氣氣板式換熱器在白炭黑閃蒸干燥系統中的應用

張振中

上海艾克森股份有限公司

0 白炭黑閃蒸干燥系統余熱回收簡介

白炭黑是微細粉末狀或超細粒子狀無水及含水SiO2或硅酸鹽類的總稱，其SiO2含量大于90%,粒徑一般為5～40 nm，表面含有較多羥基，易與水形成氫鍵，從而聚集成細粒，具有多孔性、不溶于水和酸、高分散性等特性，廣泛應用于橡膠、輪胎、制鞋等領域［3］。

據統計，2020年我國白炭黑產量202.4萬t，白炭黑干燥過程中需消耗大量的熱量，圖1 為無余熱回收的白炭黑閃蒸干燥系統圖［4］。

圖1 無余熱回收白炭黑閃蒸干燥系統圖

如圖所示，鼓風機鼓入常溫助燃空氣與天然氣在熱風爐內燃燒，燃燒后的煙氣溫度達500 ℃左右，然后進入干燥塔干燥白炭黑，干燥后的濕熱尾氣通過袋式除塵器過濾，再由引風機排至大氣。這部分尾氣溫度高達70～120 ℃，含有大量的熱量，直接排放造成了能量損失。為此，增加氣氣不銹鋼板式換熱器來回收尾氣，用以提高助燃空氣溫度達到節約天然氣的目的。增加不銹鋼板式換熱器后的白炭黑閃蒸干燥系統圖見圖2。

圖2 增加不銹鋼板式換熱器后的白炭黑閃蒸干燥系統圖

1 氣氣不銹鋼板式換熱器的結構及工作原理

氣氣不銹鋼板式換熱器是由一系列金屬板片疊加焊接而成，板片之間為薄矩形通道，濕熱尾氣和常溫空氣流經相鄰通道，采用逆流或錯流進行換熱，是一種高效的換熱裝置。板式換熱器對干燥系統中排出的濕熱尾氣進行降溫和除濕，并對常溫空氣預熱，使尾氣的熱量被充分利用。

氣氣不銹鋼板式換熱器主要由框架、換熱板片、風道等組成。

整機框架采用碳鋼制作，用于固定和支撐換熱器。換熱器內部與濕熱尾氣接觸部分及排水部分采用不銹鋼材料。

換熱板片采用0.6～1.2 mm 的不銹鋼，通過液壓機一次壓制成型，形成人字波紋或球形鼓泡板片。板片與板片間形成間隔式風道腔體，一側通冷風，一側通濕熱尾氣。為保證板片間冷熱氣體互不串氣，要求板片整張制作，壓制后無裂紋。板片通道設置內支撐，防止氣體壓力導致通道變形。板片焊接完成后要進行氣密性試驗，保證泄漏率為零。板式換熱器換熱組件見圖3。

圖3 板式換熱器換熱組件

濕熱尾氣經過換熱后溫度降低，會有一部分冷卻水析出，故需設置排水系統。排水系統設在低處，以便冷卻水的及時排出，保證系統的安全運行。

由于濕熱尾氣溫度遠高于環境溫度，為防止熱量損失及對操作人員的燙傷，換熱器需安裝保溫材料，使其表面溫度不高于環境溫度20 ℃，且熱損失不高于5%。

干燥系統運行過程中，濕熱尾氣含有一定量的白炭黑粉末，且隨著除塵器濾袋可能的破損，尾氣中白炭黑粉末會增多，長期運行會堵塞板式換熱器通道，降低換熱效果，增加風機負荷，為此需對尾氣側除塵清灰。為保證清灰的高效便捷，在尾氣進口處設置了自動噴淋裝置，噴淋面完全覆蓋尾氣進口通道。噴淋裝置外接水壓保證的市政自來水，在進水口處設置電磁閥，濕熱尾氣進出口處安裝壓差傳感器監測尾氣進出口壓差。當尾氣壓差大于設定值時，電磁閥開啟，噴淋水對通道進行沖洗。當差值恢復到正常值時，電磁閥關閉，噴淋停止，噴淋廢水通過底部排水系統及時排出。

由于干燥系統占用空間較大，如是改造項目，氣氣板式換熱器的外形尺寸和接口方位需與系統現有場地及配管相配。板式換熱器緊湊高效的特點使其容易做到，且板式換熱器的接口方位也可根據現場實際情況制作。板式換熱器接口形式見圖4。

圖4 板式換熱器接口形式

2 板式換熱器的特點

不銹鋼板式換熱器板片經特殊處理，具有傳熱系數高、阻力小的特點，其應用工況溫度可從常溫到700 ℃。換熱組件整體彈性結構設計，克服了高溫環境下材料熱應力導致的損壞，使設備安全可靠運行。

根據不同工況非標設計，設備采用全焊接形式。制作過程嚴格控制，多道試壓工序，保證了設備長期使用無泄漏。

根據工藝和安裝要求定制的換熱器，性能有保障：

1）設備保溫為內保溫防燙設計，戶外防雨設計，安裝場地采用不銹鋼保溫外護板，整潔美觀。

2）設備重量輕、體積小、結構緊湊，單位體積換熱面積可達60 m2。

3）模塊化設計制造工期短，安裝方便。

4）設備投資小、見效快，投資回收期一般不超過12個月。

3 氣氣板式換熱器的應用

該板式換熱器已在浙江新納新材料有限公司應用成功，其設計風量為38 000 Nm3/h,換熱面積1 300 m2，尾氣進口溫度70～120 ℃。對一臺不銹鋼氣氣板式換熱器一年三個時間點的運行數據進行了監測和分析（見表1）。

表1 換熱器運行數據表

由于氣候、天氣等原因，板式換熱器冷側空氣進口溫度、物料產量及含濕量、尾氣進口溫度和含濕量不同，這些因素影響了板式換熱器尾氣出口溫度和空氣預熱后的溫度。

綜合表1 數據，計算單位小時平均換熱量=(436+492+392）/3=440 kW。

按年平均運行300 d計算，每天24 h連續運行，則年回收熱量Q=300x24 x 440=3 168 000 kW。

按天然氣熱值1 m3熱值8 800 kcal/h 折算，每年節約天然氣量=年回收熱量/單位體積天然氣熱值=3 168 000x1 000/1.163/8 800=309 544 m3。

綜上所述，一臺氣氣不銹鋼板式換熱器一年可節約30萬m3天然氣。

理論上1 m3天然氣燃燒大約產生1.9 kg 的CO2，按年節約30 萬m3天然氣計算，可少向大氣排放570 tCO2。

不銹鋼換熱器運行壽命可達10年以上，可為企業節約數百萬元的天然氣費用，在降低生產成本的同時，提高了系統熱效率，還減少了碳排放。

4 結語

板式換熱器經過100 多年的發展，已廣泛應用于化工、輕工、石油、電力等工業，但在白炭黑閃蒸干燥系統中應用不多，這與人們對板式換熱器的了解、使用習慣及產品的水平有關。 隨著板式換熱器在氣氣換熱方面的研究，市場推廣及應用不斷擴大，為碳達峰目標貢獻了一份力量。