基于天然氣直燃供熱的合成革定型機腐蝕成因分析

鄭繼濤，劉康林，李 民，葉彥辰，張經偉

(福州大學石油化工學院，福建 福州 350108)

0 引言

合成革是一種外觀和手感近似于天然皮革并可代替其使用的塑料制品，在中國，其產量以每年10%的速度增長.合成革的定型生產通常采用熱風干燥法[1]，干燥過程對燃料和電力的大量需求意味著迫切需要有效利用能源[2-3].傳統的燃煤導熱油加熱法存在耗能高和排放污染等問題，為此，近年來國內外普遍推行效率高、環保、易于操控的天然氣直燃供熱技術[4-6].然而，這種直燃供熱方式會使定型機過流部件(如風排)內出現蒸汽冷凝，冷凝產生的油水造成過流部件的腐蝕和對合成革的污染，嚴重影響合成革的生產和合成革行業的發展[7-8].目前國內已有不少學者對風排結構的性能進行了研究.田松濤等[9]通過模擬分析，發現當氣流分配室設計為梯形體，噴嘴排列形式設置為三角形排列時，氣流在每個噴嘴的出口速度分布最均勻.徐軍等[10]對拉幅定型機內的風管流場進行了仿真，發現排氣口氣流出口的方向受風管的錐度，擋板角度和高度影響，并得到最佳幾何參數；之后,他們又對方孔式風管、圓孔式風管和狹縫式風管進行流場模擬[11]，并分析了3種不同形狀風管的適用場合.吳成成等[12]對風道內部三維流場進行數值模擬，結果表明風嘴高度對氣流出風的方向影響較大，而風道的傾斜角對風嘴處氣流速度大小影響較大.代建武等[13]通過建立平板擾流模型來改善干燥機氣流分配室流場結構，最終提高了噴管速度分布均勻性.劉佳等[14]在風道內等間距安裝導流板，并指出調整風道錐角可以很大程度改善風道內氣流分布和噴嘴出口速度的均勻性.現有的研究主要針對空氣為加熱介質時風道或者氣流分配室的結構優化，沒有考慮天然氣燃燒產生的煙氣為加熱介質時存在水汽多易出現凝結水的問題，因此也難以解釋風排的腐蝕成因和提出有效防腐措施，此外，研究沒有注意到風排入口低壓區的存在及其危害.鑒于此，本研究以加熱溫度低、最易出現凝結水和嚴重腐蝕的合成革干法生產線中的箱式干燥機為研究對象，通過計算機模擬研究天然氣直燃供熱時定型干燥過程中蒸汽凝結和腐蝕的形成機理，并為合成革的干燥定型提出解決安全隱患的措施.

1 模型和方法

1.1 流體力學基本控制方程和數值模擬計算方法

箱式干燥定型機由空氣通道、緩沖室、進氣管、循環風扇和風排結構組成.干燥機中的熱風氣流主要為穩定流動，流動速度較小，屬于不可壓縮流體.流體遵循基本流量控制方程，包括質量守恒方程，動量守恒方程和能量守恒方程.流場控制方程是：

(1)

其中：vi和wi表示流速，單位為m·s-1；t表示時間，s；ρ表示密度，kg·m-3.

管道中的氣流主要處于完全發展的湍流狀態.標準k-ε模型足以解決本研究中風排模型的流動問題.標準k-ε方程可表示如下

(2)

其中:Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的生成項;μt是湍流粘性系數.C1、C2是經驗常數，其值分別為1.44、1.92；σk和σε分別是對應于動能k和耗散率ε的Prandtl數.

研究采用流體力學仿真軟件FLUENT進行模擬.綜合考慮計算效率、求解精度、結構尺寸和流動特性，選用基于壓力的求解器.考慮到箱式干燥的工況穩定，干燥機中氣流的流動基本上是穩定流動，故選擇穩態計算.氣流湍流模型選擇標準k-ε湍流模型.入口氣體為干燥空氣和水蒸氣的混合物，使用組分運輸模型.在求解Navier-Stokes方程時，采用SIMPLIEC算法處理壓力和速度的耦合問題.

