寧媛松，霍達(dá)，王珂，張仲陽

(1.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120； 2.北京思靈機(jī)器人科技有限責(zé)任公司，北京 100192)

雙向拉伸聚酯(BOPET)薄膜具有力學(xué)強(qiáng)度高、光學(xué)性能好、使用溫度廣、阻隔性優(yōu)良、耐油、耐腐蝕等特點(diǎn)[1-2]。因其優(yōu)良的綜合性能，BOPET薄膜在包裝、印刷、復(fù)合、真空鍍鋁等方面的應(yīng)用最為普遍。雙向拉伸薄膜的制備主要使用平膜拉伸法，平膜拉伸法又分為同步拉伸、分步拉伸兩種方法[3-4]。兩種方法在薄膜拉伸領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。在薄膜拉伸過程中，薄膜的結(jié)晶、定向程度以及均勻性完全依靠溫度控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此熱歷程是決定拉伸薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。烘箱熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)作為薄膜熱歷程的關(guān)鍵設(shè)備，直接對薄膜進(jìn)行加熱，其熱效率、溫度與傳熱的均勻性控制成為拉伸薄膜領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前BOPET薄膜生產(chǎn)線的烘箱熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，主要采用電加熱、油加熱兩種加熱方式，其熱源分別是電阻加熱器以及導(dǎo)熱油加熱器，前者通過電阻絲通電發(fā)熱，后者則通過循環(huán)熱油進(jìn)行熱交換[5-6]。采用電加熱方式需要消耗大量電能，通常一條采用電加熱方式的BOPET薄膜生產(chǎn)線的能耗大部分集中于熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。導(dǎo)熱油加熱，盡管解決了電耗的問題，但是需要增加燃煤或燃油鍋爐、熱油泵、熱交換器等相關(guān)設(shè)備，總體熱效率僅為60%～70%左右，另外鍋爐工作過程中，產(chǎn)生大量二氧化硫、煙塵、氮氧化合物等有害物質(zhì)，熱油管道的泄漏、臟污等也會對正常生產(chǎn)造成影響。

天然氣的主要成分是CH4，屬于清潔能源。天然氣直燃熱風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用在紡織印染行業(yè)[7]、精密涂布行業(yè)。目前在BOPET薄膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用較少，為響應(yīng)行業(yè)節(jié)能降耗、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的號召，筆者基于某寬幅BOPET薄膜生產(chǎn)線的天然氣改造項(xiàng)目，針對天然氣直燃系統(tǒng)在BOPET薄膜生產(chǎn)線中的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的探索研究。

1 經(jīng)濟(jì)性對比

基于某寬幅BOPET薄膜生產(chǎn)線改造項(xiàng)目，原生產(chǎn)線采用電加熱方式，按照天然氣95%燃燒效率將電功率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)每小時(shí)天然氣消耗量，見表1。天然氣燃燒熱值為8 000 kcal/m3。

表1 電功率折合天然氣耗用量

當(dāng)前工業(yè)用電高峰期電價(jià)1.025元/度，生產(chǎn)線所在地工業(yè)用天然氣價(jià)格為4.69元/m3，進(jìn)行成本核算，該生產(chǎn)線每小時(shí)用電成本為297元，對應(yīng)天然氣成本為146元。因此采用天然氣替換電加熱成本節(jié)約50%。

2 天然氣直燃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)風(fēng)溫度計(jì)算

BOPET薄膜生產(chǎn)線熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，通常由循環(huán)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)室、熱源、靜壓箱等幾部分組成[8-10]，通過對其工作過程進(jìn)行分析[11]，最終將熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的工作過程簡化為簡單的混風(fēng)過程，如圖1所示。

圖1 電加熱系統(tǒng)簡化示意圖

天然氣直燃系統(tǒng)，即將天然氣燃燒器(如圖2所示)的燃燒端直接布置在風(fēng)道內(nèi)，通過天然氣的燃燒對風(fēng)道內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱。由于天然氣的燃燒產(chǎn)生二氧化碳、水以及極少量的二氧化硫，通過過濾器的過濾其中的二氧化硫不會對薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響，因天然氣直燃系統(tǒng)避免了換熱系統(tǒng)帶來的低效率[12]，同時(shí)不會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖2 天然氣燃燒器

