清洁环保供热设备在干燥加热系统中的应用


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:介绍了在干燥加热系统中采用的清洁环保供热设备,燃天然气直接式热风炉、燃天然气间接式热风炉、燃天然气导热油炉、燃生物质导热油炉、集中供热蒸汽、电加热装置、太阳能干燥装置,分析了燃天然气直接式热风炉与间接式热风炉的结构特点和使用方法,研究了燃天然气导热油炉与燃生物质导热油炉的结构型式和燃烧特性,讨论了中低压蒸汽通过翅片散热器的供热方法,探讨了电加热装置的供热方式,总结了太阳能干燥装置的结构制作和安装方法。

关键词:清洁环保供热;热风炉;导热油炉;蒸汽供热;电加热装置;太阳能干燥


前  言

在气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、塔式干燥、隧道干燥以及回转干燥等过程中,需要采用清洁环保的供热设备,因为被干燥湿物料中的水分主要是借助于输入的热风来传递热量以及蒸发水分;所以,供热设备输入热风的生成方式应与干燥物料的性质、成品质量要求、干燥工艺以及燃料供应条件有关。

另外,还需要结合清洁环保供热设备的投资费用及操作运行成本、自动化控制等各方面的因素进行综合考虑,从而合理地选择清洁环保供热设备及其供热方法。在干燥加热系统中采用的清洁环保供热设备类型如下:燃天然气直接式热风炉、燃天然气间接式热风炉、燃天然气导热油炉、燃生物质导热油炉、集中供热蒸汽、电加热装置、太阳能干燥装置。

清洁环保的间接式加热装置在干燥系统中,是将热烟气、导热油、蒸汽等作为热载体,通过翅片散热器、层板式加热器、多头导向螺旋槽管换热器等金属壁的传热来加热空气,使其变成无污染的清洁干净热风,从而可对湿物料进行干燥。目前广泛应用在干燥系统中的间接式加热装置有如下几种类型:烟道气间接式加热装置、导热油间接式加热装置、蒸汽间接式加热装置、电加热装置、太阳能干燥装置。

1.天然气热风炉供热

1.1 燃天然气直接式热风炉供热

燃天然气直接式热风炉就是采用天然气直接燃烧形成的烟道气热风作为供热源,烟道气热风直接进入干燥器内,烟气温度可以达到800℃,烟道气热风将直接与被干燥的湿物料相互接触进行加热干燥,气化湿物料中的水分。所以,燃天然气直接式热风炉也是属于清洁环保的供热设备。

直接式热风炉中的天然气经过燃烧反应后得到的高温燃烧气体进一步与外界空气接触,混合到干燥工艺所要求的干燥温度后,再被鼓风机压入(或被引风机吸入)干燥室内,与被干燥的湿物料相互接触,加热及蒸发湿物料中的水分,从而获得干燥产品。所以,直接式热风炉的天然气消耗量是最为节省,炉子成本也较低,热损失较小,热效率非常高。

因此,在不影响到干燥产品的清洁度质量指标的情况下,可以尽量选择使用燃天然气直接式热风炉作为干燥系统中的供热设备。

燃天然气直接式热风炉是由天然气燃烧器和炉体组成,炉体是一个钢质结构的内、外双层壳体,内壳体中砌筑内衬,内衬由耐火浇注料砌筑或是采用耐高温不定形材料现场浇筑而成,内衬用于隔热并保护钢质内壳体,内衬中的炉膛是天然气的燃烧室,为了保持炉膛部件的坚固性,可采用钢筋加固件来加固。

在内壳体与外壳体之间的夹层是冷却风通道,由急冷风机供给的冷却风经此风道与炉膛内的高温烟气流汇合,混合后的烟气热风经过热风管道进入干燥室内,对湿物料进行干燥。起冷却风均匀流动作用的环形孔板和内壳体是采用耐热钢制作,在外壳体和外包装镀锌铁皮之间,均有较厚的轻型隔热材料。而在内壳体与外壳体之间,设置有冷空气通道是为了降低炉膛砌体的工作温度,延长其使用寿命,同时也可以降低隔热层的外表面温度,减少炉体的散热损失[1]

