非直噴型燃氣烘缸干燥技術

韓鵬高 張 鋒 魏 濤

(陜西科技大學機電工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安, 710021)

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·燃氣烘缸·

非直噴型燃氣烘缸干燥技術

韓鵬高 張 鋒 魏 濤

(陜西科技大學機電工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安, 710021)

現代紙機干燥部蒸汽烘缸內的蒸汽壓力受限,蒸汽利用率不高,烘缸內冷凝水聚集等問題導致其很難達到預期干燥效果。結合國內外燃氣烘缸的相關專利和研究現狀,本文詳細介紹了非直噴型燃氣烘缸的主要核心技術，分析了各種技術的原理和優點，總結并提出了非直噴型燃氣烘缸的應用前景,為該技術今后的研發及應用提供參考。

燃氣烘缸；非直噴；平面火焰；煙氣循環

現代紙機干燥部的蒸汽烘缸屬于受壓容器,一般通入0.3～0.5 MPa的蒸汽[1]。這導致烘缸表面的溫度在一定的范圍變動,最高溫度受蒸汽壓力的限制,干燥能力有限。對于一些高定量的紙種,為了達到干燥效果只能在一定的壓力和溫度下通過增加烘缸數量或烘缸直徑來增大干燥面積,這樣，干燥部的占地面積和設備投資費用都會增加[2],阻礙紙機車速和產量的提高，因此，有必要提高烘缸的干燥效率。為了克服蒸汽烘缸存在的缺點,國際上曾提出了燃氣烘缸的理念,隨著其在歐美一些國家的成功應用之后,目前越來越多地受到國內外造紙業界的關注。燃氣烘缸利用燃料直接燃燒產生的高溫煙氣加熱烘缸內壁進行傳熱,在加熱面積一定的情況下,不僅能提高烘缸表面的溫度,還有效提高了能源的利用效率。

1 非直噴型燃氣烘缸的供熱系統

1.1 燃氣烘缸干燥系統原理

非直噴型燃氣烘缸將低排放帶狀燃燒器和先進的傳熱增強技術相結合形成了高效的燃氣烘缸干燥系統。該方法直接利用氣體燃燒產生的高溫煙氣和烘缸內壁接觸進行對流傳熱和輻射傳熱,高溫煙氣在烘缸的內部沿著烘缸的曲面進行流動。氣體燃燒產生熱量直接被烘缸表面吸收,使烘缸表面的溫度明顯提高,最高溫度可達315℃;能量的傳遞效率更高,由蒸汽供熱的60%～65%增長到75%～80%；干燥效率為傳統蒸汽干燥加熱的4～5倍[2-3]。在不增加傳熱面積的情況下能傳遞更多熱量,而且沒有了冷凝水的困擾,紙機的車速和產量可以同時得到提高和保證。燃氣烘缸干燥系統原理見圖1。

1.2 傳熱原理

現代紙機蒸汽烘缸的傳熱效率并不理想。主要由于烘缸內部冷凝水的存在,冷凝水隨著烘缸轉動內部會形成冷凝水環,冷凝水環的導熱系數僅為鑄鐵烘缸壁導熱系數的1/88,這必將加大蒸汽和烘缸間的熱阻,造成烘缸的干燥效率下降和干燥不均導致的紙層卷面等紙病。非直噴型燃氣烘缸的傳熱能改善烘缸表面溫度的均勻性[4-5]。