原生產(chǎn)線電加熱系統(tǒng)通過直接在烘箱內(nèi)部對回風(fēng)進(jìn)行加熱，再與補(bǔ)風(fēng)進(jìn)行混合，若采用天然氣直燃系統(tǒng)替換原有電加熱系統(tǒng)，天然氣系統(tǒng)不能直接在烘箱內(nèi)燃燒，需要布置在烘箱外部的進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)，因此選擇將天然氣燃燒系統(tǒng)布置在補(bǔ)風(fēng)管道上對補(bǔ)風(fēng)進(jìn)行加熱來達(dá)到升溫的目的，如圖3所示。

圖3 天然氣直燃系統(tǒng)簡化示意圖

綜上天然氣直燃系統(tǒng)能否滿足使用要求關(guān)鍵在于能否使補(bǔ)風(fēng)溫度達(dá)到要求，與回風(fēng)進(jìn)行混合后使得靜壓箱吹出的熱風(fēng)達(dá)到工藝溫度。

首先，需根據(jù)能量公式進(jìn)行簡化計(jì)算，能量公式為：

式中：Q為總能量；C為比熱容；m為質(zhì)量；Δt為溫度變化。

則上述混風(fēng)過程的能量公式簡化為：

式中：T0為膜面溫度即工藝溫度，T1為回風(fēng)溫度，T2為補(bǔ)風(fēng)溫度；L0，L1，L2分別對應(yīng)T0，T1，T2溫度下的體積流量。

等質(zhì)量的低溫和高溫空氣體積(體積流量)不同，其不同溫度下體積流量可根據(jù)式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

僅從體積流量角度考慮，則L1，L2進(jìn)行混風(fēng)，均應(yīng)轉(zhuǎn)換為相同溫度下(這里選擇0℃)的體積流量加和后再轉(zhuǎn)換為T0溫度下的體積流量L0。

則將L0帶入混風(fēng)能量公式得：

進(jìn)一步推導(dǎo)簡化：

式中：T0’=T0+273,T1’=T1+273

2.2 天然氣燃燒溫度計(jì)算

原電加熱生產(chǎn)線正常生產(chǎn)情況下：

L1=16 140 m3/h；L2=250 m3/h；

T0=220 ℃(溫度傳感器顯示溫度，亦即工藝溫度)；

T1=203 ℃(溫度傳感器顯示溫度)；

改為天然氣直燃系統(tǒng)加熱方案后計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 天然氣加熱補(bǔ)風(fēng)計(jì)算結(jié)果

天然氣加熱需將補(bǔ)風(fēng)溫度加熱至2 000 ℃以上，實(shí)際天然氣加熱火焰焰心溫度最高僅600 ℃，且風(fēng)道金屬材料以及管道保溫材料的耐溫最高為400 ℃，現(xiàn)有條件下天然氣直燃系統(tǒng)不能滿足使用要求，這是因?yàn)檠a(bǔ)風(fēng)風(fēng)量與靜壓箱出風(fēng)風(fēng)量相差較大，補(bǔ)風(fēng)不足以將回風(fēng)溫度提高至工藝溫度。

綜上，首先考慮采取增加補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量的方式降低補(bǔ)風(fēng)溫度，假定補(bǔ)風(fēng)溫度400 ℃情況下反推補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量，結(jié)果見表3。

表3 增加補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

當(dāng)補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量提高至原補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量6.4倍時(shí)，加熱器加熱溫度400 ℃以下，因此若采取提高補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量的方案，則原新風(fēng)風(fēng)機(jī)至少增大原功率6.4倍以上，因此單純增加補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量，盡管能夠使用天然氣直燃系統(tǒng)，但補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)功率增加過多，反而增加生產(chǎn)線整體能耗。

2.3 增加回風(fēng)利用

在不增加外部補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量的情況下，可以通過引出烘箱內(nèi)部的熱風(fēng)與補(bǔ)風(fēng)混合，增加進(jìn)入烘箱內(nèi)的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量，從而滿足使用要求。整套天然氣燃燒系統(tǒng)三維模型如圖4所示，在天然氣爐上增加回風(fēng)風(fēng)道，為保證在燃?xì)鉅t上部形成負(fù)壓空間，在原風(fēng)機(jī)室回風(fēng)口處增加插板閥用以調(diào)整回風(fēng)風(fēng)量，因此一部分回風(fēng)將由烘箱內(nèi)引出后與補(bǔ)風(fēng)混合共同加熱后由風(fēng)機(jī)室吸回，從而降低加熱器加熱溫度。

