張振中

上海艾克森股份有限公司

0 白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)余熱回收簡介

白炭黑是微細(xì)粉末狀或超細(xì)粒子狀無水及含水SiO2或硅酸鹽類的總稱，其SiO2含量大于90%,粒徑一般為5～40 nm，表面含有較多羥基，易與水形成氫鍵，從而聚集成細(xì)粒，具有多孔性、不溶于水和酸、高分散性等特性，廣泛應(yīng)用于橡膠、輪胎、制鞋等領(lǐng)域［3］。

據(jù)統(tǒng)計，2020年我國白炭黑產(chǎn)量202.4萬t，白炭黑干燥過程中需消耗大量的熱量，圖1 為無余熱回收的白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)圖［4］。

圖1 無余熱回收白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)圖

如圖所示，鼓風(fēng)機(jī)鼓入常溫助燃空氣與天然氣在熱風(fēng)爐內(nèi)燃燒，燃燒后的煙氣溫度達(dá)500 ℃左右，然后進(jìn)入干燥塔干燥白炭黑，干燥后的濕熱尾氣通過袋式除塵器過濾，再由引風(fēng)機(jī)排至大氣。這部分尾氣溫度高達(dá)70～120 ℃，含有大量的熱量，直接排放造成了能量損失。為此，增加氣氣不銹鋼板式換熱器來回收尾氣，用以提高助燃空氣溫度達(dá)到節(jié)約天然氣的目的。增加不銹鋼板式換熱器后的白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 增加不銹鋼板式換熱器后的白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)圖

1 氣氣不銹鋼板式換熱器的結(jié)構(gòu)及工作原理

氣氣不銹鋼板式換熱器是由一系列金屬板片疊加焊接而成，板片之間為薄矩形通道，濕熱尾氣和常溫空氣流經(jīng)相鄰?fù)ǖ?，采用逆流或錯流進(jìn)行換熱，是一種高效的換熱裝置。板式換熱器對干燥系統(tǒng)中排出的濕熱尾氣進(jìn)行降溫和除濕，并對常溫空氣預(yù)熱，使尾氣的熱量被充分利用。

氣氣不銹鋼板式換熱器主要由框架、換熱板片、風(fēng)道等組成。

整機(jī)框架采用碳鋼制作，用于固定和支撐換熱器。換熱器內(nèi)部與濕熱尾氣接觸部分及排水部分采用不銹鋼材料。

換熱板片采用0.6～1.2 mm 的不銹鋼，通過液壓機(jī)一次壓制成型，形成人字波紋或球形鼓泡板片。板片與板片間形成間隔式風(fēng)道腔體，一側(cè)通冷風(fēng)，一側(cè)通濕熱尾氣。為保證板片間冷熱氣體互不串氣，要求板片整張制作，壓制后無裂紋。板片通道設(shè)置內(nèi)支撐，防止氣體壓力導(dǎo)致通道變形。板片焊接完成后要進(jìn)行氣密性試驗，保證泄漏率為零。板式換熱器換熱組件見圖3。

圖3 板式換熱器換熱組件

濕熱尾氣經(jīng)過換熱后溫度降低，會有一部分冷卻水析出，故需設(shè)置排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)設(shè)在低處，以便冷卻水的及時排出，保證系統(tǒng)的安全運行。

由于濕熱尾氣溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，為防止熱量損失及對操作人員的燙傷，換熱器需安裝保溫材料，使其表面溫度不高于環(huán)境溫度20 ℃，且熱損失不高于5%。

干燥系統(tǒng)運行過程中，濕熱尾氣含有一定量的白炭黑粉末，且隨著除塵器濾袋可能的破損，尾氣中白炭黑粉末會增多，長期運行會堵塞板式換熱器通道，降低換熱效果，增加風(fēng)機(jī)負(fù)荷，為此需對尾氣側(cè)除塵清灰。為保證清灰的高效便捷，在尾氣進(jìn)口處設(shè)置了自動噴淋裝置，噴淋面完全覆蓋尾氣進(jìn)口通道。噴淋裝置外接水壓保證的市政自來水，在進(jìn)水口處設(shè)置電磁閥，濕熱尾氣進(jìn)出口處安裝壓差傳感器監(jiān)測尾氣進(jìn)出口壓差。當(dāng)尾氣壓差大于設(shè)定值時，電磁閥開啟，噴淋水對通道進(jìn)行沖洗。當(dāng)差值恢復(fù)到正常值時，電磁閥關(guān)閉，噴淋停止，噴淋廢水通過底部排水系統(tǒng)及時排出。

