于國慶，宋? 超，張龍龍 (青島德固特節(jié)能裝備股份有限公司，青島 膠州 266300)
摘? 要：炭黑干燥是炭黑生產(chǎn)中必不可少的一環(huán)。本文主要介紹間接換熱式干燥機(jī)，首先對(duì)間接換熱式干燥機(jī)的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析干燥機(jī)轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板和外銷釘對(duì)換熱的影響。其次分析間接干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：降低干燥機(jī)筒體內(nèi) 部和排氣袋濾器的腐蝕;保證干燥后的炭黑清潔度，提高了成品炭黑的品質(zhì);降低脫硫脫硝的成本。最后提出兩種間接干 燥機(jī)的節(jié)能模型，彌補(bǔ)間接干燥機(jī)尾氣燃燒量大，排煙溫度高的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：炭黑;間接干燥機(jī);結(jié)構(gòu)分析;節(jié)能模型
1? 前? 言
轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)是一類廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化 工等領(lǐng)域的大型回轉(zhuǎn)干燥設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是，生產(chǎn) 能力大，可連續(xù)操作;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便;故障 少，維修費(fèi)用低;適用范圍廣，流體阻力小;操作 彈性大，干燥物料可以有較大的波動(dòng)范圍，不會(huì)影 響產(chǎn)品質(zhì)量;清掃容易。其缺點(diǎn)是，設(shè)備龐大;安 裝、拆卸困難;熱損失較大，熱效率低[1]。
目前轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)按照物料和載熱體的接觸方 式主要分為三種，即直接換熱式干燥機(jī)、間接換熱 式干燥機(jī)和混合式干燥機(jī)[2]。國內(nèi)炭黑行業(yè)大多數(shù) 采用混合換熱式干燥機(jī)，原理是尾氣燃燒爐產(chǎn)生 的高溫燃余氣先進(jìn)入干燥機(jī)火箱，然后通過滾筒 上的煙氣采集口進(jìn)入干燥機(jī)滾筒內(nèi)部直接與濕炭 黑接觸，對(duì)炭黑進(jìn)行直接接觸干燥?；旌细稍餀C(jī) 的介質(zhì)流動(dòng)方式如圖1所示。這種干燥方式，能夠 減少炭黑尾氣的消耗。但由于炭黑生產(chǎn)工藝與炭 黑特性的原因，采用混合換熱式干燥機(jī)會(huì)增加干 燥機(jī)筒體和抄板的腐蝕;干燥后的燃余氣中水分 高達(dá)50%以上，并且溫度較低，在廢氣袋濾器出口 的 SCR 脫硝效率低;同時(shí)由于燃余氣直接與炭黑 接觸，其中會(huì)有雜質(zhì)污染炭黑，造成炭黑清潔度降 低。因此，國外許多炭黑廠采用間接換熱式干燥 機(jī)，其原理是尾氣燃燒爐產(chǎn)生的高溫燃余氣直接 對(duì)干燥機(jī)滾筒進(jìn)行烘烤，只進(jìn)行外部干燥，實(shí)現(xiàn)對(duì) 濕法造粒炭黑干燥的過程。燃余氣體不進(jìn)入干燥 機(jī)滾筒內(nèi)部，直接從火箱上部排出。間接換熱式 干燥機(jī)介質(zhì)流動(dòng)方式如圖 2 所示。
2? 結(jié)構(gòu)分析
間接干燥機(jī)系統(tǒng)如圖3所示，間接干燥機(jī)主要 由轉(zhuǎn)筒和火箱兩部分組成?；鹣錇闊煔馓峁┩ǖ?并起到保溫作用;煙氣通過轉(zhuǎn)筒傳遞熱量給物料 進(jìn)行干燥。其中最主要的部分為內(nèi)部轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒 的結(jié)構(gòu)直接影響換熱的效率。為了提高換熱效率， 通常在轉(zhuǎn)筒上增加抄板和銷釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)。抄板固定 在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部，在轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以將物料揚(yáng)起，使得 換熱更加均勻;銷釘布置于轉(zhuǎn)筒外部，增加高溫?zé)?氣與轉(zhuǎn)筒的接觸面積，如圖4所示。因此本節(jié)主要 研究轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)對(duì)換熱的影響。