圖4 天然氣直燃系統(tǒng)模型

另一方面，回風(fēng)引出管道增加了回風(fēng)的管路風(fēng)阻，需增加風(fēng)機(jī)室離心風(fēng)機(jī)功率，形成負(fù)壓，滿足吸風(fēng)要求，根據(jù)現(xiàn)有條件計(jì)算回風(fēng)管路風(fēng)阻以及全壓，從而計(jì)算離心風(fēng)機(jī)增加功率：

管道動壓P0：

式中：v為管道流速，m/s；ρ為空氣密度，1.23 kg/m3。

局部阻力P1：

式中：ζ為局部阻力系數(shù)，查簡易管道通風(fēng)設(shè)計(jì)表可知。

摩擦阻力P2：

式中：L為管道長度，p為單位長度摩擦阻力，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)量、管道直徑查圖可得。

管道全壓P：

式中：P0為管路最大動壓，P1+P2為管路阻力。

插板閥風(fēng)阻計(jì)算：

插板閥風(fēng)阻計(jì)算公式同上，ζ根據(jù)插板開度(h/D)確定，h為插板深入管道內(nèi)的長度；D為插板插入方向上的管道直徑(圓管)或高度(方管)，見表4。

表4 插板閥ζ計(jì)算表

風(fēng)機(jī)額外增加功率W：

式中：η1=0.75風(fēng)機(jī)內(nèi)效率(0.75～0.85)；η2=0.95風(fēng)機(jī)機(jī)械效率(三角皮帶傳動取值0.95)。

管路簡化分為1，2，3，4，5，6，7段，如圖5所示，根據(jù)管路布置情況以及上述計(jì)算公式計(jì)算可得：

圖5 天然氣系統(tǒng)管道劃分

(1) 當(dāng)原回風(fēng)口插板閥全部關(guān)閉，全部依靠原風(fēng)機(jī)室進(jìn)行回風(fēng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果回風(fēng)風(fēng)量全部依靠風(fēng)機(jī)引出，風(fēng)機(jī)需額外增加功率過高15.83 kW (見表5)。

表5 全回風(fēng)風(fēng)機(jī)增加功率計(jì)算表

(2) 經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，當(dāng)回風(fēng)利用20%時(shí)，即引出4 140 m3/h與新風(fēng)混合加熱，計(jì)算見表6，功率增加2.15 kW。

表6 回風(fēng)利用20%風(fēng)機(jī)增加功率計(jì)算表

當(dāng)功率增加2.15 kW，此時(shí)補(bǔ)風(fēng)溫度計(jì)算見表7，加熱溫度266 ℃即滿足使用要求。

表7 天然氣加熱補(bǔ)風(fēng)計(jì)算結(jié)果

綜上所述，通過引出烘箱內(nèi)熱風(fēng)混合新風(fēng)后再進(jìn)行燃?xì)饧訜?，在少量增加?nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)功率的情況下，天然氣直燃系統(tǒng)即可滿足使用要求。后續(xù)，由于生產(chǎn)線空間限制，針對上述模型繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在原有內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)功率不變情況下，增加一臺3 kW風(fēng)機(jī)直接從烘箱內(nèi)引出熱風(fēng)結(jié)構(gòu)上更為合理緊湊，且循環(huán)回路內(nèi)風(fēng)阻更低，最終模型如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的天然氣直燃系統(tǒng)模型

3 天然氣直燃系統(tǒng)CFD仿真

改進(jìn)方案確定后，通過流體仿真軟件對天然氣直燃系統(tǒng)進(jìn)行CFD仿真分析[13]。

本生產(chǎn)線為上下雙風(fēng)機(jī)模式，因此為簡化模型，只對風(fēng)道較長的下風(fēng)機(jī)管道進(jìn)行仿真，天然氣直燃管道部分只繪制一半模型，對于流量參數(shù)設(shè)定也取值為計(jì)算數(shù)值的一半。初始邊界條件設(shè)定，天然氣燃燒溫度設(shè)定400 ℃，燃燒空氣流量設(shè)定為125 m3/h，烘箱內(nèi)抽出熱風(fēng)溫度設(shè)定為200 ℃，烘箱內(nèi)抽出熱風(fēng)流量2 000 m3/h，回風(fēng)口設(shè)定風(fēng)量6 000 m3/h。最終結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 天然氣直燃系統(tǒng)溫度場仿真結(jié)果