圖1 燃氣烘缸干燥系統原理圖

圖2 非直噴型燃氣烘缸結構示意圖

圖3 烘缸內壁結構示意圖

圖4 火焰噴口結構示意圖

非直噴型燃氣烘缸的傳熱機理：高溫煙氣和烘缸內壁的對流傳熱屬于無相變對流傳熱。高溫煙氣流體經燃燒器噴出后流過固體壁面時,在壁面附近的流體因減速形成流動邊界層,邊界層內存在著速度梯度。若邊界層內的流體流動為層流時,稱為層流邊界層,若邊界層的流動為湍流時,則稱為湍流邊界層。對于湍流主體,由于流體質點充分混合,流體之間的溫度差和溫度梯度很小,傳熱熱阻也很小。而在層流內層和湍流主體之間存在一過渡區,該區域的傳熱是導熱與對流共存。由此可見，對流傳熱熱阻主要集中在邊界層尤其是層流內層,破壞邊界層的發展或者減薄層流內層是提高對流傳熱的有效手段。而影響高溫氣體和烘缸內壁傳熱的主要因素是流體的流動形態[6]。當高溫煙氣呈湍流流動時,湍流主體的流體質點充分混合,溫度梯度小,且湍動越強,層流內層越薄,傳熱熱阻越小,故對流傳熱系數較大。圖2所示為非直噴型燃氣烘缸剖面示意圖。

2 非直噴型燃氣烘缸的關鍵技術

2.1 渦旋傳熱增強技術

將烘缸沿徑向切成薄片,取一小微段將其看成管道,高溫煙氣在環間的流動可以近似地抽象成無相變下流體在管內強制對流傳熱。由于循環煙氣的吸入會加強高溫流體整體的流動性能,能提高其湍動流動速度。為了進一步加強其余烘缸內壁的對流傳熱,在烘缸內壁上開有許多微型凹洞,煙氣在經過凹洞時,煙氣的湍流程度會進一步加劇,因此,煙氣與烘缸表面形成的邊界層會被破壞,層流內層也會變薄,從而大大加強了兩者間的對流傳熱系數[7- 8]。非直噴型燃氣烘缸的結構由兩個同軸的圓柱筒組成,外筒隨著紙幅轉動,內筒固定,如圖3所示,主要包含了帶狀燃燒器和換熱器點火裝置。帶狀燃燒器是沿著烘缸軸向均勻排列的一系列噴射小孔,即圖2中A-A處的剖面,如圖4所示。

高溫煙氣在通道隨著內壁流動時,內壁上的凹洞會使得煙氣與烘缸內壁的對流傳熱得到加強,提高傳熱效率,外筒的厚度一般為0.5～6英寸(1英寸=25.4 mm)。內筒外表面是由耐高溫的石英材料制成,其熱導性低,熱膨脹系數小,熱穩定性好,在高溫的環境下,其導熱系數在230℃時僅為0.872 W/(m·k)[8],熱量可以最大限度地通過對流和輻射傳熱與烘缸內壁間進行傳遞。

2.2 平面火焰技術

燃氣烘缸的燃料一般是天然氣和空氣的混合物,兩者在進入燃燒器之前,應該混合均勻。燃料通過該燃燒器噴出的是平面火焰。燃燒器由旋流器和火道組成。空氣和燃氣經旋流器呈旋流向前流動,兩者混合后,進入喇叭形的火道開始燃燒,火道出口處旋流在離心力和回流煙氣(回流煙氣會增加燃燒穩定性)的作用下,向四周擴散形成圓盤形的平面火焰,沿著護墻擴展。這種平面火焰具有均勻的溫度場,與烘缸外筒內壁之間的對流傳熱和內筒外表面與烘缸外筒內壁間的輻射傳熱穩定,更有效地防止產生局部過熱情況。火道出口附壁的曲線保證了能夠形成展開的平盤氣流和成分均勻穩定的燃料噴流。此外,燃料的預熱對于平面火焰的形成也至關重要。

該項技術的特點是火焰從燃燒器射出后與平面呈約45°角,噴射方向由烘缸轉動方向確定,要與烘缸轉動方向保持一致[5]。避免與烘缸內壁直接接觸,避免了烘缸局部受熱過高,造成烘缸內壁氧化劇烈。因此,延長了烘缸的使用壽命,使得烘缸表面整體受熱均勻。排出的煙氣溫度仍然很高,為了充分吸收其熱量,可以在烘缸固定的內筒上設計一個換熱器用來預熱進入燃燒器的燃料,從而使燃料燃燒后的熱能最大限度地被利用。燃料的預熱和氧氣的體積分數均會對平面火焰造成影響。增加燃料的預熱溫度會拓寬火焰穩定燃燒區域,而降低空氣中氧氣體積分數會破壞火焰的穩定性[9]。所以換熱器不但利用了廢氣的熱量,且對燃燒的穩定性也起到了很好的作用。

