间接换热式干燥机在炭黑行业的应用分析

间接换热式干燥机在炭黑行业的应用分析

张晓,于国庆,李红娟,朱紫龙,周苹

青岛德固特节能装备股份有限公司，山东 青岛 266300

摘要：炭黑干燥是炭黑生产中必不可少的环。本文主要介绍间接换热式干燥机，首先对间接换热式干燥机的结构进行数值模拟分析，分析干燥机转筒内抄板和外销钉对换热的影响。其次分析间接干燥机的优点：降低干燥机筒体内部和排气袋滤器的腐蚀；保证干燥后的炭黑清洁度，提高了成品炭黑的品质;降低脱硫脱硝的成本。最后提出两种间接干燥机的节能模型，弥补间接干燥机尾气燃烧量大，排烟温度高的缺点。

关键词：炭黑；间接干燥机；结构分析；节能模型

引言

转筒干燥机是一类广泛应用于冶金、建材、化工等领域的大型回转干燥设备。其优点是，生产能力大，可连续操作；结构简单，操作方便；故障少，维修费用低，适用范围广，流体阻力小；操作弹性大，干燥物料可以有较大的波动范围，不会影响产品质量；清扫容易。其缺点是，设备庞大，安装、拆卸困难，热损失较大，热效率低[1]。目前转筒干燥机按照物料和载热体的接触方式主要分为三种，即直接换热式干燥机、间接换热式干燥机和混合式干燥机[2]。

1结构分析

为了研究转筒结构对换热效果的影响，主要利用数值模拟进行定性分析，对结构进行分析。由于间接干燥机的设备比较复杂，整机尺寸与零部件(销钉、抄板等)差异大，很难进行整机模拟，因此进行分块研究，主要对抄板和销钉分别进行模拟。

1.1抄板结构和性能研究

物料在滚筒内部的运动主要分为两个方面，其一是沿着转筒轴向的物料输运过程，其二是物料在转筒径向截面上的转动过程。物料在转筒径向截面上的转动过程主要由抄板进行推动，抄板均匀布置在转筒内壁。布置于间接干燥器转筒内壁上的抄板在换热方面主要有两个作用，第一，将物料扬起，使得换热更加均匀;第二，抄板做为换热结构增加了物料与筒壁的接触面积。在物料运动方面，抄板能够防止颗粒固结，推动颗粒的运动。根据抄板的上述功能，可以将抄板简化成为带有内热源的炭黑颗粒干燥问题。

间接干燥机选用的抄板为直板型和两段型抄板。主要对抄板的运行状态和传热状态进行分析。采用离散元单元计算软件EDEM进行计算，通过网络上来源的API，可以添加炭黑颗粒与壁面的换热条件，可以同时进行炭黑粒子运动轨迹的计算和温度变化的计算。

图1两段型抄板结构示意图图2直板型抄板结构示意图

对于两段型抄板，如图1所示其板宽度为100mm，两段板长分别为100 mm，200mm，其夹角为120°，沿圆周切向共布置18个抄板。对于直板型抄板，如图2所示，采用一段式直板，长度为100mm，在同一圆周上共布置48个。

1.2销钉的布置和流场分析

间接干燥机中，销钉分布在转筒的外部，主要作用是增加换热面积和增加烟气湍流强度，增强换热。我们利用场协同理论来分析外销钉对换热的影响。场协同认为温度场和速度场的协调可以增强换热量。

通过分析可以知道，内热源项会使温度分布呈现出抛物线状，而内热源的增大有利于增强导热。而过增元老师高屋建瓴的指出，对流项在某种程度上可以看做一种内热源，而其值的大小取决于速度场和温度梯度场的夹角。当速度场的方向和温度梯度场的方向一致时，换热不仅通过热传导进行，而且可以通过流体的流动进行。流体的流动(对流换热)是一种更加有效的换热方式。场协同因子实际上代表着单位体积里速度场与温度梯度场的协同程度。所以涡旋的形成有利于热量的传递。

