热定型机采用天然气直燃式热风烘干定型整理


汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑

(上海热油炉设计开发中心  上海  200042)


摘  要:介绍了天然气的几种常用形式,讨论了天然气燃烧器的构成与特点,研究了热定型机采用天然气直燃式热风烘干定型整理过程和结构特点及安全保护控制系统,分析了天然气管道直径与阻力的计算方法,探讨了热定型机排放废气的余热回收利用装置。

关键词:天然气;热定型机;天然气燃烧器;直燃式热风;燃气管道阻力;余热回收利用


前  言

拉幅定型机的主要工艺流程有:轧车、上超喂、下超喂、主链、毛刷、出布、落布。拉幅定型机的主要工艺可以分成拉幅和定型两个工艺,拉幅工艺就是对织物纬向施加一定的拉力,从而可以去除其在前处理和染色过程中在力的作用下所产生的布边不齐、纬纱歪斜、幅宽不等的缺点,使得织物的表面质量达到较为明显的改善效果。

定型工艺就是先给拉幅定型机设定一个适合的张力,然后对织物进行处理:先是将其加热至一定的温度条件下,然后保持一定时间,从而使得纤细分子链在新的位置上就会进行重新调整,之后再以适当的速度进行冷却,进而把织物受热变化的状态固定下来。

因此,在经过拉幅定型机的定型处理之后,可以去除织物上面所含有的皱痕,同时还能够防止其再出现新的褶皱。所以,织物在经过拉幅定型处理以后,就可以明显改善织物的表面质量,使其看起来更为美观。

由于天然气是清洁能源,所以,热定型机采用天然气直燃式热风烘干是纺织印染行业中节能减排、发展低碳经济的有效方法[1],同时还削减了粉尘和SO2的排放量,节省了锅炉的占地面积,并省去了燃煤或燃油的储运费用,减少了司炉工的人员成本;但缺点是天然气的价格较高,尤其是在2021年11月份之后,受到世界多重因素叠加影响,并且为了贯彻落实国家能源双控政策,工业园区内的工业用户管道天然气价格调整为5.00元/立方米左右。

另外,因为天然气属于易燃、易爆的气体,所以,天然气直接式热风加热定型机的危险破坏程度较高,天然气管道泄漏事故也较多,因此在热定型机上应设置天然气燃烧器的安全保护控制系统。

1.天然气

天然气是指直接从自然界得到的气体燃料,即基本上只是经过了开采和收集的燃气。天然气主要有如下三种形式:

1.1 气井气

气井气是埋藏在地下深处几千米的气态燃料,在地层压力作用下燃气具有很高的压力,一般可以达到1.0~10.0MPa,气井气的主要成份是甲烷,体积分数约为95%左右,还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮、氩、氖等。当标态下的气井气中硫化氢质量浓度大于20mg/m3时,应该进行脱硫后再向外界输送。有时为了保证输送燃气的正常运行和防止管道腐蚀,还应该进行脱除水分和二氧化碳的处理。气井气比空气轻,标态下密度约为0.5~0.7kg/m3,高发热量约为37000kJ/m3左右,气井气的燃烧速度(即火焰传播速度)属于常用燃气中最低的几种之一。

1.2 油田伴生气

油田伴生气是石油开采过程中自原油内析出的气体,即在分离器中由于压力降低而进一步析出的气体,它的主要成份是甲烷,体积分数为80%左右,另外还含有一些其他的烃类。伴生气的发热量要稍高于气井气,标态下密度约为0.6~0.8kg/m3,但其燃烧速度与气井气差不多。此外,还有埋藏很浅的浅层燃气,其主要成份也是甲烷。

1.3 矿井气

矿井气是从煤矿的矿井中抽出的燃气,在新开凿的矿井中充满着俗称“矿井瓦斯”的气体。这种气体中含有大量甲烷,除了有爆炸危险外,还会对人体有窒息性。因此,在操作人员进入矿井坑道采煤之前,必须采用空气将矿井气充分置换出来。所以,矿井气也是一种气体燃料资源。矿井气中的甲烷含量约占50%,另外其他50%主的要成份是空气和氮。矿井气的发热量较低,标态下一般不会超过21000kJ/m3