燃天然气直接式热风炉在天然气燃烧时,最需要注意的安全事故是防止爆炸和天然气中毒,因此在燃天然气直接式热风炉使用运行时,必须要注意如下的操作步骤:

(1)点火前与灭火后的清理;

(2)燃烧过程中的火焰观察;

(3)开车时必须先开启引风机或助燃风机后,再打开天然气供给阀门;停炉时必须先关闭天然气供给阀门,然后再关停引风机或助燃风机。

1.2 燃天然气间接式热风炉供热

燃天然气间接式热风炉能够提供无污染、清洁的热空气,主要适用于被干燥物料不允许被污染或应用于温度较低的热敏性物料干燥,例如:奶粉、制药、食品、合成树脂、精细化工等物料的干燥。燃天然气间接式热风炉通常是采用套筒型或列管型的结构形式,应属于间接式加热装置,因此,燃天然气间接式热风炉应该是清洁环保供热设备。燃天然气间接式套筒型热风炉结构是由炉膛和套筒型换热器组成,并且是将炉膛和套筒换热器结合为一体,从而将燃烧与换热结合为一体,采用了炉体高温部位进行换热的间接式加热方法。

所以,燃天然气间接式套筒型热风炉的烟气与空气是各走各自的通道,在加热过程中绝对无污染,并且炉子的热效率较高、升温速度快、炉子体积小、安装方便、操作容易、使用寿命较长。另外,炉子输出的干净热风最高温度可达到300℃以上。

同时,燃天然气间接式套筒型热风炉还采用了烟气纵向冲刷散热片和负压吸抽式的排烟方法,使换热部位不容易积灰,无需清理换热表面,而且其换热性能还非常稳定[2];但是这种结构的炉子也存在与炉膛直接接触的换热器顶端盖板容易烧穿以及不易修复等缺点。

燃天然气间接式列管型热风炉结构是由炉膛和列管型换热器组成,天然气燃烧产生的烟气通过列管型换热器的管子与干净空气进行热交换,烟气的热量通过管壁传递到温度相对较低的空气(热风)一侧,从而实现对空气的加热。

由于间接式列管型热风炉中存在着每根换热管的热负荷不均匀的情况,特别是被火焰直接烧烤的换热管、或是与火焰接触的换热管。所以,被火焰直接烧烤或与火焰接触的换热管使用寿命非常短暂,需要经常维修和更换新的换热管。另外,烟气侧的换热管表面也是非常容易结垢,并且不容易清洗,从而会影响到换热管的传热效果、降低了炉子的热效率。

综上所述,燃天然气间接式列管型热风炉的优点是热效率较高、升温速度快、加工制造容易、操作方便;缺点是体积较大、造价偏高。

在燃天然气间接式热风炉的结构设计开发时,如果能够采用高温板式换热器和低温管式换热器有机地组合在一起,则炉子的换热效果会更好、使用寿命会更长、制造成本会更低。由于高温板式换热器和低温管式换热器采用了不同的换热形式,如果能够将两者组合起来,则将使得炉子的总体换热器设计更为合理,整个系统的能源利用率更高。

如果再配备完整的自动控制系统,则使其操作简单、控制灵敏,炉子输出的干净热风温度可控制在设定温度值的±5℃范围内,并且其换热性能非常稳定。通过配冷风又可以灵活调节输出的干净热风工作温度;另外,输出的干净热风最高温度可达到450℃,同时炉子的使用寿命也是比较长。

2.导热油炉循环供热

清洁环保型的导热油炉循环供热方法是采用清洁能源如天然气或生物质燃料,将导热油作为热载体,采用循环油泵强制液相循环,将导热油炉输出的高温导热油送入翅片换热器内,用来加热空气变为干净的热风,用于湿物料的干燥。而经过换热之后的低温导热油则重新返回导热油炉内被继续加热升温,周而复始,从而实现导热油炉循环供热。

所以,当干燥装置中所需要的热空气温度为160℃~300℃时,可以采用循环导热油间接加热空气变成为干净的热风,再对湿物料进行干燥,从而使得干燥效率最好、节能效果最佳。

