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，首先對間接換熱式干燥機的結(jié) 構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，分析干燥機轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板和外銷釘對換熱的影響。其次分析間接干燥機的優(yōu)點：降低干燥機筒體內(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 燥機的節(jié)能模型，彌補間接干燥機尾氣燃燒量大，排煙溫度高的缺點。

關(guān)鍵詞：炭黑;間接干燥機;結(jié)構(gòu)分析;節(jié)能模型

1? 前? 言

轉(zhuǎn)筒干燥機是一類廣泛應(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)點是，生產(chǎn) 能力大，可連續(xù)操作;結(jié)構(gòu)簡單，操作方便;故障 少，維修費用低;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范圍，不會影 響產(chǎn)品質(zhì)量;清掃容易。其缺點是，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、間接換熱 式干燥機和混合式干燥機[2]。國內(nèi)炭黑行業(yè)大多數(shù) 采用混合換熱式干燥機，原理是尾氣燃燒爐產(chǎn)生 的高溫燃余氣先進入干燥機火箱，然后通過滾筒 上的煙氣采集口進入干燥機滾筒內(nèi)部直接與濕炭 黑接觸，對炭黑進行直接接觸干燥?；旌细稍餀C 的介質(zhì)流動方式如圖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會增加干 燥機筒體和抄板的腐蝕;干燥后的燃余氣中水分 高達50%以上，并且溫度較低，在廢氣袋濾器出口 的 SCR 脫硝效率低;同時由于燃余氣直接與炭黑 接觸，其中會有雜質(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，其原理是尾氣燃燒爐產(chǎn)生的高溫燃余氣直接 對干燥機滾筒進行烘烤，只進行外部干燥，實現(xiàn)對 濕法造粒炭黑干燥的過程。燃余氣體不進入干燥 機滾筒內(nèi)部，直接從火箱上部排出。間接換熱式 干燥機介質(zhì)流動方式如圖 2 所示。

2? 結(jié)構(gòu)分析

間接干燥機系統(tǒng)如圖3所示，間接干燥機主要 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)動時可以將物料揚起，使得 換熱更加均勻;銷釘布置于轉(zhuǎn)筒外部，增加高溫煙 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)對換熱的影響。

為了研究轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)對換熱效果的影響，主要 利用數(shù)值模擬進行定性分析，對結(jié)構(gòu)進行分析。由 于間接干燥機的設(shè)備比較復(fù)雜，整機尺寸與零部 件(銷釘、抄板等)差異大，很難進行整機模擬， 因此進行分塊研究，主要對抄板和銷釘分別進行 模擬。

2.1? 抄板結(jié)構(gòu)和性能研究

物料在滾筒內(nèi)部的運動主要分為兩個方面， 其一是沿著轉(zhuǎn)筒軸向的物料輸運過程，其二是物 料在轉(zhuǎn)筒徑向截面上的轉(zhuǎn)動過程。物料在轉(zhuǎn)筒徑 向截面上的轉(zhuǎn)動過程主要由抄板進行推動，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作用，第一，將 物料揚起，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 動方面，抄板能夠防止顆粒固結(jié)，推動顆粒的運 動。根據(jù)抄板的上述功能，可以將抄板簡化成為 帶有內(nèi)熱源的炭黑顆粒干燥問題。

間接干燥機選用的抄板為直板型和兩段型抄 板。主要對抄板的運行狀態(tài)和傳熱狀態(tài)進行分析。 采用離散元單元計算軟件EDEM進行計算，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，可以同時進行炭黑粒子運動軌跡的計算和 溫度變化的計算。計算過程中采用的計算參數(shù)如 表 1 所示。

對于兩段型抄板，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 個抄板。對于直 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。

炭黑顆粒從轉(zhuǎn)筒的中心進入，垂直下落。隨 著轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動，顆粒被抄板帶動，并且?guī)У礁咛帪?落，其運動過程如圖7和圖8所示。從圖中可以發(fā) 現(xiàn)，隨著滾筒的滾動，抄板帶動炭黑顆粒進行轉(zhuǎn) 動，同時到一定的角度依次灑出，形成一種類似于 瀑布的顆粒流。在滾筒的勻速運動過程中，顆粒 與抄板之間的運動過程是一個穩(wěn)態(tài)過程。同時， 由于添加了筒壁與顆粒之間的換熱，可以發(fā)現(xiàn)隨 著時間的發(fā)展，顆粒是不斷升溫的。

通過兩種不同抄板中炭黑顆粒運動形態(tài)圖可 以得出：抄板將炭黑顆粒帶動到高處進行散落，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)相對獨立，但是兩段型抄板灑落角和 截止角都要大于直板型抄板;在運動過程中炭黑 顆粒溫度不斷升高，與筒壁之間發(fā)生換熱。

對比兩種不同形態(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，炭黑跟隨滾筒運動 相對時間較長，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)牟贾煤土鲌龇治?/strong>

間接干燥機中，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度，增強 換熱。我們利用場協(xié)同理論來分析外銷釘對換熱 的影響。場協(xié)同認為溫度場和速度場的協(xié)調(diào)可以 增強換熱量。