模拟转筒是否带销钉和角速度的不同对换热量的影响，对于三角形标志的不带销钉的圆筒来说，其系统的换热量与转动角速度呈线性关系，并且直线通过静止点;而对于以星形标志的带销钉的圆筒来说，其系统换热量随角速度的变化的线性直线不经过静止点，这意味着对于有销钉的圆筒来说，是否转动对于系统换热量有着本质的差异。转动会使得换热量有极大的提升。而转动之后的规律都是相似的，其换热量总是与系统的角速度成线性关系。因此可以得出增加销钉结构，能够提高干燥机的换热能力。

2间接干燥机的优点

2.1间接干燥机出口烟气处理费用低

国家对烟气排放有严格要求，炭黑行业也不例外。干燥机出口的烟气必须进行脱硫脱硝处理才能外排。常规混合式式干燥机，燃余气(烟气)和炭黑析出气混合，然后通过排袋过滤后，进入脱硫脱硝系统。混合气中含水量高达50%以上且温度较低约为200℃。这样造成SCR脱硝效率低，由于混合气量大，在脱硫过程中，相应的喷水量又会增加。

间接换热式干燥机，烟气与炭黑析出气并未混合，因此出口烟气含水量仅为27%左右，烟气温度约为400~500℃左右。烟气温度在SCR脱硝工艺最佳温度区间，脱硝效率高。由于烟气量相对较小，相应的脱硫喷水量相应减少。因此，采用间接换热式干燥机后，相应的脱硫脱硝运行成本低。

湿炭黑中的水未进入到烟气中，烟气总气量少，脱硫设备、引风机等设备的规格尺寸可以相应减小，设备运行所耗电量、原料量都减少，总运行费用大大降低。

2.2间接干燥机内部腐蚀小，干燥后炭黑清洁度高

间接干燥机烟气不进入转筒内部，转筒内部主要以水蒸气为主，酸性气体含量较少，因此转筒内部的腐蚀大大降低，干燥机使用寿命增加。同时，烟气未与湿炭黑析出的水蒸气混合，烟气酸露点提高，降低对火箱和转筒外部壳体销钉的酸腐蚀。间接换热也可以有效地避免炭黑对烟气中硫的吸附，保证炭黑的清洁度，使炭黑的物理性能更加优良。

2.3排气袋滤器箱体和滤袋寿命长

湿炭黑中析出气大部分是水蒸气，含有少量酸性气体，对排气袋滤器腐蚀较小，排气袋滤器箱体和滤袋的使用寿命提高。湿炭黑析出气不与烟气混合，因此进入排气袋滤器中的总气量少，所用滤袋面积也相应减少，降低了设备初期投资。

3间接换热式干燥机的节能模型

间接换热式干燥机排烟温度较高，直接排放浪费能源。干燥机出口未加任何热量回收设备时，间接换热式干燥机相比于混合换热式干燥机换热效率低，尾气燃烧量相比于混合干燥机多消耗30%。因此本文提出两种间接换热式干燥机的节能模型，，回收烟气热量，减少能量浪费。

节能模型1:设计尾气量为10000Nm3/h，干燥机日处理量为110t，干燥机出口烟气经过SCR脱硝后进入余热锅炉，余热锅炉收集烟气热量，使得烟气温度由500℃降低为220℃，产生饱和蒸汽。

节能模型2:炭黑处理量与模型1相同，但是利用尾气预热器和空气预热器回收烟气热量，将尾气和燃烧空气进行预热，减少尾气消耗量;增加烟气再循环降低NOx的产生。两种节能模型，弥补排烟气温度高的缺点，回收热量，节能减排。

4结束语

本文对间接换热式干燥机进行结构分析，数值模拟。对于干燥机转筒内部两种抄板，两段型抄板换热能力强，直板型抄板能够减少干燥后期炭黑颗粒的破碎。转筒外增加销钉能够增强流场的扰动并且提高换热能力。间接换热式干燥机具有烟气处理费用低、干燥机转筒内部腐蚀小、炭黑清洁度高和排气袋滤器箱体和滤袋寿命长的优点。综上所述，间接换热式干燥机具有很强的市场竞争力与良好的应用前景。

参考文献：

[1]黄志刚，毛志怀.转筒干燥器的现状及发展趋势[J].食品科学，2003(08):168-170.

[2]贺华波，李红林，刘军.新型间接式干燥机的开发研究[J].机械，2004，31(1):44-46.