平面火焰技術的應用使燃料燃燒充分,不但提高了能源利用率,節約燃料且有效降低了廢氣中對環境有害的成分氮氧化物(NOx)。

2.3 煙氣循環技術

燃料從進入到燃燒器噴出后變成高溫煙氣,再經過環形通道,最后變成廢氣進入到換熱器,整個傳熱過程可由圖5表示。

圖5 煙氣在烘缸內的流動過程示意圖

該燃燒器采用了煙氣再循環和低NOx燃燒技術和可調節式燃氣噴嘴來改善燃料燃燒時火焰的情況以降低NOx的排放。高溫煙氣除了大部分經過換熱器回收熱能用于預熱燃料,還有一部分用于內外環間的循環利用。煙氣循環技術是將部分低溫煙氣直接送入燃燒區域內,回收的煙氣吸熱稀釋了氧濃度,使燃燒速度和環道內的溫度降低,這部分煙氣會直接通過循環到達火焰根部,對火焰有適當的冷卻作用,能減少熱力型NOx的量。回收的煙氣會增加整個環間煙氣的流動性及其速度。因此,有效提高了環間煙氣溫度的均一性,同時增強了煙氣與烘缸內壁間的對流傳熱速率。煙氣再循環的效果不僅與燃料種類有關,還與再循環的煙氣量有關。再循環量過大,通道內的溫度降低太多,燃燒則不穩定。再循環量過小,則達不到降低NOx的效果。

煙氣循環技術在增強環間煙氣流動性和提高煙氣與烘缸內壁對流傳熱效率的同時,也縮短了煙氣在環間的停留時間,使得環間的溫度降低,從而影響平面火焰的燃燒穩定性。因此,不同溫度控制下,相應煙氣循環技術的關鍵是在降低NOx的同時,保證環間燃料的燃燒效率和火焰的穩定性,在兩者之間找到最優的平衡點。除此之外,過量空氣系數、燃料和空氣進氣時的壓力、煙氣再循環率、燃料的預熱溫度等均會影響環間火焰燃燒的穩定性和溫度的高低[10]。

3 結 語

與其他熱源的干燥系統相比,非直噴型燃氣烘缸干燥系統徹底克服了蒸汽烘缸的冷凝水問題,利用漩渦傳熱增強技術、平面火焰技術和煙氣循環技術使能源得到了高效利用。在一定的加熱面積上,顯著提高烘缸的表面溫度,提高傳熱效率,且節省了設備投資。

目前這種非直噴型燃氣烘缸和蒸汽烘缸主要在一些生產高定量紙種紙機的干燥部混合使用,兩者結合能有效地提高紙機干燥部的干燥效率和產量。而且非直噴型燃氣烘缸表面溫度的可控性好,通過控制循環煙氣量和新鮮燃氣和氧氣的比例來調節溫度，可滿足不同紙種的干燥工藝要求。因此,這種非直噴型燃氣烘缸將會是大幅寬、高定量紙種、高速現代紙機的理想干燥設備。

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(責任編輯：劉振華)

The Drying Techniques of Indirect-injection Gas Heating Paper Dryer

HAN Peng-gao*ZHANG Feng WEI Tao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi Province of Key Lab of Paper Technology and Speciality Paper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince， 710021)(*E-mail： 1833691558@qq.com)

It’s hard for modern papermaking machine to achieve the desired drying goals because of the steam pressure limit, low utilization efficiency of the steam and steam condensate water in the dryer, which badly affect the dryer performance. According to some

and patents of indirect-injection gas heating dryer, the paper introduced some core techniques of indirect-injection gas heating paper dryer. The advantages and principle of the core techniques were analyzed in this article.

gas heating dryer； indirect-injection； flat flame； gas recirculation

韓鵬高先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：制漿造紙設備及其自動化。

2016- 04-13(修改稿)

TS734+.4

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.10.014