2.天然气燃烧器

天然气燃烧器的本体部分主要包括风机与电机组、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、燃气喷嘴、稳定火焰器等,燃气阀门管道系统主要包括手动阀、燃气过滤器、安全阀、调节阀、连接供气管路等。天然气燃烧器本体上的风门电动调节与燃气阀门组件中的调节器组成了燃烧器内天然气和空气按照比例调节系统,它又由程序控制器和状态控制器发出指令,实施各种工况调控和安全联锁保护。

另外,天然气燃烧器的燃烧与空气的比例调节也可以采用机械连杆式比例调节器。因此,天然气燃烧器具有多种调节方式:小功率的天然气燃烧器采用一级和二级方式调节;中功率与大功率的天然气燃烧器采用机械或电子式比例调节,从而可保证天然气与空气的合理配比以及高效率燃烧[2]。天然气燃烧器的工作过程包括:清扫、点火、负荷变化、熄火安全保护等都是全自动运行。

天然气燃烧器具有如下的特点:

(1)安装容易

天然气燃烧器是整装出厂的,在出厂前经过严格测试,可以确保天然气燃烧器的产品质量,印染企业只需安装天然气供气管道,并接通电源后即可进行操作使用。

(2)操作方便

天然气燃烧器的全部包括自动点火系统,可选配恒温器等装置以控制自动开关;如果天然气燃烧器型号是二段火力或三段火力,则可配用恒温器自动转换火力,因此调校容易。

(3)安全可靠

每台天然气燃烧器都有原装的火焰监察系统,以确保天然气燃烧时的安全可靠。

(4)洁净省能

天然气的洁净燃烧就是使用较少的天然气燃料提供较高的热能,所以,天然气燃烧器既降低了印染企业的生产成本,又可对生态环境保护做出极大的贡献。

3.热定型机采用天然气直燃式热风烘干定型整理

天然气直燃式热风加热定型机的整套装置包括:定型机本体、天然气燃烧器、天然气加热箱、天然气输送管道、循环风机、上部冷风管、下部高温烟气分配管、阀门组件、天然气安全保护系统、自动控制装置等[3]。天然气加热箱安置在定型机本体的底部,上部冷风管通过冷风机与热定型机外部互相连通,下部高温烟气分配管采用耐热钢制作,并与天然气加热箱互相连通,用于高温烟气在烘箱内的均匀分布。

天然气加热箱侧面设置燃烧器连接口,以便安装天然气燃烧器,每节烘箱配置一台燃烧器,每一台燃烧器设有每一个天然气输送支管,且与天然气输送管道并联连接,每一个支管与天然气输送管道之间设有自动截止阀。

热定型机采用天然气直燃热风供热方式的优点是:天然气在热定型机每节加热箱内燃烧加热,在热定型机的每节加热箱侧面配置一个燃烧器接口,并安装一台天然气燃烧器,每节加热箱内的热空气温度是通过控制燃烧天然气的流量大小来达到,即根据每节加热箱内不同的热空气温度要求来改变每台天然气燃烧器的点火时间与关火时间,通过天然气直接加热之后,热定型机各节烘箱内的空气温度可达到220℃,烘箱工作温度范围为160~220℃,从而满足热定型机各节烘箱内所要求的定型温度[4],热定型机各节烘箱温度采用自动控制,每节烘箱为一独立的温控单元。

天然气直燃式热风加热定型机的结构特点是:循环风机采用轴流式风机,楔形风管结构,小圆孔均匀分布;喷风管可以从烘箱侧面抽出,便于清洁维修,过滤网也可以从烘箱外面抽出进行清洁或者更换;拉幅轨道采用铸铁轨道,拉幅链条采用离根链条;并采用红外线探测边幅装置,以保证织物上针可靠。

另外,热定型机安装了两台排风机,从而可形成负压进风方式。由于天然气在燃烧过程中释放的粉尘和SO2的数量较少,所以,热定型机排放的废气中含硫量较低,产生的尾气可以不进行脱硫处理而直接排放;但因为天然气在热定型机各节烘箱内燃烧,产生的尾气温度较高,具有较高的回收利用价值。因此,热定型机排出的热废气需要安装余热回收利用装置,从而达到节能减排的效果。

在热定型机上设置天然气燃烧器的安全保护控制系统,进行天然气压力保护,当天然气压力不在设计工作范围时,可以自动关闭燃烧器;而在天然气燃烧器启动前,应先启动排风机预吹扫,以防止各节烘箱内有可燃气体存在,从而可避免发生爆燃事故。