2.1 燃天然气导热油炉循环供热

燃天然气导热油炉是由全自动天然气燃烧器、炉本体、烟箱、保温层、内圆筒壳体、外圆筒壳体、烟气余热回收装置、支承底座等组件构成。炉本体采用圆形盘管结构,盘管束组件是由内圈盘管、中圈盘管、外圈盘管三个同心圆形盘管圈组成。

内圈盘管的内侧表面是辐射受热面,内圈盘管的外侧表面、中圈盘管以及外圈盘管的内侧表面构成对流受热面。内圈盘管包围的圆柱形空间是辐射燃烧室,天然气在辐射燃烧室内燃烧放出热量后,对辐射受热面进行辐射换热;流出辐射燃烧室的高温烟气依次进入内圈盘管与中圈盘管,以及中圈盘管与外圈盘管之间的烟气通道,该烟气通道属于烟气对流室,烟气在对流室内经过两个回程的对流换热后,低温烟气由炉体尾部进入烟气余热回收装置,最后引至烟囱排出[3]

全自动天然气燃烧器是由燃烧器本体和燃气阀门组两大部分组成,燃烧器本体主要包括风机-电机组、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、天然气喷嘴、稳焰器等部件;燃气阀门组主要包括手动阀、安全阀、调节阀、天然气过滤器、连接管道等部件。

燃烧器本体上风门电动调节与燃气阀门组中调节器组成了燃烧器的天然气/空气按比例调节系统,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[4]

2.2 燃生物质导热油炉循环供热

生物质燃料的特点是水分高、灰分小、挥发分高、发热值偏低、形状不规则,除了一些农产品果实的外壳(稻壳、核桃壳、花生壳等)和果核(玉米芯、桃子核等)可直接燃烧外,其他的生物质燃料例如麦秆、稻草、树枝等,在燃烧之前必须经过特殊处理,以便能够在燃烧装置上均匀布置生物质燃料,并且保证在炉膛内能够均匀地进行燃烧。

秸秆、谷壳、木屑等生物质原料经过粉碎后,把具有一定粒度的生物质原料,在一定压力作用下,并且采用加热或者不加热的状态下,可以制作成棒状、粒状、块状等各种成形生物质燃料,目前生物质致密成型工艺有常温压缩成型、热压成型、炭化成型三种主要形式。生物质原料经过挤压成型后,密度可达到1.1~1.4t/m3,能量密度与中质煤相当,生物质致密成型颗粒的燃烧特性好、火力持久、黑烟少,炉膛温度较高,而且便于运输和储存。

燃生物质导热油炉结构是由卧式方箱形炉体和往复炉排组成,炉体内辐射受热面是由直径相同的数根炉管密集盘卷而成的螺旋长方形盘管,不仅密封性能较好、炉体保温隔热材料用量也较少,而且还能够与往复炉排燃烧装置相匹配;对流受热面采用多组蛇形管片结构,并在炉顶布置多根炉顶棚管,组成了炉顶受热面。

炉管辐射受热面、炉管对流受热面、炉顶受热面和导热油进、出口集箱互相连接,从而构成了炉本体的整体支撑框架。同时在燃烧系统中配备二次风结构,二次风量约占总风量的30%,从而在生物质燃烧过程中起到了关键作用。

二次风旋流搅拌炉膛内空气和烟气使之混合,并使炉膛内烟气产生漩涡,延长悬浮飞灰及飞灰可燃物在炉膛内的行程,使飞灰量和飞灰可燃物进一步降低。另外,二次风对炉膛内悬浮可燃物,提供了新鲜空气,从而有利于提高生物质导热油炉的热效率,降低初始排烟浓度[5]

3.中低压蒸汽供热

热定型机根据面料的不同,染整工艺温度会有较大跨度的不同,因此采用中低压两用蒸汽供热节能改造,低温时采用低压蒸汽,高温时使用中压蒸汽[6]。而使用低压蒸汽供热有叁个优点,第一个优点是利用每吨低压蒸汽与中压蒸汽热焓值相差不大的原理,采用低压蒸汽供热的价格较为便宜。所以,低温时使用低压蒸汽供热可以大大节省成本;第二个优点是低压蒸汽对阀门与散热器的冲刷破坏较轻,从而可以大大延长供热设备的使用寿命;第三个优点是低压蒸汽在进行低温供热时要比中压蒸汽温度更加稳定可靠。

