸附階段

導(dǎo)熱油經(jīng)加熱生成瀝青質(zhì)，然后瀝青質(zhì)向爐管金屬表面遷移或被金屬表面吸附。吸附是導(dǎo)熱油的瀝青質(zhì)在爐管金屬表面上遷移的表面現(xiàn)象。吸附可分物理吸附與化學(xué)吸附。物理吸附多在較低溫度時進(jìn)行，是范德瓦爾斯引力作用的結(jié)果，沒有電子偶的形成，它可以是單分子吸附，也可以是多分子吸附，但并不一定在第一層吸滿以后才吸附第二層；也不一定在第二層吸滿以后再吸附第三層，是不規(guī)則吸附。而化學(xué)吸附只能單分子層吸附，且在吸附過程中生成化合物。導(dǎo)熱油中瀝青質(zhì)在爐管金屬表面主要是物理吸附，而且吸附厚度是不均勻的。而當(dāng)溫度增加后，碳與鋼可能會發(fā)生化學(xué)吸附生成化合物，使?fàn)t管發(fā)脆，影響爐管質(zhì)量。

1.1.3 硬化階段

瀝青質(zhì)附著在爐管壁上，繼續(xù)受熱會硬化生成結(jié)焦。結(jié)焦相對來說是比較硬的，傳熱系數(shù)又很小，是非傳熱物質(zhì)。它在金屬表面增加一層結(jié)焦層后，起到隔熱作用，故結(jié)焦在熱油爐使用中無好處。

在硬化階段中，結(jié)焦的主要化學(xué)反應(yīng)是脫氫反應(yīng)，隨著脫氫程度不同，生成結(jié)焦的形狀也不同，主要分以下三種：

（1）海綿狀焦

也稱無定形焦，C/H比小，焦塊疏松，硬度低，結(jié)焦中含油量大，在火焰中易燃燒，離開火焰也燃燒，在爐管中易清除。海綿狀焦由含芳烴量小的油生成。

（2）蜂窩狀焦

也稱同性焦，C/H比中等，焦塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，硬度中等，結(jié)焦中含油量少，在火焰中不易燃燒，離開火焰不燃燒，在爐管中清除困難。蜂窩狀焦由含芳烴量中等的油生成。

（3）針狀焦

也稱異性焦，C/H比高，焦塊內(nèi)的孔隙是均勻定向和呈細(xì)長橢圓形，破碎時焦塊裂成針狀的焦片或玻璃狀，硬度高，結(jié)焦中含油量極少，在火焰中冒火星，離開火焰如石塊，在爐管中清焦很困難。針狀焦由含芳烴量高的油生成。

表1 各種導(dǎo)熱油結(jié)焦的性能對比

焦炭名	結(jié)構(gòu)	C/H	外觀硬度	生成方式	清焦難易度
海綿狀焦	無定形	小	疏松	含芳烴量小的油生成	容易
蜂窩狀焦	同性	中等	呈蜂窩狀	等含芳烴量中等的油生成	困難
針狀焦	異性	高	孔隙均勻	含芳烴量高的油生成	很困難

1.1.4 脫落階段

脫落是吸附的可逆過程。在吸附過程中，瀝青質(zhì)被熱油爐的管壁金屬表面吸附上去，同時也有瀝青質(zhì)在熱油爐的爐管金屬表面脫落下來，這是方向相反的兩個過程。在這兩個過程進(jìn)行到速度相等時，就建立起吸附平衡，吸附量達(dá)到最大值。

雷諾實驗告訴我們，當(dāng)雷諾數(shù)大于4000時，結(jié)焦在管壁表面的吸附速率較慢，脫落較多。通過雷諾公式計算，確定久星L-Q系列高溫導(dǎo)熱油在熱油爐中流速大于2 m/s時，導(dǎo)熱油在熱油爐中結(jié)焦較少，從而增加導(dǎo)熱油湍流程度，減少傳熱邊界層中滯流底層厚度；減少對流傳熱熱阻，提高對流傳熱系數(shù)；起到機(jī)械防焦和強(qiáng)化導(dǎo)熱油流體傳熱的目的。