喷雾冷却流化床的原理及节能效果分析

张海滨,覃新艳,陈际显,张庆磊,彭丽华

(山东天力能源股份有限公司,山东 济南 250013)

工业中普遍采用的干燥工艺为热力干燥,即利用热源的加热作用让物料和物料中的水分共同升温,增大物料中水分的蒸气压,增加物料中水分和周边气氛的压力梯度,形成推动力,使物料中的水分汽化后向周边气氛扩散,从而达到干燥的目的。因此,基于热力干燥原理的干燥工艺在干燥物料的同时,也会使物料的温度升高。

盐、碱、硝、氯化铵等无机盐物料均具有一定的吸湿性。在密闭空间中,温度高的物料能使周围气氛中的水蒸气富集、结露,然后被物料再度吸收,很容易使物料局部结块,影响产品质量。因此,为了避免物料包装后结块,在热力干燥后,需要对物料进行冷却。

无机盐物料可用的冷却方式较多,按照主机类型划分,有回转冷却机、流化床冷却机、粉体流冷却机、气流冷却机、夹套螺旋冷却机等。按照物料与冷却介质的接触方式划分,可分为直接接触式、间接换热和混合换热等。以上冷却技术存在一个共同点:用冷却介质以显热的方式和物料换热,用冷却介质的升温换取物料的降温。由于显热的热量较少,传统的冷却技术是一种较低效的换热过程,完成物料冷却所需设备的尺寸、占地、投资和运行成本均较高。

在专利ZL 2021 2 2212004.4中提出了一种利用水的潜热对物料降温的喷雾冷却流化床[3],文章介绍该技术的原理和节能效果。

1 喷雾冷却流化床的结构及工作原理

喷雾冷却流化床的基本结构是一种内置雾化喷头的冷却流化床。其主体为流化床,可采用普通流化床,也可采用内置换热管的流化床。根据物料特性和流化床工作时的流化速度,可以将雾化喷头设置在流化层、流化床上方,也可以设置在气室内部。喷雾冷却流化床的基本结构和工艺流程见图1。

图1 喷雾冷却流化床的结构及工艺流程Fig.1 Structure and technological process of spray cooling fluidized bed

喷雾冷却流化床工作时,鼓风机通入流化风,使物料在床层呈流化态,用雾化喷头将冷却水喷洒呈雾状。在流化风的扰动作用下,冷却水雾滴、物料颗粒和流化风剧烈混合。

由于物料温度较高,携带较多的热量,而流化风的含水率较低,有较强的携湿能力。通过传质、传热作用,雾状液滴和流化风吸收物料中的热量而升温。当液滴温度超过流化风的相平衡温度后,雾状液滴汽化为水蒸气,进入到流化风中。以上过程中,液滴汽化需要的潜热均来自物料降温释放的潜热,实现了利用潜热冷却物料的目的。

喷雾冷却流化床工艺的关键技术在以下三个方面:(1)根据物料处理量和物料温度,设计、控制适合的喷淋水量,避免喷淋水过多未全部汽化,增加物料湿度。(2)合理设计雾化喷头的数量和安装位置,既要避免喷水不均造成床层局部过湿,又要避免喷雾方向靠近设备表面,使雾滴凝结,形成壁流。(3)选择适合的雾化喷头,使雾滴均匀,有良好的分散性,且喷头结构不易被颗粒堵塞。

喷雾冷却流化床对流化风无特殊要求,在湿度低的地区和季节,采用自然空气即可;对于湿度大的地区或季节,设置表冷器,将自然空气降温除湿后再用作流化风。

该技术的应用前提是物料的温度较高,能够提供喷雾液滴汽化所需的热量。通常来说,被冷却物料的温度不低于70 ℃,冷却后的物料温度不低于50 ℃为宜。

该技术在冬季和夏季应用效果不同。夏季环境温度高,流化风温度较高,物料较难冷却,可加入较多的喷淋水使物料降温;冬季环境温度低,流化风温度较低,物料较易冷却,则加入较少的喷淋水。

2 喷雾冷却流化床的换热分析

2.1 换热分析

连续运行的冷却机和外界既有物质交换又有能量交换,可以看做是一个开放系统,为便于分析,可将冷却机的设备边界视为系统边界。系统和外界交换的物质和能量如下。

(1)物质能量交换一。高温物料的输入GcsT1和低温物料的输出GcsT2。冷却物料的质量流量为G,物料比热为cs,物料冷却前后的温度分别为T1和T2。

(2)物质能量交换二。流化风的输入LI1和冷却尾气的输出LI2。流化风的绝干质量流量为L,流化风进、出流化床的焓值分比为I1和I2。

(3)物质能量交换三。喷雾水的输入Wcwtw和水蒸气的输出。仅喷雾冷却流化床有此项。其中,输出水蒸气的物质和能量包含在冷却尾气LI2中。喷雾水的质量流量为W,比热为cw,温度为tw。