另外,在循环风机没有开启或发生故障时,天然气燃烧器不能启动或自动关闭;同时还要监测热定型机的传动交流电机转速是否正常运转、以及排风机是否开启运行,从而可避免人为因素给热定型机上的天然气燃烧器带来的安全隐患。当安全保护控制系统监测到交流电机变频、循环风机变频、排风机变频任何某一运行工况有故障时,天然气燃烧器将会实现自动熄火保护,以此来避免对热定型机烘箱内的织物布料产生不良影响与安全隐患。

4.天然气管道直径与阻力计算方法

天然气管道的设计不仅要考虑热定型机对天然气流量和压力的要求,而且还要考虑铺设天然气管道的材料及施工费用的问题,因为其建造费用一般要占到供气系统总投资很大的部分。所以,在满足热定型机对天然气需要量和燃气压力要求的条件下,设计选择天然气在管道中的合理流动速度或单位长度压力降[5],对于印染生产安全性和投资成本经济性具有重要意义。

由于天然气属于易燃、易爆气体,因此为了印染厂设备和操作人员的安全生产考虑,最好使用低压天然气,其管道材料最好采用钢管,这样能提高热定型机与操作工人的安全性。

4.1 天然气管道直径计算方法

天然气管道直径可根据天然气流量和选取的天然气流速来计算,设计选用天然气管道时,管道内的天然气实际流速不应大于25m/s。当选定其管道内的天然气允许流速后,可根据公式(1)计算天然气管道的直径。


式(1)中,

d——天然气管道的直径,m;

Q——天然气计算流量(标态),m3/h;

T——设计中所采用的天然气热力学温度,K;

ω——天然气允许流速,m/s;

P——设计中所采用的天然气绝对压力,MPa。

根据管道内允许天然气流速,确定管道直径必须经过验算,以校验定型机对天然气消耗量和天然气的终点压力,即评估热定型机安装处的天然气压力是否得到保证。如果天然气终点压力不能满足要求时,则必须将管道的直径予以增大,以减少天然气流动时的压力损失,从而保证热定型机安装处对天然气压力的要求。

4.2 天然气管道阻力计算方法

低压天然气在钢管内的单位长度压力降可按下列公式进行计算:

4.2.1 当雷诺数Re≤2100时,按公式(2)计算:


4.2.2 当雷诺数Re=2100~3500时,按公式(3)计算:


4.2.3 当雷诺数Re>3500时,按公式(4)计算:


4.2.4 雷诺数Re按公式(5)计算:


式(2)、式(3)、式(4)、式(5)中,

pm——天然气管道中的摩擦阻力损失,Pa;

l ——管道的计算长度,m;

Q——管道内的天然气计算流量,m3/h;

d——管道内径,mm;

ρ——天然气的密度,kg/m3

υ——天然气的运动粘度,m2/s;

ω——管道内的天然气流动速度,m/s。

4.2.5 附加静压头pf计算

由于天然气的密度一般是小于空气的密度,因此,在垂直安装的天然气管段中,随着天然气的上升,天然气的压力也会增加,所以,附加静压头pf可按式(6)计算:


式(6)中,

H——天然气上升高度,m;

ρ——天然气密度,kg/m3

g ——重力加速度,m/s2

4.2.6 天然气管道局部阻力pj计算

天然气沿管道流动时,除了天然气与钢管壁摩擦产生的摩擦阻力外,在管径变更、天然气流动方向改变、天然气流汇集或分流,以及天然气流经管道配件的时候,一般会产生局部阻力;因此,天然气管道局部阻力pj可按式(7)计算:

式(7)中,

ξ——局部阻力系数;

ω——天然气在管道内的流速,m/s;

ρ——天然气的密度,kg/m3

4.2.7 天然气管道的总阻力⊿p计算方法:

天然气沿管道流动时的总阻力⊿p按公式(8)计算:

式(8)中,

⊿p——管道内天然气流动时的总阻力,Pa;

pm——管道内天然气流动时的摩擦阻力损失,Pa;

pf ——由于天然气上升所产生的附加静压头,Pa;

pj ——管道内天然气流动时的局部阻力,Pa。

在计算低压天然气管道的垂直管段时,由于天然气和空气的密度差所引起的附加静压头pf较小,故可以忽略不计。

另外,在实际工程中设计计算天然气管道内流动的局部阻力pj时,燃气管道的局部阻力通常是取摩擦阻力损失pm的一个百分数,而不进行详细计算。所以,低压天然气在管道内流动时的局部阻力pj通常可按摩擦阻力损失pm的10%进行计算。