公式(1)為能量守恒方程，等號左側(cè)第一項 為隨體導(dǎo)數(shù)項，第二項為對流項，等號右邊第一項 為導(dǎo)熱項，第二項為內(nèi)熱源項。通過對于方程的 分析可以知道，內(nèi)熱源項會使溫度分布呈現(xiàn)出拋 物線狀，而內(nèi)熱源的增大有利于增強導(dǎo)熱。而過 增元老師高屋建瓴的指出，對流項在某種程度上 可以看作一種內(nèi)熱源，而其值的大小取決于速度 場和溫度梯度場的夾角。當速度場的方向和溫度 梯度場的方向一致時，換熱不僅通過熱傳導(dǎo)進行， 而且可以通過流體的流動進行。通過分析可知， 流體的流動(對流換熱)是一種更加有效的換熱方 式。我們定義一個因子來表示速度場與溫度梯度 場的協(xié)同程度，因子 φ。其中 φ 的表達式如公式 2所示。場協(xié)同因子實際上代表著單位體積里速度 場與溫度梯度場的協(xié)同程度。所以渦旋的形成有 利于熱量的傳遞。

通過fluent軟件對轉(zhuǎn)筒帶銷釘進行流場分析。 為了減少計算量，建立模型中減少了銷釘?shù)呐艛?shù) 和每一圈銷釘?shù)膫€數(shù)。在計算中只計算兩排銷釘 (每排 18 個)對于轉(zhuǎn)筒的流場中的影響。設(shè)置轉(zhuǎn) 筒轉(zhuǎn)動角速度為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，溫度場在銷釘處呈現(xiàn)隨銷 釘轉(zhuǎn)動的形態(tài)，在銷釘周圍形成較大的擾動區(qū)，根 據(jù)場協(xié)同理論，轉(zhuǎn)動使得流場復(fù)雜度增加，其換熱圖11.12能力也在增加;通過對于銷釘附近的速度場進行 分析，如圖12所示，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)筒的 轉(zhuǎn)動銷釘使得火箱間隙中的氣體形成了渦旋。在 銷釘前進路線上，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 換熱量的影響，結(jié)果如圖13所示。由圖13中可以 發(fā)現(xiàn)， “△”標志的不帶銷釘?shù)膱A筒，其系統(tǒng)的 換熱量與轉(zhuǎn)動角速度呈線性關(guān)系，并且直線通過 靜止點;而“*”標志的帶銷釘?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，這意味著對于有銷釘?shù)膱A筒來說，是否轉(zhuǎn)動對 于系統(tǒng)換熱量有著本質(zhì)的差異。轉(zhuǎn)動會使得換熱 量有極大的提升。而轉(zhuǎn)動之后的規(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)，能夠提高干燥機的換熱 能力。

　　3? 間接干燥機的優(yōu)點

3.1? 間接干燥機出口煙氣處理費用低

國家對煙氣排放有嚴格要求，炭黑行業(yè)也不 例外。干燥機出口的煙氣必須進行脫硫脫硝處理 才能外排。常規(guī)混合式式干燥機，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， 進入脫硫脫硝系統(tǒng)。混合氣中含水量高達 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 量又會增加。

間接換熱式干燥機，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 換熱式干燥機后，相應(yīng)的脫硫脫硝運行成本低。

濕炭黑中的水未進入到煙氣中，煙氣總氣量 少，脫硫設(shè)備、引風機等設(shè)備的規(guī)格尺寸可以相應(yīng) 減小，設(shè)備運行所耗電量、原料量都減少，總運行 費用大大降低。

3.2? 間接干燥機內(nèi)部腐蝕小，干燥后炭黑清潔 度高

間接干燥機煙氣不進入轉(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，干燥機使用壽命增加。同 時，煙氣未與濕炭黑析出的水蒸氣混合，煙氣酸露 點提高，降低對火箱和轉(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? 間接換熱式干燥機的節(jié)能模型

間接換熱式干燥機排煙溫度較高，直接排放 浪費能源。干燥機出口未加任何熱量回收設(shè)備時， 間接換熱式干燥機相比于混合換熱式干燥機換熱 效率低，尾氣燃燒量相比于混合干燥機多消耗 30%。因此本文提出兩種間接換熱式干燥機的節(jié)能 模型，如圖 14 和圖 15 所示，回收煙氣熱量，減少 能量浪費。

節(jié)能模型1：設(shè)計尾氣量為10000Nm3 /h，干燥 機日處理量為110t，干燥機出口煙氣經(jīng)過SCR脫硝 后進入余熱鍋爐，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，彌補排煙氣溫度高的缺點，回 收熱量，節(jié)能減排。

　　5? 總? 結(jié)

本文對間接換熱式干燥機進行結(jié)構(gòu)分析，數(shù) 值模擬。對于干燥機轉(zhuǎn)筒內(nèi)部兩種抄板，兩段型 抄板換熱能力強，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流場 的擾動并且提高換熱能力。間接換熱式干燥機具有煙氣處理費用低、干燥機轉(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。同時為了彌補間接干燥機的尾氣燃燒量大， 排煙溫度高的缺點，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，間接換熱式干燥機具有很強的市 場競爭力與良好的應(yīng)用前景。

　　參考文獻

[1] 黃志剛, 毛志懷. 轉(zhuǎn)筒干燥器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 食 品科學, 2003(08):168-170.

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