1.2 有限元建模

合成革定型干燥機如圖1(a)所示，每節規格為6 000 mm×2 420 mm×2 000 mm.合成革的入口和出口位于干燥機前后兩側.熱空氣由風排底部噴嘴噴射到皮革的上表面進行干燥.干燥機頂部設置4個排氣口，排出干燥過程中產生的濕氣.為了便于研究，選取一節烘箱為研究對象，如圖1(b)所示.對烘箱模型做如下簡化：保留干燥機內的風排結構、合成革和干燥機的外壁面，原本位于合成革下方的供熱結構不在本模型中出現；將熱空氣入口設置在箱式干燥機的左右兩側，且兩邊的入口邊界條件一致.

圖1 箱式干燥機結構圖Fig.1 Structure diagram of stenter dryer

1.3 邊界條件和材料參數設置

干燥機左右側的熱風入口設置為速度入口邊界條件[15-16].頂部排風口布置的排風風扇排氣量為8 000 m3·h-1，4個排氣口的尺寸均為300 mm×200 mm.因此，干燥機頂部排風口的邊界條件可以轉換為9 m·s-1的速度出口.合成革入口和出口的邊界條件分別設定為壓力入口和壓力出口.箱式定型機的外壁面是由石棉制成的保溫層，風排結構為鍍鋅鋼板，合成革表面為聚氨酯，材料詳細參數列于表1.

表1 壁面邊界條件和材料參數Tab.1 Wall boundary conditions and parameters of materials

2 結果與分析

2.1 風排內部流場

風排是箱式干燥機最關鍵的部分，其結構合理性直接影響合成革的干燥定型效果.當熱空氣在風排結構中有較好的分布時，合成皮革的干燥效率和干燥質量都會得到明顯的改善.為了均布風排內部的流場，在風排內設置3塊擋板，將整個風排沿著寬度方向分成4個通道，擋板的設置方式如圖2所示.圖3是模擬結果得到風排中的整個壓力云圖.從云圖發現：在風排寬度方向呈現對稱分布，但在兩側熱風入口附近存在明顯的低壓區域.為了確定低壓區的具體位置，在Y軸方向距離干燥機底部1 450 mm處截取一個平面，觀察該面上的壓力云圖分布，如圖4(a)所示，熱風入口左右都出現低壓區域，且低壓區都位于安裝擋板的轉彎處.圖4(b)是截取的平面的溫度云圖，可見在低壓區的溫度明顯比其他位置低.

圖2 風排內部中擋板的安裝位置Fig.2 Position of the baffles in the wind exhaust structure

圖3 風排整體壓力云圖Fig.3 Whole contours of pressure in the wind exhaust structure

圖4 距離底部1 450 mm處截面的壓力和溫度云圖Fig.4 Contours of pressure and temperature in the intercepted plane of 1 450 mm from the bottom wall

沿著干燥機寬度方向截取平面，該平面距離外壁700 mm.在此截面生成壓力云圖，如圖5所示.該截面的壓力云圖可以反映風排內部和烘箱內部的壓力分布情況.圖中可以觀察到在風排熱風入口的右側出現低壓區，真空度為1.5 Pa，大于該處排風口下方的真空度(0.9 Pa).在此截面繪制速度矢量圖，并選取低壓區域局部放大.由于風排內部的低壓區而形成的壓差導致排風口附近的氣流往回流動，圖6為熱風入口右側第一個排氣口氣體回流現象.在第一個排風口處，速度流線的方向是從烘箱流向風排，說明風排中的熱風不僅沒有排出，且烘箱中的潮濕氣體倒吸進入風排.圖7是在風排中生成的速度流線圖.高溫煙氣以相對較高的速度進入風排后，由于設置了擋板，在擋板的轉角處形成了漩渦.螺旋度是渦旋狀態與速度矢量的點乘，用于描述氣流的渦旋狀態.若漩渦為順時針，則其值為負值，否則其值為正.圖8的螺旋度云圖可見，在熱風入口右側且靠近外壁面處的漩渦是最大的.