中低压蒸汽供热是以集中供热蒸汽为热源,利用列管式换热器加热空气变成干净的热风,用于湿物料的干燥,供热低压蒸汽的压力一般不超过0.8个MPa,列管式换热器产生的热风温度在160℃以下。

热电厂集中供热中低压蒸汽的优点是清洁环保,不需要蒸汽锅炉或蒸汽发生器,设备及管道成本也不太高,并且不需要建造锅炉房。干燥装置中常用的蒸汽散热器有叶片式和螺旋形翅片式,蒸汽散热器的材料有钢管和紫铜管两种,在干燥装置设计选型时应优先考虑使用钢管绕螺旋钢翅片式或钢管外面缠绕铝翅片。

因为钢管绕螺旋翅片的制造是采用机械绕片,其优点是散热翅片牢固、散热面积大、传热系数高、空气通过的流动阻力较小。另外,在干燥装置上使用的蒸汽散热器,一般是将几组串联排列而成。

目前散热排管式的散热器已经标准化了,其优点是换热性能良好稳定、重量轻、外形比较美观、安装方便、经久耐用。所以,在设计选择时可以根据干燥过程中需要的温度、耗热量和空气流入的速度计算出必要的散热面积,然后再选用标准型的蒸汽散热器。

印花后烘干要求快与透,因为雕白粉在潮湿的空气条件下易分解,根据烘燥温度影响雕白粉的分解情况,烘燥温度以110℃左右为好。烘干后应透风冷却再落布,并尽快汽蒸。印花布的汽蒸在还原蒸化机中进行,这个过程使得雕白粉分解,充分发挥还原作用,使地色分解破坏,使着色染料溶解扩散进入纤维内部。蒸化温度为102℃~105℃,时间为7~8min,以隔绝空气操作为好,空气含量小于0.3%,而为了保持蒸箱内湿度,一般都采用蒸箱底部存水蒸化。

4.电加热装置供热

电加热装置是由电热元件和加热箱体两部分构成,电加热装置是通过电热元件如电阻丝、电热棒、碳化硅棒或远红外辐射元件等,将电能转变成为热能,加热空气变成为干净热风,用于湿物料的干燥过程[7]。电热元件的表面温度应低于400℃,电加热器适用于环境温度范围是:-30℃~+40℃,湿度小于90%的无爆炸性、无腐蚀性的空气加热风管系统中。

电加热器主要特点是:使用方便、无环境污染、结构简单、制作容易、设备成本低、输出的干净热风温度的控制精度较高,可以达到±0.5℃。选用电加热器时,一般要按照加热空气的温差为5℃~10℃来考虑。当温差较大时,宜选用排数多的电热元件或多级串联使用;当温差较小时,宜选用电热元件的数量少。

电热元件的最高工作温度是360℃,工作电压不得超过额定值的10%,排列均为错列布置在风管中,一般分为3、4、5排,风管中空气通过电加热器的风速一般在8~12m/s,风管的周围应该保温。电接头应放在保温层的外部,并且加热箱体外壳应有接地装置。

5.太阳能干燥装置

太阳能空气集热器是太阳能干燥装置的主要部件,是将太阳能转化成热能的装置,一般是由吸热体、盖板、保温层和外壳构成。太阳辐射能转换为热能主要在吸热体上进行,吸热体由对太阳辐射高吸引率的材料制成或覆盖了高吸引性能的材料[8]

当白天阳光辐射好的时候,吸热体吸收太阳辐射,将太阳辐射能转换成自身的热能,从而使得吸热体自身温度升高。当室外冷空气流动经过吸热体时,通过对流换热的方式,加热冷空气变为干净热风,用于湿物料的干燥。另外,仅有很少部分吸热体上的能量通过辐射换热的方式进入空气中。

太阳能加热卷面或挂面的干燥装置是由太阳能空气集热器和干燥室组成,太阳能空气集热器的吸热体是采用车床切削加工机械零部件的废料铁刨花,吸热体由东向西倾斜放置。两个长度为7m、宽度为3m的太阳能空气集热器并联排列为一个阵列,总共配置有两个阵列,太阳能空气集热器的总采光面积为84m2

