導熱油結焦的必然性及危害性

高溫導熱油在熱油爐中循環傳送熱能的同時生成黏糊狀的膠質。在質量好的導熱油中，膠質會懸浮在油中，導熱油在熱油爐中循環時，可將部分膠質通過過濾器濾掉。所以過濾器要定期清洗，以免堵塞。當然也有相當一部分膠質，隨油的循環而黏在爐管壁上。在高溫作用下，此膠質逐漸發黑變硬，在爐管壁上形成結焦。此結焦的傳熱系數與爐管的傳熱系數是不相同的，在爐管結焦后，傳熱效果明顯下降。但生產工藝所需溫度是不變的，為了達到工藝要求，迫使熱油爐提高油溫。隨時間推移，結焦逐漸增多，而管道逐漸縮小，爐管溫度逐漸升高。

導熱油的鏡膜溫度是指導熱油分子結構損壞達10%時的溫度，它是由導熱油的分子結構所決定。一般導熱油的鏡膜溫度在350℃左右，當導熱油的實際溫度超過它的鏡膜溫度時，其導熱油的膠質會成倍增加，結焦會增厚。

由于結焦是非傳熱物質，當熱油爐爐管壁沉積10mm厚的導熱油結焦時，爐管內外壁溫度差高達300℃，也就是說爐管內壁導熱油溫度為300℃時，而爐管外壁溫度已達600多℃，爐膛需要更高溫度才能達到此要求，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。由于爐管內有壓力，因此會先在爐管上產生鼓泡，繼續加熱，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，結焦是熱油爐的大敵，是熱油爐引起火災的禍根。而如何清除結焦一直是人們關注和研究的課題。

1.1 導熱油結焦的機理

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

1.1.1 誘導階段

導熱油在熱油爐爐管金屬表面的受熱作用下，主要發生兩大類化學反應：一類是裂解反應，另一類是縮合反應。裂解反應使烷烴類大分子分解為小分子，導熱油理化性質表現為黏度減小、閃點變小；縮合反應使烷烴類大分子縮合成多環芳烴或稠環芳烴等更大分子，導熱油理化性質表現為黏度增大、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熱油揮發掉；又加上誘導階段中，導熱油的主要化學反應是縮合反應，故導熱油報廢時，理化性質中黏度、閃點、酸值、殘炭值均增大。在這些化學反應中，其主要反應路線是：烷烴、烯烴、芳香烴、多環芳烴、膠質、瀝青質。由此可見，在這個反應過程中，相對分子質量是逐步增大的。如膠質相對分子質量在600～1000間，而瀝青質相對分子質量在700～40000間。這些大分子物質在導熱油中是不溶的，并從導熱油中分離出來。分離出來的膠質和瀝青質是黏糊狀的，它在導熱油中起誘導因子作用，繼續誘導導熱油經加熱縮合逐步發生脫氫反應。

1.1.2 吸附階段

導熱油經加熱生成瀝青質，然后瀝青質向爐管金屬表面遷移或被金屬表面吸附。吸附是導熱油的瀝青質在爐管金屬表面上遷移的表面現象。吸附可分物理吸附與化學吸附。物理吸附多在較低溫度時進行，是范德瓦爾斯引力作用的結果，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，是不規則吸附。而化學吸附只能單分子層吸附，且在吸附過程中生成化合物。導熱油中瀝青質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。而當溫度增加后，碳與鋼可能會發生化學吸附生成化合物，使爐管發脆，影響爐管質量。

1.1.3 硬化階段

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

在硬化階段中，結焦的主要化學反應是脫氫反應，隨著脫氫程度不同，生成結焦的形狀也不同，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，焦塊內部結構呈蜂窩狀，硬度中等，結焦中含油量少，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，焦塊內的孔隙是均勻定向和呈細長橢圓形，破碎時焦塊裂成針狀的焦片或玻璃狀，硬度高，結焦中含油量極少，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 各種導熱油結焦的性能對比

焦炭名	結構	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，瀝青質被熱油爐的管壁金屬表面吸附上去，同時也有瀝青質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。在這兩個過程進行到速度相等時，就建立起吸附平衡，吸附量達到最大值。

雷諾實驗告訴我們，當雷諾數大于4000時，結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系列高溫導熱油在熱油爐中流速大于2 m/s時，導熱油在熱油爐中結焦較少，從而增加導熱油湍流程度，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；起到機械防焦和強化導熱油流體傳熱的目的。