Термомасляный котёл (термомасляная печь, котёл на органическом теплоносителе, англ. thermal oil heater) — теплогенерирующее устройство, в котором в качестве рабочего теплоносителя используется высокотемпературное органическое масло (диатермическое масло, минеральное или синтетическое), нагреваемое продуктами сгорания топлива и циркулирующее по замкнутому контуру. Принципиальное отличие от парового и водогрейного котла состоит в том, что нагрев теплоносителя до температур 250–360 °C происходит при низком рабочем давлении — как правило, не выше 0,6–1,0 МПа, что обусловлено крайне низкой упругостью паров используемых масел в указанном диапазоне температур.
Термомасляные котлы применяются в технологических процессах, требующих высоких температур теплоносителя при умеренных давлениях: в нефтепереработке, химической и нефтехимической промышленности, производстве битума, древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит, пищевой промышленности (производство масел, шоколада, выпечка), текстильной отрасли, асфальтобетонных заводах, системах нагрева резервуаров для тяжёлых нефтепродуктов. По данным производителей котельного оборудования (см., например, https://tansutech.com/termo), типовой диапазон тепловой мощности промышленных термомасляных котлов составляет от 500 до 6 000 кВт; единичные установки достигают мощности 20–30 МВт.
Концепция нагрева через жидкий теплоноситель с низкой упругостью паров была реализована в первой половине XX века в связи с потребностью химической промышленности в высокотемпературном нагреве без применения паровых котлов высокого давления. В 1930-х годах в США и Германии началось промышленное производство ароматических теплоносителей: дифенильно-дифенилоксидной смеси (известной под торговой маркой Dowtherm A, выпускается компанией Dow Chemical с 1930 года) и её аналогов. В СССР отечественный аналог под названием «Дифил» применялся с 1950-х годов на предприятиях нефтехимии. Массовое внедрение специализированных термомасляных котлов в технологические схемы промышленных предприятий пришлось на 1960–1970-е годы.
Термомасляный котёл представляет собой жаротрубный или змеевиковый теплообменник, в котором масло-теплоноситель прокачивается через систему труб, омываемых снаружи продуктами сгорания топлива. Большинство современных промышленных термомасляных котлов выполняются по трёхходовой схеме движения дымовых газов: газовый поток последовательно проходит через топочную камеру, первый и второй конвективные пучки труб, что обеспечивает коэффициент полезного действия 85–92 %.
Контур циркуляции теплоносителя включает:
- собственно котёл (теплогенератор);
- циркуляционный насос, обеспечивающий принудительное движение масла;
- расширительный бак, компенсирующий температурное расширение масла (объём около 25–30 % от заполняемого объёма системы);
- расходную ёмкость для дозаправки и аварийного слива;
- дегазатор для удаления из теплоносителя продуктов лёгкого распада и водяных паров;
- систему запорной и регулирующей арматуры;
- потребители тепла (теплообменники, реакторы, рубашки технологических аппаратов).
Нагретое масло поступает к потребителю тепла, где отдаёт энергию через стенку теплообменника, после чего возвращается в котёл для повторного нагрева. Перепад температур между подающей и обратной линиями обычно составляет 30–40 °C.
В термомасляных котлах применяются две основные группы теплоносителей:
Минеральные масла — продукты нефтепереработки, получаемые из высокоочищенных парафиновых или нафтеновых базовых масел. Допустимая рабочая температура составляет 280–300 °C. Преимущества — относительно низкая стоимость и широкая доступность. Недостатки — постепенное окисление и образование шлама при длительной эксплуатации, ограниченный верхний температурный предел. Примеры: Mobiltherm 605, Shell Heat Transfer Oil S2, отечественные марки АМТ-300 и ИТ-300.
Синтетические теплоносители — в основном смеси дифенила и дифенилоксида или алкилбензолы. Допустимая рабочая температура — до 360–400 °C. Обладают высокой термической стабильностью, низкой коррозионной активностью, длительным сроком службы (до 15–20 лет при правильной эксплуатации). Примеры: Dowtherm A, Therminol VP-1, Therminol 66, Mobiltherm 603, отечественные марки Дифил, Дитолилметан.
Ключевые требования к теплоносителю — высокая температура вспышки, низкая упругость насыщенных паров при рабочей температуре, химическая стабильность, низкая коррозионная активность в отношении конструкционных сталей.
Термомасляные котлы классифицируются по нескольким признакам:
По виду топлива: газовые (природный газ, сжиженный углеводородный газ), жидкотопливные (дизельное топливо, мазут, отработанное масло), твердотопливные (уголь, биомасса, древесные отходы), электрические, котлы-утилизаторы (использующие тепло отходящих газов других технологических установок).