為了研究轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效果的影響，主要 利用數(shù)值模擬進(jìn)行定性分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由 于間接干燥機(jī)的設(shè)備比較復(fù)雜，整機(jī)尺寸與零部 件(銷釘、抄板等)差異大，很難進(jìn)行整機(jī)模擬， 因此進(jìn)行分塊研究，主要對(duì)抄板和銷釘分別進(jìn)行 模擬。
2.1? 抄板結(jié)構(gòu)和性能研究
物料在滾筒內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)主要分為兩個(gè)方面， 其一是沿著轉(zhuǎn)筒軸向的物料輸運(yùn)過程，其二是物 料在轉(zhuǎn)筒徑向截面上的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。物料在轉(zhuǎn)筒徑 向截面上的轉(zhuǎn)動(dòng)過程主要由抄板進(jìn)行推動(dòng)，抄板 均勻布置在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁。布置于間接干燥器轉(zhuǎn)筒內(nèi) 壁上的抄板在換熱方面主要有兩個(gè)作用，第一，將 物料揚(yáng)起，使得換熱更加均勻;第二，抄板做為換 熱結(jié)構(gòu)增加了物料與筒壁的接觸面積。在物料運(yùn) 動(dòng)方面，抄板能夠防止顆粒固結(jié)，推動(dòng)顆粒的運(yùn) 動(dòng)。根據(jù)抄板的上述功能，可以將抄板簡(jiǎn)化成為 帶有內(nèi)熱源的炭黑顆粒干燥問題。
間接干燥機(jī)選用的抄板為直板型和兩段型抄 板。主要對(duì)抄板的運(yùn)行狀態(tài)和傳熱狀態(tài)進(jìn)行分析。 采用離散元單元計(jì)算軟件EDEM進(jìn)行計(jì)算，通過網(wǎng) 絡(luò)上來源的API，可以添加炭黑顆粒與壁面的換熱 條件，可以同時(shí)進(jìn)行炭黑粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算和 溫度變化的計(jì)算。計(jì)算過程中采用的計(jì)算參數(shù)如 表 1 所示。
對(duì)于兩段型抄板，如圖 5 所示其板寬度為 100mm，兩段板長分別為 100 mm，200mm，其夾 角為 120°，沿圓周切向共布置 18 個(gè)抄板。對(duì)于直 板型抄板，如圖6所示，采用一段式直板，長度為 100mm，在同一圓周上共布置 48 個(gè)。
炭黑顆粒從轉(zhuǎn)筒的中心進(jìn)入，垂直下落。隨 著轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒被抄板帶動(dòng)，并且?guī)У礁咛帪?落，其運(yùn)動(dòng)過程如圖7和圖8所示。從圖中可以發(fā) 現(xiàn)，隨著滾筒的滾動(dòng)，抄板帶動(dòng)炭黑顆粒進(jìn)行轉(zhuǎn) 動(dòng)，同時(shí)到一定的角度依次灑出，形成一種類似于 瀑布的顆粒流。在滾筒的勻速運(yùn)動(dòng)過程中，顆粒 與抄板之間的運(yùn)動(dòng)過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。同時(shí)， 由于添加了筒壁與顆粒之間的換熱，可以發(fā)現(xiàn)隨 著時(shí)間的發(fā)展，顆粒是不斷升溫的。
通過兩種不同抄板中炭黑顆粒運(yùn)動(dòng)形態(tài)圖可 以得出：抄板將炭黑顆粒帶動(dòng)到高處進(jìn)行散落，灑 落從一定角度開始，到截止角結(jié)束，各塊抄板之間 的工作狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立，但是兩段型抄板灑落角和 截止角都要大于直板型抄板;在運(yùn)動(dòng)過程中炭黑 顆粒溫度不斷升高，與筒壁之間發(fā)生換熱。
對(duì)比兩種不同形態(tài)的抄板布置方式，定義顆 粒的平均溫度，可以得到平均溫度隨時(shí)間變化曲 線圖如圖 9 和圖 10 所示。
從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩段式抄板的溫升要快于 直板式抄板的溫升，其中在相同的時(shí)間下，兩段式 溫升在10度左右，而直板式溫升在4度左右。這是 由于兩段型抄板中截止角大，炭黑跟隨滾筒運(yùn)動(dòng) 相對(duì)時(shí)間較長，因此，兩段型抄板具有更好的換熱性能。但是為了減少炭黑干燥后期炭黑顆粒的破 碎，需要在干燥后期增加直板式抄板來減小顆粒 的灑落角和截止角。
2.2? 銷釘?shù)牟贾煤土鲌?chǎng)分析
間接干燥機(jī)中，銷釘分布在轉(zhuǎn)筒的外部，主要 作用是增加換熱面積和增加煙氣湍流強(qiáng)度，增強(qiáng) 換熱。我們利用場(chǎng)協(xié)同理論來分析外銷釘對(duì)換熱 的影響。場(chǎng)協(xié)同認(rèn)為溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)調(diào)可以 增強(qiáng)換熱量。
公式(1)為能量守恒方程，等號(hào)左側(cè)第一項(xiàng) 為隨體導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，第二項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)，等號(hào)右邊第一項(xiàng) 為導(dǎo)熱項(xiàng)，第二項(xiàng)為內(nèi)熱源項(xiàng)。通過對(duì)于方程的 分析可以知道，內(nèi)熱源項(xiàng)會(huì)使溫度分布呈現(xiàn)出拋 物線狀，而內(nèi)熱源的增大有利于增強(qiáng)導(dǎo)熱。而過 增元老師高屋建瓴的指出，對(duì)流項(xiàng)在某種程度上 可以看作一種內(nèi)熱源，而其值的大小取決于速度 場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的夾角。當(dāng)速度場(chǎng)的方向和溫度 梯度場(chǎng)的方向一致時(shí)，換熱不僅通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行， 而且可以通過流體的流動(dòng)進(jìn)行。通過分析可知， 流體的流動(dòng)(對(duì)流換熱)是一種更加有效的換熱方 式。我們定義一個(gè)因子來表示速度場(chǎng)與溫度梯度 場(chǎng)的協(xié)同程度，因子 φ。其中 φ 的表達(dá)式如公式 2所示。場(chǎng)協(xié)同因子實(shí)際上代表著單位體積里速度 場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同程度。所以渦旋的形成有 利于熱量的傳遞。
通過fluent軟件對(duì)轉(zhuǎn)筒帶銷釘進(jìn)行流場(chǎng)分析。 為了減少計(jì)算量，建立模型中減少了銷釘?shù)呐艛?shù) 和每一圈銷釘?shù)膫€(gè)數(shù)。在計(jì)算中只計(jì)算兩排銷釘 (每排 18 個(gè))對(duì)于轉(zhuǎn)筒的流場(chǎng)中的影響。設(shè)置轉(zhuǎn) 筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為1rad/s，其在銷釘截面處溫度分布 如圖 11 所示，速度分布如圖 12 所示。
由圖 11 可以看出，溫度場(chǎng)在銷釘處呈現(xiàn)隨銷 釘轉(zhuǎn)動(dòng)的形態(tài)，在銷釘周圍形成較大的擾動(dòng)區(qū)，根 據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，轉(zhuǎn)動(dòng)使得流場(chǎng)復(fù)雜度增加，其換熱圖11.12能力也在增加;通過對(duì)于銷釘附近的速度場(chǎng)進(jìn)行 分析，如圖12所示，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)筒的 轉(zhuǎn)動(dòng)銷釘使得火箱間隙中的氣體形成了渦旋。在 銷釘前進(jìn)路線上，由于銷釘?shù)臄D壓導(dǎo)致前方氣體 壓力增加，后方氣體的壓力減小，而上層空氣的壓 力基本保持不變，所以形成了上下的對(duì)流。渦旋 增加了轉(zhuǎn)筒的換熱能力。
最后模擬轉(zhuǎn)筒是否帶銷釘和角速度的不同對(duì) 換熱量的影響，結(jié)果如圖13所示。由圖13中可以 發(fā)現(xiàn)， “△”標(biāo)志的不帶銷釘?shù)膱A筒，其系統(tǒng)的 換熱量與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度呈線性關(guān)系，并且直線通過 靜止點(diǎn);而“*”標(biāo)志的帶銷釘?shù)膱A筒來說，其系 統(tǒng)換熱量隨角速度的變化的線性直線不經(jīng)過靜止點(diǎn)，這意味著對(duì)于有銷釘?shù)膱A筒來說，是否轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì) 于系統(tǒng)換熱量有著本質(zhì)的差異。轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使得換熱 量有極大的提升。而轉(zhuǎn)動(dòng)之后的規(guī)律都是相似的， 其換熱量總是與系統(tǒng)的角速度成線性關(guān)系。因此 可以得出增加銷釘結(jié)構(gòu)，能夠提高干燥機(jī)的換熱 能力。
3? 間接干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
3.1? 間接干燥機(jī)出口煙氣處理費(fèi)用低
國家對(duì)煙氣排放有嚴(yán)格要求，炭黑行業(yè)也不 例外。干燥機(jī)出口的煙氣必須進(jìn)行脫硫脫硝處理 才能外排。常規(guī)混合式式干燥機(jī)，燃余氣(煙氣) 和炭黑析出氣混合，然后通過排氣袋慮器過濾后， 進(jìn)入脫硫脫硝系統(tǒng)?；旌蠚庵泻扛哌_(dá) 50% 以 上且溫度較低約為200℃。這樣造成SCR脫硝效率 低，由于混合氣量大，在脫硫過程中，相應(yīng)的噴水 量又會(huì)增加。
間接換熱式干燥機(jī)，煙氣與炭黑析出氣并未 混合，因此出口煙氣含水量僅為27%左右，煙氣溫 度約為400~500℃左右。煙氣溫度在SCR脫硝工藝 最佳溫度區(qū)間，脫硝效率高。由于煙氣量相對(duì)較 小，相應(yīng)的脫硫噴水量相應(yīng)減少。因此，采用間接 換熱式干燥機(jī)后，相應(yīng)的脫硫脫硝運(yùn)行成本低。
濕炭黑中的水未進(jìn)入到煙氣中，煙氣總氣量 少，脫硫設(shè)備、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備的規(guī)格尺寸可以相應(yīng) 減小，設(shè)備運(yùn)行所耗電量、原料量都減少，總運(yùn)行 費(fèi)用大大降低。
3.2? 間接干燥機(jī)內(nèi)部腐蝕小，干燥后炭黑清潔 度高
間接干燥機(jī)煙氣不進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)部，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部 主要以水蒸氣為主，酸性氣體含量較少，因此轉(zhuǎn)筒 內(nèi)部的腐蝕大大降低，干燥機(jī)使用壽命增加。同 時(shí)，煙氣未與濕炭黑析出的水蒸氣混合，煙氣酸露 點(diǎn)提高，降低對(duì)火箱和轉(zhuǎn)筒外部殼體銷釘?shù)乃岣?蝕。間接換熱也可以有效地避免炭黑對(duì)煙氣中硫 的吸附，保證炭黑的清潔度，使炭黑的物理性能更 加優(yōu)良。
3.3? 排氣袋濾器箱體和濾袋壽命長
濕炭黑中析出氣大部分是水蒸氣，含有少量 酸性氣體，對(duì)排氣袋濾器腐蝕較小，排氣袋濾器箱 體和濾袋的使用壽命提高。濕炭黑析出氣不與煙 氣混合，因此進(jìn)入排氣袋濾器中的總氣量少，所用 濾袋面積也相應(yīng)減少，降低了設(shè)備初期投資。
4? 間接換熱式干燥機(jī)的節(jié)能模型
間接換熱式干燥機(jī)排煙溫度較高，直接排放 浪費(fèi)能源。干燥機(jī)出口未加任何熱量回收設(shè)備時(shí)， 間接換熱式干燥機(jī)相比于混合換熱式干燥機(jī)換熱 效率低，尾氣燃燒量相比于混合干燥機(jī)多消耗 30%。因此本文提出兩種間接換熱式干燥機(jī)的節(jié)能 模型，如圖 14 和圖 15 所示，回收煙氣熱量，減少 能量浪費(fèi)。
節(jié)能模型1：設(shè)計(jì)尾氣量為10000Nm3 /h，干燥 機(jī)日處理量為110t，干燥機(jī)出口煙氣經(jīng)過SCR脫硝 后進(jìn)入余熱鍋爐，余熱鍋爐收集煙氣熱量，使得煙 氣溫度由 500℃降低為 220℃，產(chǎn)生飽和蒸汽。
節(jié)能模型 2：炭黑處理量與模型 1 相同，但是 利用尾氣預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器回收煙氣熱量，將 尾氣和燃燒空氣進(jìn)行預(yù)熱，減少尾氣消耗量;增加 煙氣再循環(huán)降低 NOx 的產(chǎn)生。具體參數(shù)見圖 15。
兩種節(jié)能模型，彌補(bǔ)排煙氣溫度高的缺點(diǎn)，回 收熱量，節(jié)能減排。
5? 總? 結(jié)
本文對(duì)間接換熱式干燥機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，數(shù) 值模擬。對(duì)于干燥機(jī)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部兩種抄板，兩段型 抄板換熱能力強(qiáng)，直板型抄板能夠減少干燥后期 炭黑顆粒的破碎。轉(zhuǎn)筒外增加銷釘能夠增強(qiáng)流場(chǎng) 的擾動(dòng)并且提高換熱能力。間接換熱式干燥機(jī)具有煙氣處理費(fèi)用低、干燥機(jī)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部腐蝕小、炭黑 清潔度高和排氣袋濾器箱體和濾袋壽命長的優(yōu) 點(diǎn)。同時(shí)為了彌補(bǔ)間接干燥機(jī)的尾氣燃燒量大， 排煙溫度高的缺點(diǎn)，本文提出了增加余熱鍋爐或 空氣預(yù)熱器和尾氣預(yù)熱器的回收煙氣熱量的節(jié)能 方案。
綜上所述，間接換熱式干燥機(jī)具有很強(qiáng)的市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與良好的應(yīng)用前景。
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