(4)仅能量交换一。系统向环境空气散热Qf。

(5)仅能量交换二。冷却介质带走的热量Qh。仅内置换热管的流化床有此项。

如无特殊说明,文章中各项参数均采用国际单位制(SI)。

连续运行的冷却机系统能量守恒,其收入的能量和支出的能量相等(见图2),即:

图2 冷却系统的物料和能量平衡图Fig.2 Material and energy balance diagram of the cooling system

GcsT1+LI1+Wcwtw=GcsT2+LI2+Qf+Qh

(1)

该平衡系统中,可按照能量的来源分类计算。

物料降温放出的热量:

Q1=GcsT1-GcsT2=Gcs(T1-T2)

(2)

流化风升温及尾气携带水蒸气吸收的热量:

Q2=LI2-LI1=L(I2-I1)

(3)

其中,流化风的焓值可通过下式计算:

I1=(1+1.88x1)t1+2 491x1

(4)

I2=(1+1.88x2)t2+2 491x2

(5)

式中:x1、x2为流化风进、出流化床的湿含量,单位kg水/kg绝干;t1、t2为流化风进、出流化床的温度,单位℃。

内置换热管吸收的热量:

Qh=KsΔT

(6)

式中:K、s、ΔT分别为内置换热管的总传热系数、换热面积及换热介质和被冷却物料的对数平均温差。

喷雾水的初始温度为tw,冷却尾气同时排出流化床时,其温度和冷却温度相同,为t2。喷雾水吸收的热量Qw可以分为两部分。

喷雾水升温吸收的热量:

Qw1=Wcw(t2-tw)

(7)

喷雾水汽化吸收的热量:

Qw2=Wγ

(8)

Qw=Qw1+Qw2

(9)

式中:γ为水在t2温度时的汽化热。

冷却机系统的能量守恒也可用热量守恒的形式用下式表示,分别计算:

Q1=Q2+Qh+Qw+Qf

(10)

对于无内置换热管的普通流化床,上式可简化为:

Q1=Q2+Qw+Qf

(11)

为简化计算,系统散热Qf可取物料降温放热Q1的10%～15%。

由公式(10)和(11)可以看出,喷雾水吸收的热量Qw越多,流化风吸收的热量Q2和内置换热管吸收的热量Qh越少。Q2和Qh减少,意味着需要的流化风量和流化床的尺寸均减小,可以减少设备投资、占地,降低运行能耗。

为了衡量喷雾冷却流化床的节能效果,设定一个参数节能因子η,代表喷雾水吸收的热量占物料降温放出热量的百分比。

(12)

2.2 实例

以50 t/h氯化钠冷却为例,初始温度80 ℃,冷却目标温度55 ℃。对冬季和夏季两种工况分别分析,冬季环境气温取5 ℃,夏季环境气温取30 ℃。主要参数见表1。

表1 冷却系统参数表Tab.1 Parameters table of cooling system

根据以上参数设计喷雾冷却流化床,并和无喷雾的流化床进行对比。为保障产能和工艺性能,设备选型应考虑到最恶劣工况,因此,设备按照夏季工况做选型,再研究冬季工况下能够达到的性能。

喷雾冷却流化床可利用物料自身的热量使喷淋水汽化,利用冷却介质的潜热,相同温度下,潜热的数值约为显热的560倍。因此,可以大幅度缩小设备尺寸。

从表2的选型结果可以看出,对于无换热管的普通流化床,采用喷雾冷却,流化床面积减少48.4%,流化风量减少50%,风机装机功率降低45.9%,节能因子可达50%以上;对于内置换热管的流化床,采用喷雾冷却,流化床面积可减少27%,流化风量减少28.6%,风机装机功率降低30.6%,节能因子可达33.6%。

表2 夏季工况流化床选型对比Tab.2 Comparison of fluidized bed selection in summer

喷淋水汽化提高了冷却尾气的湿度,但露点仍比冷却尾气温度低20 ℃以上,且低于环境温度,可保障尾气在运行过程中不结露。

以上设备在冬季工况下运行。由于设备选型已确定,流化床面积、物料处理量、流化风量不可改变,可以调节的参数仅有冷却水量和喷雾冷却流化床的喷淋水量。由于冷却介质的温度降低,冷却后的物料温度也会降低。运行参数结果见表3。

表3 冬季工况下冷却流化床运行参数Tab.3 Operating parameters of cooling fluidized bed in winter

由表3可以看出,冬季工况下,无喷雾冷却的流化床能把物料冷却到远低于目标冷却温度的低温,造成浪费。而有喷雾冷却的流化床,可以通过停止或减少喷水量的措施,将物料冷却至目标温度以下,又不至于温度过低而造成浪费,实现能量合理利用。

3 总结

喷雾冷却流化床最显著的特征是在冷却流化床内部设置了雾化喷头,利用物料自身的热量使喷淋水汽化,实现了利用冷却介质的潜热降低物料温度的功能。

分析结果表明,采用喷雾冷却的方式,可以大幅度缩小冷却流化床的尺寸,减少流化风量,降低装机功率,从而减少冷却机的运行能耗。该设备适合作为夏季恶劣工况下物料降温的辅助手段,用较小的设备,较低的能耗就能满足冷却需求。