圖8 天然氣直燃系統(tǒng)溫度場仿真結(jié)果軸測視圖

圖9 天然氣直燃系統(tǒng)速度場仿真結(jié)果軸測視圖

通過溫度場云圖可以看到，在燃燒器噴口位置附近顏色較深，顯示溫度達(dá)到650 K（即377 ℃）左右，隨管道延伸至出口位置時(shí)顏色明顯變化并趨于穩(wěn)定，顯示溫度490 K（即217℃）。通過速度場云圖可看到盡管在管道轉(zhuǎn)彎位置處存在小的擾動，大部分氣體隨管道平穩(wěn)流動至出口位置，出口位置出風(fēng)均勻。綜上，仿真結(jié)果符合預(yù)期，循環(huán)風(fēng)通過天然氣燃燒器的加熱，溫度達(dá)到使用溫度后，順利進(jìn)入風(fēng)機(jī)室進(jìn)行后續(xù)混風(fēng)。仿真結(jié)果證明該方案可行。

4 應(yīng)用

天然氣直燃加熱系統(tǒng)最終在某寬幅BOPET薄膜生產(chǎn)線上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對原生產(chǎn)線定型2區(qū)進(jìn)行改造，增加了天然氣直燃系統(tǒng)以及熱風(fēng)循環(huán)管道，如圖10所示。

圖10 天然氣直燃系統(tǒng)生產(chǎn)試驗(yàn)圖

天然氣直燃系統(tǒng)運(yùn)行過程中膜面溫度傳感器檢測膜面溫度為219.5 ℃。通過記錄24 h天然氣表顯消耗量，計(jì)算天然氣平均消耗量為11.05 m3/h，則天然氣使用成本為52元。

相鄰定型3區(qū)未進(jìn)行天然氣直燃系統(tǒng)改造，仍使用原電加熱器，膜面檢測溫度為226.0 ℃，電加熱器運(yùn)行總功率80 kW，則用電成本為82元。

盡管只進(jìn)行了單個(gè)烘箱的改造，但通過對比發(fā)現(xiàn)其基本滿足本區(qū)的溫度要求，完全能夠替換原有電加熱器使用，且達(dá)到了降低能耗節(jié)約成本的目標(biāo)。

5 結(jié)論

首先，采用天然氣直燃系統(tǒng)替代原有電加熱、油加熱的加熱方式直接解決了BOPET薄膜生產(chǎn)線的高能耗問題，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本；其次天然氣直燃系統(tǒng)相較于天然氣間燃換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化的同時(shí)避免了換熱效率低等問題，燃燒后的氣體并不會對薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響；最后目前市場上天然氣直燃系統(tǒng)已經(jīng)成熟，智能化溫度控制系統(tǒng)能夠像電加熱一樣實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線工藝溫度的精準(zhǔn)控制。

另一方面，天然氣直燃系統(tǒng)在BOPET薄膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用，仍然存在一些問題。首先天然氣系統(tǒng)工作過程中若控制不得當(dāng)，將造成燃?xì)獠怀浞秩紵?，從而產(chǎn)生易燃有害氣體以及炭黑等，污染薄膜的同時(shí)也會帶來安全隱患。因此在使用過程中如何避免其不充分燃燒，且在使用過程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其燃燒不充分情況，并進(jìn)行修正成為后續(xù)需要研究解決的問題。此外天然氣燃燒系統(tǒng)對使用廠家的安全性要求相對其他生產(chǎn)線更為嚴(yán)格。盡管天然氣直燃系統(tǒng)的使用仍然存在問題，但作為清潔能源，符合現(xiàn)今企業(yè)降本增效、綠色生產(chǎn)的要求，依然具有推廣使用的價(jià)值[14]，也對今后天然氣直燃系統(tǒng)在薄膜拉伸領(lǐng)域的推廣使用提供一定參考和借鑒。