По конструкции теплообменника: жаротрубные (с пакетами параллельных труб), змеевиковые (с одной или несколькими спиральными трубами большой длины), комбинированные.
По компоновке: горизонтальные и вертикальные.
По типу теплоносителя: на минеральном масле (рабочая температура до 300 °C), на синтетическом масле (рабочая температура до 360 °C и выше).
Типовые параметры промышленных термомасляных котлов:
- тепловая мощность — от 100 кВт (мини-котельные) до 20–30 МВт (промышленные установки);
- максимальная температура теплоносителя — 280–300 °C для минеральных масел, 340–360 °C для синтетических;
- рабочее давление в контуре теплоносителя — 0,3–0,6 МПа (создаётся преимущественно для преодоления гидравлического сопротивления системы и предотвращения вскипания при локальных перегревах);
- коэффициент полезного действия — 85–92 %;
- перепад температур масла «вход — выход» котла — 30–40 °C;
- расход теплоносителя через котёл — 20–200 м³/ч в зависимости от мощности;
- срок службы — 20–25 лет.
Изготовление промышленных термомасляных котлов в Российской Федерации регламентируется ГОСТ Р 52630-2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия» и техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».
Преимущества термомасляных котлов по сравнению с паровыми и водогрейными:
- возможность получения высоких температур (до 360 °C) при низком рабочем давлении, что упрощает требования к прочности и герметичности оборудования;
- отсутствие коррозии внутри контура теплоносителя — масло не содержит растворённого кислорода и не вызывает образования накипи;
- отсутствие необходимости в водоподготовке (химводоочистке);
- невозможность замерзания теплоносителя при отрицательных температурах окружающей среды;
- высокая точность регулирования температуры технологического процесса (до ±1 °C);
- отсутствие потерь теплоносителя с продувкой, характерных для паровых котельных;
- классификация согласно нормативной документации в более низкую категорию опасности по сравнению с паровыми котлами высокого давления.
Недостатки:
- горючесть теплоносителя — при разгерметизации контура возможно возгорание масла;
- постепенная термическая деструкция масла с образованием низкокипящих фракций и продуктов крекинга, требующая периодического контроля и замены теплоносителя;
- относительно высокая стоимость синтетических теплоносителей;
- необходимость дегазации системы при первичном пуске для удаления остатков влаги и лёгких фракций.
Основные отрасли применения термомасляных котлов:
- нефтеперерабатывающая промышленность — нагрев сырья перед процессами фракционирования, обеспечение теплом колонн ректификации;
- производство битума и асфальтобетона — поддержание битума в подвижном состоянии в хранилищах, нагрев минеральных материалов;
- химическая и нефтехимическая промышленность — обогрев реакторов, аппаратов синтеза, обеспечение тепла для эндотермических процессов;
- деревообрабатывающая промышленность — производство ДВП, ДСП, OSB, MDF, фанеры (нагрев плит горячего прессования);
- пищевая промышленность — производство растительных масел, маргарина, шоколада, кондитерских изделий, обжарка кофе;
- текстильная промышленность — обогрев каландров, сушильных установок, красильных линий;
- фармацевтическая промышленность — обеспечение технологического тепла для процессов с точным температурным контролем;
- системы централизованного теплоснабжения промышленных предприятий с разнотипными потребителями тепла.
Эксплуатация термомасляных котлов регламентируется правилами промышленной безопасности и требует выполнения ряда мероприятий: периодического анализа теплоносителя на содержание продуктов деструкции, влаги и механических примесей; контроля целостности контура и отсутствия утечек; обеспечения работоспособности систем автоматической защиты по температуре, давлению и расходу теплоносителя; организации пожарной безопасности в помещении котельной с учётом горючести теплоносителя.
Котельные с термомасляными котлами оборудуются системами аварийного слива теплоносителя в подземные ёмкости, газоанализаторами, автоматическими установками пожаротушения, аварийной вентиляцией. Согласно нормативной документации, помещения таких котельных относятся к категории В1–В2 по пожарной опасности.
- Паровой котёл
- Водогрейный котёл
- Теплоноситель
- Температурный напор
- Термодинамические процессы
- Эстеркин Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. — Л.: Энергоатомиздат, 1989.
- Сидельковский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Чечеткин А. В. Высокотемпературные теплоносители. — М.: Энергия, 1971.
- ГОСТ Р 52630-2012. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.
- ТР ТС 032/2013. О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением.