非直喷型燃气烘缸干燥技术

韩鹏高 张 锋 魏 涛

(陕西科技大学机电工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安, 710021)



·燃气烘缸·

非直喷型燃气烘缸干燥技术

韩鹏高 张 锋 魏 涛

(陕西科技大学机电工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安, 710021)

现代纸机干燥部蒸汽烘缸内的蒸汽压力受限,蒸汽利用率不高,烘缸内冷凝水聚集等问题导致其很难达到预期干燥效果。结合国内外燃气烘缸的相关专利和研究现状,本文详细介绍了非直喷型燃气烘缸的主要核心技术，分析了各种技术的原理和优点，总结并提出了非直喷型燃气烘缸的应用前景,为该技术今后的研发及应用提供参考。

燃气烘缸；非直喷；平面火焰；烟气循环

现代纸机干燥部的蒸汽烘缸属于受压容器,一般通入0.3～0.5 MPa的蒸汽[1]。这导致烘缸表面的温度在一定的范围变动,最高温度受蒸汽压力的限制,干燥能力有限。对于一些高定量的纸种,为了达到干燥效果只能在一定的压力和温度下通过增加烘缸数量或烘缸直径来增大干燥面积,这样，干燥部的占地面积和设备投资费用都会增加[2],阻碍纸机车速和产量的提高，因此，有必要提高烘缸的干燥效率。为了克服蒸汽烘缸存在的缺点,国际上曾提出了燃气烘缸的理念,随着其在欧美一些国家的成功应用之后,目前越来越多地受到国内外造纸业界的关注。燃气烘缸利用燃料直接燃烧产生的高温烟气加热烘缸内壁进行传热,在加热面积一定的情况下,不仅能提高烘缸表面的温度,还有效提高了能源的利用效率。

1 非直喷型燃气烘缸的供热系统

1.1 燃气烘缸干燥系统原理

非直喷型燃气烘缸将低排放带状燃烧器和先进的传热增强技术相结合形成了高效的燃气烘缸干燥系统。该方法直接利用气体燃烧产生的高温烟气和烘缸内壁接触进行对流传热和辐射传热,高温烟气在烘缸的内部沿着烘缸的曲面进行流动。气体燃烧产生热量直接被烘缸表面吸收,使烘缸表面的温度明显提高,最高温度可达315℃;能量的传递效率更高,由蒸汽供热的60%～65%增长到75%～80%；干燥效率为传统蒸汽干燥加热的4～5倍[2-3]。在不增加传热面积的情况下能传递更多热量,而且没有了冷凝水的困扰,纸机的车速和产量可以同时得到提高和保证。燃气烘缸干燥系统原理见图1。

1.2 传热原理

现代纸机蒸汽烘缸的传热效率并不理想。主要由于烘缸内部冷凝水的存在,冷凝水随着烘缸转动内部会形成冷凝水环,冷凝水环的导热系数仅为铸铁烘缸壁导热系数的1/88,这必将加大蒸汽和烘缸间的热阻,造成烘缸的干燥效率下降和干燥不均导致的纸层卷面等纸病。非直喷型燃气烘缸的传热能改善烘缸表面温度的均匀性[4-5]。

图1 燃气烘缸干燥系统原理图

图2 非直喷型燃气烘缸结构示意图

图3 烘缸内壁结构示意图

图4 火焰喷口结构示意图

非直喷型燃气烘缸的传热机理：高温烟气和烘缸内壁的对流传热属于无相变对流传热。高温烟气流体经燃烧器喷出后流过固体壁面时,在壁面附近的流体因减速形成流动边界层,边界层内存在着速度梯度。若边界层内的流体流动为层流时,称为层流边界层,若边界层的流动为湍流时,则称为湍流边界层。对于湍流主体,由于流体质点充分混合,流体之间的温度差和温度梯度很小,传热热阻也很小。而在层流内层和湍流主体之间存在一过渡区,该区域的传热是导热与对流共存。由此可见，对流传热热阻主要集中在边界层尤其是层流内层,破坏边界层的发展或者减薄层流内层是提高对流传热的有效手段。而影响高温气体和烘缸内壁传热的主要因素是流体的流动形态[6]。当高温烟气呈湍流流动时,湍流主体的流体质点充分混合,温度梯度小,且湍动越强,层流内层越薄,传热热阻越小,故对流传热系数较大。图2所示为非直喷型燃气烘缸剖面示意图。