由于干燥系統(tǒng)占用空間較大，如是改造項目，氣氣板式換熱器的外形尺寸和接口方位需與系統(tǒng)現(xiàn)有場地及配管相配。板式換熱器緊湊高效的特點使其容易做到，且板式換熱器的接口方位也可根據(jù)現(xiàn)場實際情況制作。板式換熱器接口形式見圖4。

圖4 板式換熱器接口形式

2 板式換熱器的特點

不銹鋼板式換熱器板片經(jīng)特殊處理，具有傳熱系數(shù)高、阻力小的特點，其應(yīng)用工況溫度可從常溫到700 ℃。換熱組件整體彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服了高溫環(huán)境下材料熱應(yīng)力導(dǎo)致的損壞，使設(shè)備安全可靠運行。

根據(jù)不同工況非標(biāo)設(shè)計，設(shè)備采用全焊接形式。制作過程嚴(yán)格控制，多道試壓工序，保證了設(shè)備長期使用無泄漏。

根據(jù)工藝和安裝要求定制的換熱器，性能有保障：

1）設(shè)備保溫為內(nèi)保溫防燙設(shè)計，戶外防雨設(shè)計，安裝場地采用不銹鋼保溫外護(hù)板，整潔美觀。

2）設(shè)備重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積換熱面積可達(dá)60 m2。

3）模塊化設(shè)計制造工期短，安裝方便。

4）設(shè)備投資小、見效快，投資回收期一般不超過12個月。

3 氣氣板式換熱器的應(yīng)用

該板式換熱器已在浙江新納新材料有限公司應(yīng)用成功，其設(shè)計風(fēng)量為38 000 Nm3/h,換熱面積1 300 m2，尾氣進(jìn)口溫度70～120 ℃。對一臺不銹鋼氣氣板式換熱器一年三個時間點的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測和分析（見表1）。

表1 換熱器運行數(shù)據(jù)表

由于氣候、天氣等原因，板式換熱器冷側(cè)空氣進(jìn)口溫度、物料產(chǎn)量及含濕量、尾氣進(jìn)口溫度和含濕量不同，這些因素影響了板式換熱器尾氣出口溫度和空氣預(yù)熱后的溫度。

綜合表1 數(shù)據(jù)，計算單位小時平均換熱量=(436+492+392）/3=440 kW。

按年平均運行300 d計算，每天24 h連續(xù)運行，則年回收熱量Q=300x24 x 440=3 168 000 kW。

按天然氣熱值1 m3熱值8 800 kcal/h 折算，每年節(jié)約天然氣量=年回收熱量/單位體積天然氣熱值=3 168 000x1 000/1.163/8 800=309 544 m3。

綜上所述，一臺氣氣不銹鋼板式換熱器一年可節(jié)約30萬m3天然氣。

理論上1 m3天然氣燃燒大約產(chǎn)生1.9 kg 的CO2，按年節(jié)約30 萬m3天然氣計算，可少向大氣排放570 tCO2。

不銹鋼換熱器運行壽命可達(dá)10年以上，可為企業(yè)節(jié)約數(shù)百萬元的天然氣費用，在降低生產(chǎn)成本的同時，提高了系統(tǒng)熱效率，還減少了碳排放。

4 結(jié)語

板式換熱器經(jīng)過100 多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于化工、輕工、石油、電力等工業(yè)，但在白炭黑閃蒸干燥系統(tǒng)中應(yīng)用不多，這與人們對板式換熱器的了解、使用習(xí)慣及產(chǎn)品的水平有關(guān)。 隨著板式換熱器在氣氣換熱方面的研究，市場推廣及應(yīng)用不斷擴(kuò)大，為碳達(dá)峰目標(biāo)貢獻(xiàn)了一份力量。