圖5 距離外壁面700 mm處截面的壓力云圖Fig.5 Contours of pressure in the plane of 700 mm from the wall

圖6 熱風入口右側第一個排氣口氣體回流現象Fig.6 Air flow backward phenomenon at the first exhaust port

圖7 風排內速度流線圖Fig.7 Streamline of velocity in the wind exhaust structure

圖8 距離干燥機底部1 450 mm處橫截面的螺旋度云圖Fig.8 Contours of helicity in the plane of 1 450 mm from the bottom wall

2.2 風排底部的H2O和二甲基甲酰胺(DMF)摩爾濃度分布

圖9為干燥機風排底部的溫度分布云圖.很明顯，在熱風入口右側第一個排氣口的溫度明顯低于其他排氣口的溫度.為了更直觀地觀察排氣口底部的溫度變化趨勢，在每個排氣口的中心位置選取數據點繪制曲線，數據取點位置如圖10.

圖9 干燥機風排底部溫度分布云圖Fig.9 Contours of temperature at the bottom of wind exhaust structure

圖10 風排底部排風口數據取點位置Fig.10 Positions of data points at the bottom of wind exhaust structure

理想情況下，高溫氣體從兩側進入風排后，氣體沿著兩端擴散，整體應呈現中間溫度高，兩端溫度低的變化趨勢.圖11是風排底部取得的數據點繪制的溫度變化趨勢圖.可以發現風排底部的溫度從340 K增加到最高值395 K(x=3 m)，然后降低到最低值329 K(x=4 m).熱風入口位于3 m處溫度達到最高值；在x=4 m處溫度降到最低，該位置正是熱風入口右側的第一個排風口.圖11(a)顯示風排底部水分的摩爾濃度變化趨勢與溫度變化趨勢相反.水分摩爾濃度在溫度最高點處的值最低；在溫度最低處，水分摩爾濃度最高，達到15.8 mol·m-3.其主要原因是風排中的低壓區導致烘箱內氣體產生倒吸，使得第一出風口處的溫度顯著低于其他出風口處的溫度.并且，漩渦的產生使得第一個出風口處的壓力也較低于其他位置，因此水分傾向于在這里積聚.二甲基甲酰胺(DMF)在合成革生產的時候充當溶劑，在末端干燥中，合成革表面還殘留較高濃度的DMF.殘留的DMF如果沒有及時干燥排走，生產的合成革表面DMF濃度超限會對人體造成傷害.類似地，圖11(b)顯示的是DMF濃度變化趨勢與溫度的關系，在x=4 m處DMF摩爾濃度達到峰值(0.6 mol·m-3).

圖11 風排底部水分和DMF隨溫度的變化趨勢Fig.11 H2O and DMF change with temperature at the bottom of wind exhaust structure

上述模擬結果表明，風排右側第一排氣口的溫度為329 K，低于水和DMF的汽化溫度373 K和436 K.水蒸氣和DMF開始液化，如圖12所示.液化的水和DMF混合液落在合成革上使其表面受到污染，合成皮革生產質量嚴重下降.風排的材料為鍍鋅板，在環境干燥或無污染的環境中其耐腐蝕性能十分優越.然而當鍍鋅板處于潮濕的環境中，特別是當空氣中含有二氧化碳、二氧化硫等酸性物質時，鍍鋅板的反腐性能將大幅度下降.當水分在鍍鋅板表面凝結，在缺少空氣流動時會因為氧濃度的不同而導致鍍鋅板表面產生電位差，從而產生電化學腐蝕，反應如式(3)～(6).此外，DMF在高溫且有水的條件下是不穩定的，易發生水解，生成甲酸(HCOOH)與二甲基胺((CH3)2NH).甲酸屬于強酸，會直接與鋅及其氧化產物發生反應，當鍍鋅層遭到破壞后，將進一步腐蝕鋼板，反應如式(7)～(9).腐蝕縮短了排氣結構的更換周期，從而增加了生產成本.風排的腐蝕現象如圖13所示，液化位置主要出現在第一個排風口附近(見圖14).