2 非直喷型燃气烘缸的关键技术

2.1 涡旋传热增强技术

将烘缸沿径向切成薄片,取一小微段将其看成管道,高温烟气在环间的流动可以近似地抽象成无相变下流体在管内强制对流传热。由于循环烟气的吸入会加强高温流体整体的流动性能,能提高其湍动流动速度。为了进一步加强其余烘缸内壁的对流传热,在烘缸内壁上开有许多微型凹洞,烟气在经过凹洞时,烟气的湍流程度会进一步加剧,因此,烟气与烘缸表面形成的边界层会被破坏,层流内层也会变薄,从而大大加强了两者间的对流传热系数[7- 8]。非直喷型燃气烘缸的结构由两个同轴的圆柱筒组成,外筒随着纸幅转动,内筒固定,如图3所示,主要包含了带状燃烧器和换热器点火装置。带状燃烧器是沿着烘缸轴向均匀排列的一系列喷射小孔,即图2中A-A处的剖面,如图4所示。

高温烟气在通道随着内壁流动时,内壁上的凹洞会使得烟气与烘缸内壁的对流传热得到加强,提高传热效率,外筒的厚度一般为0.5～6英寸(1英寸=25.4 mm)。内筒外表面是由耐高温的石英材料制成,其热导性低,热膨胀系数小,热稳定性好,在高温的环境下,其导热系数在230℃时仅为0.872 W/(m·k)[8],热量可以最大限度地通过对流和辐射传热与烘缸内壁间进行传递。

2.2 平面火焰技术

燃气烘缸的燃料一般是天然气和空气的混合物,两者在进入燃烧器之前,应该混合均匀。燃料通过该燃烧器喷出的是平面火焰。燃烧器由旋流器和火道组成。空气和燃气经旋流器呈旋流向前流动,两者混合后,进入喇叭形的火道开始燃烧,火道出口处旋流在离心力和回流烟气(回流烟气会增加燃烧稳定性)的作用下,向四周扩散形成圆盘形的平面火焰,沿着护墙扩展。这种平面火焰具有均匀的温度场,与烘缸外筒内壁之间的对流传热和内筒外表面与烘缸外筒内壁间的辐射传热稳定,更有效地防止产生局部过热情况。火道出口附壁的曲线保证了能够形成展开的平盘气流和成分均匀稳定的燃料喷流。此外,燃料的预热对于平面火焰的形成也至关重要。

该项技术的特点是火焰从燃烧器射出后与平面呈约45°角,喷射方向由烘缸转动方向确定,要与烘缸转动方向保持一致[5]。避免与烘缸内壁直接接触,避免了烘缸局部受热过高,造成烘缸内壁氧化剧烈。因此,延长了烘缸的使用寿命,使得烘缸表面整体受热均匀。排出的烟气温度仍然很高,为了充分吸收其热量,可以在烘缸固定的内筒上设计一个换热器用来预热进入燃烧器的燃料,从而使燃料燃烧后的热能最大限度地被利用。燃料的预热和氧气的体积分数均会对平面火焰造成影响。增加燃料的预热温度会拓宽火焰稳定燃烧区域,而降低空气中氧气体积分数会破坏火焰的稳定性[9]。所以换热器不但利用了废气的热量,且对燃烧的稳定性也起到了很好的作用。

平面火焰技术的应用使燃料燃烧充分,不但提高了能源利用率,节约燃料且有效降低了废气中对环境有害的成分氮氧化物(NOx)。

2.3 烟气循环技术

燃料从进入到燃烧器喷出后变成高温烟气,再经过环形通道,最后变成废气进入到换热器,整个传热过程可由图5表示。

图5 烟气在烘缸内的流动过程示意图

该燃烧器采用了烟气再循环和低NOx燃烧技术和可调节式燃气喷嘴来改善燃料燃烧时火焰的情况以降低NOx的排放。高温烟气除了大部分经过换热器回收热能用于预热燃料,还有一部分用于内外环间的循环利用。烟气循环技术是将部分低温烟气直接送入燃烧区域内,回收的烟气吸热稀释了氧浓度,使燃烧速度和环道内的温度降低,这部分烟气会直接通过循环到达火焰根部,对火焰有适当的冷却作用,能减少热力型NOx的量。回收的烟气会增加整个环间烟气的流动性及其速度。因此,有效提高了环间烟气温度的均一性,同时增强了烟气与烘缸内壁间的对流传热速率。烟气再循环的效果不仅与燃料种类有关,还与再循环的烟气量有关。再循环量过大,通道内的温度降低太多,燃烧则不稳定。再循环量过小,则达不到降低NOx的效果。