5.热定型机排放废气的余热回收利用

自从2021年5月至11月以来,由于“双控”政策的影响,限电停产,产能压缩,再加上受国际与国内多重因素的影响,市场煤炭价格持续上涨,出现了极其罕见的“电价蒸汽”轮番上涨的现象;并且随着天然气与水费价格的不断增长,导致印染企业的生产成本大幅度提高,印染产品竞争更加激烈。因此,余热回收利用逐渐得到了印染企业的高度重视和广泛应用,热定型机的排放热废气进行余热回收利用是节能降耗的重要途径。

热定型机在染整生产过程中有大量的废气排放,废气中含有热量、油烟、颗粒物、毛絮、各种染料及助剂等,并还具有高温与高湿的特点,热定型机排放废气温度在160℃~180℃之间,考虑废气排放的油烟等处理过程,换热后的废气温度也不能太低,一般应大于80℃。

热定型机排放出来的废气首先经过安全防火阀,再进入自动过滤系统,把废气中的纤维杂物拦截下来。并采用废气与空气换热方式或者废气与冷水换热方式,使用真空热管换热器或其他热交换器,把热定型机排出的高温废气中的部分热能进行热交换转移到清洁空气或干净水中,然后将热交换产生的清洁热空气或干净热水应用到印染生产和日常生活中。

废气与空气换热方式是采用真空热管换热器或其他换热器,利用热定型机烘箱排放出的高温废气,加热新鲜空气,然后将新鲜空气回用到热定型机中的循环生产方式。废气与冷水换热方式一般是集中式加热方法,也就是将多台热定型机的不同烘箱排放废气管道都汇总到一个主管道中,再进入集中式余热回收利用装置内[6],加热进入热交换器中的新鲜水,加热后的新鲜水被泵输送到使用热水的印染设备或生活设施中。

6.结语

在采用拉幅定型机对涤纶布进行定型整理的过程中,一般是将定型温度控制在170℃~200℃之间,定型速度为每分钟20~28米。另外,在对涤纶波比布进行定型整理的过程中,一定要合理控制好拉幅定型机的定型温度,同时还要考虑到布料的中、边厚薄,机速调慢,一般是分两次拉,其原因是分两次拉就可以降低中、边厚薄差。

而对于锦纶胚布在采用拉幅定型机进行定型整理的过程中,应当将定型温度保持在160℃~180℃之间,定型速度应当控制在每分钟20~25米之间;同时还必须要合理控制拉幅定型机的定型温度,这是因为定型温度高低对颜色变化很大,特别是紫色或粉兰,因而必须要留意处理前与处理后的颜色是否相同。

此外,还要注意锦纶面料的厚薄不同,那么其缩水率大小也不同。锦纶面料定型很容易勾纱,如果定型出现一条到头的勾纱,应立刻停机,检查机头与机尾、风箱、滚筒,采用砂纸打磨或垫布。

天然气直燃式热风加热定型机的设备制造费用较低,燃烧控制采用自动点火、火焰检验、熄火保护,开车点火和停机操作方便,热定型机各节烘箱内的空气温度加热速度快,开机升温时间仅需要10分钟左右,天然气燃烧产生的热量损失较小,热效率可达到95%以上,无灰渣产生,释放的粉尘和SO2的排放量较少,故有利于环境保护,同时还可提高印染生产效率,节约了能源。

另外,采用天然气直燃式热风加热定型机的能源消耗很低,这是因为热定型机采用天然气直燃式热风烘干定型整理时,天然气燃烧释放的热能没有经过多次的热量交换过程,而是直接进入热定型机各节烘箱内烘干定型整理,所以热能利用效率最高。

 

参考文献:

[1]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.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃天然气导热油炉的设计开发[J].工业炉,2019,41(2):41-45.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等.天然气热风炉与燃烧器在热定形机中的应用[J].染整技术,2021,43(1):53-57.

[4]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热定型机采用天然气或中压蒸汽供热方式研究[A].第十三届广东纺织助剂行业年会论文集[C],广东佛山,2021年9月;108-114.

[5]汪琦.新型间接式热风炉的设计开发[J].化工装备技术, 2001,22(2):15-17.

[6]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热载体加热炉结构与节能减排措施的研究[J].上海节能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

 

 

作者简介:

汪琦,硕士,高级工程师,长期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、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。

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