圖12 風排底部的蒸氣冷凝Fig.12 Condensation at the bottom of wind exhaust structure

圖13 排底部的表面腐蝕現象；Fig.13 Corrosion at the bottom of wind exhaust structure

圖14 風排內部蒸氣液化和腐蝕的位置Fig.14 Position of condensation and corrosion in the wind exhaust structure

陽極反應：

Zn = Zn2++ 2e-

(3)

陰極反應：

O2+ 2H2O + 4e-= 4OH-

(4)

總反應：

Zn2++ 2OH-= Zn(OH)2/Zn2++ 2OH-= ZnO·H2O

(5)

DMF水解反應：

HCON(CH3)2+ H2O = (CH3)2NH + HCOOH (>70 ℃)

(6)

甲酸與鋅及其氧化物反應方程式:

Zn + 2HCOOH = Zn(COOH)2+ H2

(7)

ZnO + 2HCOOH = Zn(COOH)2+ H2O

(8)

Zn(OH)2+ 2HCOOH = Zn(COOH)2+ 2H2O

(9)

2.3 改進措施

從以上分析可知，在風排內部添加3塊擋板后，風排的流場分布得到了明顯的改善.但是，在擋板轉角處形成的漩渦，使該位置的壓力急劇降低.且在熱風入口右邊第一個排風口處溫度較低，出現蒸氣冷凝和風排腐蝕.為優化風排內擋板轉角處流場分布并消除漩渦，在擋板之間安裝擾流板.根據之前模擬所得結果，擾流板垂直放置在渦流的中間.具體安裝方式如圖15所示.圖16顯示在添加擾流板之后擋板轉彎處的漩渦破裂.流線基本沿風排長度分布，流場分布更均勻.

圖15 擾流板的安裝方法和位置Fig.15 Installation method and location of spoilers

添加擾流板后距離干燥機底部1 450 mm處橫截面的壓力云圖如圖17所示.將圖17與圖4(a)相比較可以看出，在添加擾流板之后，風排內的壓力分布發生顯著改善.隔板轉彎處的低壓區域被分散，只存在局部小區域的低壓區，且風排底部溫度分布也更為理想(見圖18).實現風排兩端的溫度較低，中間較高.熱風入口右側的第一個排風口不再是低溫出口.在風排底部選擇相同數據點繪制曲線，如圖19所示.由圖19可以看出，溫度整體上升，同一點的最高和最低溫度分別為464 K和395 K.在4 m處，水分濃度顯著降低，僅為1.4 mol·m-3.DMF濃度最高值也降低至0.4 mol·m-3.

圖18 添加擾流板后風排底部的溫度云圖Fig.18 Contours of temperature at the bottom of the the wind exhaust structure after adding spoilers

圖19 添加擾流板后風排底部水分和DMF濃度隨溫度變化趨勢Fig.19 H2O and DMF change with temperature at the bottom of wind exhaust structure after adding spoilers

圖20 飽和蒸氣壓曲線和風排底部溫度與壓力數據點分布Fig.20 Saturated vapor pressure curve and data point distribution of temperature and pressure in the wind exhaust structure

水的飽和蒸氣壓是溫度的函數，在壓力變化范圍小的情況下，溫度變化是水蒸氣飽和的主要原因.合成革箱式干燥機中的壓力略小于大氣壓力.將出風口底部的溫度和壓力數據點與水的飽和蒸氣壓曲線繪制在同一圖中，如圖20所示.在添加擾流板之前，大多數數據點分布在水的飽和蒸氣壓力曲線的左側，表明這些點已達到液化條件.而在添加擾流板之后，數據點主要分布在飽和蒸氣壓力曲線的右側.這些點的溫度高于該壓力值下水的沸點，所以沒有發生水蒸氣液化.

3 結論

本研究模擬了合成革箱式干燥機中的流場分布.模擬結果表明，在風排內部隔板的轉角產生漩渦，導致該區域形成低壓.低壓區的真空度為1.5 Pa，低于風排底部排風口的真空度為0.9 Pa.風排內部低壓和排風口處形成的壓差使得烘箱內的氣體被吸回到風排中，不利于高溫氣體噴出.同時，低壓區下方的排風口的溫度明顯低于其他排風口的溫度，干燥過程中產生的水蒸氣和DMF氣體在此液化積聚.此外，排風材料是鍍鋅鋼板，DMF在水溶液中水解產生甲酸，是風排發生電化學腐蝕.在風排內隔板中間添加擾流板后，流場分布變得更均勻.排風口的排出溫度顯著升高，在風排底部第一個排風口不再發生蒸氣液化.