烟气循环技术在增强环间烟气流动性和提高烟气与烘缸内壁对流传热效率的同时,也缩短了烟气在环间的停留时间,使得环间的温度降低,从而影响平面火焰的燃烧稳定性。因此,不同温度控制下,相应烟气循环技术的关键是在降低NOx的同时,保证环间燃料的燃烧效率和火焰的稳定性,在两者之间找到最优的平衡点。除此之外,过量空气系数、燃料和空气进气时的压力、烟气再循环率、燃料的预热温度等均会影响环间火焰燃烧的稳定性和温度的高低[10]。

3 结 语

与其他热源的干燥系统相比,非直喷型燃气烘缸干燥系统彻底克服了蒸汽烘缸的冷凝水问题,利用漩涡传热增强技术、平面火焰技术和烟气循环技术使能源得到了高效利用。在一定的加热面积上,显著提高烘缸的表面温度,提高传热效率,且节省了设备投资。

目前这种非直喷型燃气烘缸和蒸汽烘缸主要在一些生产高定量纸种纸机的干燥部混合使用,两者结合能有效地提高纸机干燥部的干燥效率和产量。而且非直喷型燃气烘缸表面温度的可控性好,通过控制循环烟气量和新鲜燃气和氧气的比例来调节温度，可满足不同纸种的干燥工艺要求。因此,这种非直喷型燃气烘缸将会是大幅宽、高定量纸种、高速现代纸机的理想干燥设备。

[1] Chen Kefu. Pulp and Paper Machinery and Equipment[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2011.陈克复. 制浆造纸机械与设备[M]. 北京: 中国轻工业出版, 2011.

[2] Sun Jingdan, Wang Zhengshun. Advanced High-efficiency and Low-Emission Gas-fired Drum-Drying Technology[J]. World Pulp and Paper, 2009, 28(2): 30.

孙京丹, 王正顺. 先进高效的燃气烘缸干燥技术[J]. 国际造纸, 2009, 28(2): 30.

[3] ZHANG Feng, GAO Zhi-fu, QIAN Hong-yu. Finite Element Analysis of the Cylinder Head[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(1): 40

张 锋, 高致富, 钱红玉. 基于有限元烘缸缸盖的有限元分析[J]. 中国造纸, 2014, 33(1): 40.

[4] Liu Yunfeng. Drying Equipment of a New Type Paper Machine—Gas&Oil-Heated Dryer[J]. Light Industry Machinery. 1997(3): 32.

刘云峰. 一种新型纸机干燥设备——燃油燃气烘缸[J]. 轻工机械, 1997(3): 32.

[5] Hamid, Ali Abbasi, Yaroslav. PROCESS AND APPARATUS FOR INDIRECT-FIRED HEATING AND DRYING: US, 6877979B2[P]. 2005- 04-12.

[6] Klaus H, Hemsath Being-I Fu. Direct Fired Cylinder Dryer: US, 4693015[P]. 1987- 09-15.

[7] David Gamble, Kennesaw, Georgia. Gas fired drying cylinder: US, EP0857931B1[P]. 2004- 02- 01.

[8] DONG Ji-xian, Dang Rui. Research and Design of New Type of Paper Machine Dryer[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(6): 45.

董继先, 党 睿. 造纸机新型烘缸的研究与设计[J]. 中国造纸, 2009, 28(6): 45.

[9] David Gamble, Ian Gerald Lang. Gas Heated Paper Dryder: US, 5791065[P]. 1998-11-.

[10] Yang Weijie. Analysis or Testing for Gas-Burner With Flue Gas Recycle[J]. Industrial Boiler, 2008(5): 23.

杨伟杰. 烟气再循环燃气燃烧器的试验分析[J]. 工业锅炉, 2008(5)： 23.

(责任编辑：刘振华)

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

韩鹏高先生，在读硕士研究生；主要研究方向：制浆造纸设备及其自动化。

2016- 04-13(修改稿)

TS734+.4

A

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