气气板式换热器在白炭黑闪蒸干燥系统中的应用

张振中

上海艾克森股份有限公司

0 白炭黑闪蒸干燥系统余热回收简介

白炭黑是微细粉末状或超细粒子状无水及含水SiO2或硅酸盐类的总称，其SiO2含量大于90%,粒径一般为5～40 nm，表面含有较多羟基，易与水形成氢键，从而聚集成细粒，具有多孔性、不溶于水和酸、高分散性等特性，广泛应用于橡胶、轮胎、制鞋等领域［3］。

据统计，2020年我国白炭黑产量202.4万t，白炭黑干燥过程中需消耗大量的热量，图1 为无余热回收的白炭黑闪蒸干燥系统图［4］。

图1 无余热回收白炭黑闪蒸干燥系统图

如图所示，鼓风机鼓入常温助燃空气与天然气在热风炉内燃烧，燃烧后的烟气温度达500 ℃左右，然后进入干燥塔干燥白炭黑，干燥后的湿热尾气通过袋式除尘器过滤，再由引风机排至大气。这部分尾气温度高达70～120 ℃，含有大量的热量，直接排放造成了能量损失。为此，增加气气不锈钢板式换热器来回收尾气，用以提高助燃空气温度达到节约天然气的目的。增加不锈钢板式换热器后的白炭黑闪蒸干燥系统图见图2。

图2 增加不锈钢板式换热器后的白炭黑闪蒸干燥系统图

1 气气不锈钢板式换热器的结构及工作原理

气气不锈钢板式换热器是由一系列金属板片叠加焊接而成，板片之间为薄矩形通道，湿热尾气和常温空气流经相邻通道，采用逆流或错流进行换热，是一种高效的换热装置。板式换热器对干燥系统中排出的湿热尾气进行降温和除湿，并对常温空气预热，使尾气的热量被充分利用。

气气不锈钢板式换热器主要由框架、换热板片、风道等组成。

整机框架采用碳钢制作，用于固定和支撑换热器。换热器内部与湿热尾气接触部分及排水部分采用不锈钢材料。

换热板片采用0.6～1.2 mm 的不锈钢，通过液压机一次压制成型，形成人字波纹或球形鼓泡板片。板片与板片间形成间隔式风道腔体，一侧通冷风，一侧通湿热尾气。为保证板片间冷热气体互不串气，要求板片整张制作，压制后无裂纹。板片通道设置内支撑，防止气体压力导致通道变形。板片焊接完成后要进行气密性试验，保证泄漏率为零。板式换热器换热组件见图3。

图3 板式换热器换热组件

湿热尾气经过换热后温度降低，会有一部分冷却水析出，故需设置排水系统。排水系统设在低处，以便冷却水的及时排出，保证系统的安全运行。

由于湿热尾气温度远高于环境温度，为防止热量损失及对操作人员的烫伤，换热器需安装保温材料，使其表面温度不高于环境温度20 ℃，且热损失不高于5%。

干燥系统运行过程中，湿热尾气含有一定量的白炭黑粉末，且随着除尘器滤袋可能的破损，尾气中白炭黑粉末会增多，长期运行会堵塞板式换热器通道，降低换热效果，增加风机负荷，为此需对尾气侧除尘清灰。为保证清灰的高效便捷，在尾气进口处设置了自动喷淋装置，喷淋面完全覆盖尾气进口通道。喷淋装置外接水压保证的市政自来水，在进水口处设置电磁阀，湿热尾气进出口处安装压差传感器监测尾气进出口压差。当尾气压差大于设定值时，电磁阀开启，喷淋水对通道进行冲洗。当差值恢复到正常值时，电磁阀关闭，喷淋停止，喷淋废水通过底部排水系统及时排出。

由于干燥系统占用空间较大，如是改造项目，气气板式换热器的外形尺寸和接口方位需与系统现有场地及配管相配。板式换热器紧凑高效的特点使其容易做到，且板式换热器的接口方位也可根据现场实际情况制作。板式换热器接口形式见图4。

图4 板式换热器接口形式

2 板式换热器的特点

不锈钢板式换热器板片经特殊处理，具有传热系数高、阻力小的特点，其应用工况温度可从常温到700 ℃。换热组件整体弹性结构设计，克服了高温环境下材料热应力导致的损坏，使设备安全可靠运行。

根据不同工况非标设计，设备采用全焊接形式。制作过程严格控制，多道试压工序，保证了设备长期使用无泄漏。

根据工艺和安装要求定制的换热器，性能有保障：

1）设备保温为内保温防烫设计，户外防雨设计，安装场地采用不锈钢保温外护板，整洁美观。

2）设备重量轻、体积小、结构紧凑，单位体积换热面积可达60 m2。

3）模块化设计制造工期短，安装方便。

4）设备投资小、见效快，投资回收期一般不超过12个月。

3 气气板式换热器的应用

该板式换热器已在浙江新纳新材料有限公司应用成功，其设计风量为38 000 Nm3/h,换热面积1 300 m2，尾气进口温度70～120 ℃。对一台不锈钢气气板式换热器一年三个时间点的运行数据进行了监测和分析（见表1）。

表1 换热器运行数据表

由于气候、天气等原因，板式换热器冷侧空气进口温度、物料产量及含湿量、尾气进口温度和含湿量不同，这些因素影响了板式换热器尾气出口温度和空气预热后的温度。

综合表1 数据，计算单位小时平均换热量=(436+492+392）/3=440 kW。

按年平均运行300 d计算，每天24 h连续运行，则年回收热量Q=300x24 x 440=3 168 000 kW。

按天然气热值1 m3热值8 800 kcal/h 折算，每年节约天然气量=年回收热量/单位体积天然气热值=3 168 000x1 000/1.163/8 800=309 544 m3。

综上所述，一台气气不锈钢板式换热器一年可节约30万m3天然气。

理论上1 m3天然气燃烧大约产生1.9 kg 的CO2，按年节约30 万m3天然气计算，可少向大气排放570 tCO2。

不锈钢换热器运行寿命可达10年以上，可为企业节约数百万元的天然气费用，在降低生产成本的同时，提高了系统热效率，还减少了碳排放。

4 结语

板式换热器经过100 多年的发展，已广泛应用于化工、轻工、石油、电力等工业，但在白炭黑闪蒸干燥系统中应用不多，这与人们对板式换热器的了解、使用习惯及产品的水平有关。 随着板式换热器在气气换热方面的研究，市场推广及应用不断扩大，为碳达峰目标贡献了一份力量。