干燥室是由4间体积为5.0×3.3×3m的房间组成,每间干燥室内均装有3台吊扇。湿的卷面或挂面放在吊扇下的支架上,送风机把来自太阳能空气集热器的热空气送入干燥室,吊扇再将热空气向下吹送,使热空气通过支架上的湿卷面或挂面,并加热湿卷面或挂面进行干燥。

另外,在与输送热风进口位置相对应的墙壁下方安装有两台排湿用的轴流风扇。采用太阳能干燥装置的供热方法,干燥卷面或挂面的时间一般不会超过6h,最短的干燥时间为2.5h,干燥后的卷面或挂面的品质良好、卫生指标很高。

在太阳能加热卷面或挂面的干燥系统中,太阳能空气集热器与干燥室是分开布置的,并通过送风管道和送风机相互连接起来。采用太阳能空气集热器与干燥室分开布置可使干燥系统的安装方便、移动灵活;同时还使太阳能空气集热器的结构设计更加灵活,太阳能集热器的位置和角度调节也更为方便;并且单独布置的干燥室还有利于加强保温,避免太阳光的直接曝晒。

6.结束语

涤纶、尼龙、腈纶等合成纤维及其混纺交织、针织物以及含氨纶弹性针织物的热定型工序安排有预热定型、后热定型两种形式。预热定型是指对坯布进行的预热定型和对已经过松弛、练漂后但还未染色、印花的半制品进行的热定型。

后热定型是以保证染整厂终端产品实现良好尺寸稳定性和克服前面加工过程中出现的不良现象为目的整理。热定型会改变涤纶、尼龙等合成纤维的晶态结构,涤纶纤维热定型前和热定型后的晶态结构变化。纤维微结构的变化,必然会改变纤维的染色性能。

正常的预热定型,大多会使纤维的得色量降低。但如果不经过预热定型,织物在练漂、染色过程中不易产生尺寸变化过大和布面褶皱等现象,或即便产生但经过后整理完全能得到克服,则不必进行预热定型。预热定型机的相关配置单元包括浸轧机、预烘机。

随着国家环境保护税法从2018年1月1日起开始执行,根据该项法律,应税大气污染物的税额幅度为每污染当量1.2元至12元,水污染物的税额幅度为每污染当量1.4至14元。具体税额是由各地在法定税额幅度内确定,环境保护的税额标准相对较高的地方有:北京、上海、天津、河北、山东等地。所以,在干燥加热系统中需要采用清洁环保供热设备输出的干净热风,用于加热干燥湿物料、气化湿物料中的水分。

清洁环保供热设备包括如下几种类型:燃天然气直接式热风炉、燃天然气间接式热风炉、燃天然气导热油炉、燃生物质导热油炉、集中供热蒸汽、电加热装置、太阳能加热干燥装置。

以上这些供热设备都可以提供干净热风,即在干燥加热系统运行过程中,干净的冷空气预先被清洁环保供热设备加热后,输出干净热风再被送入干燥器内,干净的热风将热量传递给湿物料,气化湿物料中的水分,形成了水蒸汽,并随着干燥完成以后的低温废气排出干燥装置。

湿物料经过加热干燥后,能够除去物料中的结合水分,从而可达到干燥工艺上所要求的含水量标准;同时干燥装置排放出的低温废气也可达到环保要求的指标。

 

参考文献:

[1]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.

[2]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.

[3]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.

[4]汪琦,张慧芬,俞红啸等.天然气与废气混烧型导热油炉在热定形机中的应用[J].染整技术,2022,44(1):21-23,61.

[5]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃生物质颗粒燃料导热油炉的研究开发[J].化工装备技术,2017,38(3):26-30.

[6]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.

[7]汪琦,张慧芬,俞红啸等.电加热定形机与远红外线辐射器加热定形机的研究[J].染整技术,2022,44(3):40-42.

[8]汪琦,张慧芬,俞红啸等.太阳能光热供水节能减排系统的研究[J].上海节能,2019,No.12(第12期):980-984.

 

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、焚烧炉、联苯炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。

手  机:13311629783    13817605032

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