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干燥及其废气余热利用技术的研究进展

点击:705 日期:[ 2014-04-26 21:53:34 ]
                         干燥及其废气余热利用技术的研究进展                              李红,伍联营,张佩,胡仰栋                          (中国海洋大学,山东青岛266100)     摘要:简要介绍了国内外干燥新技术。重点介绍了当前干燥废气余热利用技术:废气循环节能、多效节能废气余热利用技术方案、余热回收装置——振荡流热管换热器。并提出今后干燥及其废气余热利用技术的发展方向。     关键词:干燥;废气循环;余热利用;研究;进展     物料干燥是化工企业重要的生产过程之一,其目的是除去某些原料、半成品、成品中的水分,使物料便于包装、运输、储存、加工和使用。干燥工艺涉及化工、石化、医药、食品、造纸、木材、粮食与农副产品加工、建材、环保等众多领域。由于干燥是借助于加热的作用,使物料中的湿分汽化并除去,所以,干燥是一种高能耗的单元操作之一。据文献[1-2]统计,英国各行业干燥能耗总和大约占整个工业系统总能耗的8%,而我国的干燥能耗占整个工业能耗的比例比英国高一半,达12%。当前我国一般化学工业生产中干燥能量利用率仅为20%~60%[3]。干燥工艺废气的排放损失了非常高的能量,因此,干燥废气余热利用技术将进一步促进干燥工艺能效的提高。因此,干燥废气余热利用是干燥节能研究的重要方向。     1·国内外干燥新技术     当代国内外干燥技术发展的总趋势是节能降耗,提高干燥效率,运用计算机提高自控水平。主要采用以下技术。     (1)过热蒸汽干燥技术[4]     过热蒸汽干燥采用过热水蒸气作为干燥介质,代替通常的热空气介质。在进行物料干燥时,过热蒸汽的高热使湿物料中的水分蒸发成水蒸气,然后同干燥介质的过热蒸汽一起排出,排出的水蒸气可回收和再利用。过热蒸汽干燥新技术与常规热空气干燥技术相比节能效果显著。     (2)热风循环干燥技术     热风循环干燥是以加热炉产生的水蒸气为热源,通过热交换器将空气加热成一定温度的热风作为干燥介质,再由风导管将热风送入干燥室对物料进行加热干燥。通常在干燥室内分隔成多个不同温度的加热区,物料在循环过程中通过不同的加热区,最终达到无聊所需的干燥要求。在干燥过程中所产生的一部分湿蒸汽可回收利用。     (3)红外辐射干燥技术     红外辐射和电磁波一样,是以辐射方式直接传播的。采用红外辐射进行加热干燥,当被干燥物料中分子的固有振动频率与红外线的频率相匹配时(即辐射源的波长与被辐射物的吸收波长一致),物料内部分子就会发生强烈振动而摩擦发热,使水分很快蒸发,由此达到加热干燥的目的。红外辐射干燥技术电热利用率较高,环境清洁,物料加热均匀,且设备简单,维护方便。缺点在于需要很大的干燥面积。     (4)微波辐射干燥技术[5-6]     微波加热是物料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热,这种加热是将电磁能转变成热能,其能量是通过空间或媒质以电磁波形式来传递的,对物料的加热过程与物料内部分子的极化有着密切的关系。当含水物料被置于由微波发生器产生的电磁场中时,微波场以每秒几亿次的速度周期地改变外加电场的方向,使水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面温度同时迅速升高。微波辐射干燥技术是目前干燥效率较高的干燥新技术,具有干燥速度快,加热均匀,不存在余热现象,节能环保等众多优点。但其存在不容易控制操作的缺点。     2·当前干燥废气余热利用技术     当前工业生产中干燥多采用一级普通过热蒸汽干燥方式,分为:预热段-干燥段。每一段都用的是新鲜蒸汽。此类干燥工艺能量利用率非常低,能量利用率亟待提高。为此很多学者开始探索节能的干燥工艺。最为显著的干燥节能方法是通过利用较高品质的废气,提高干燥工艺的热效率和系统优化。     2.1废气循环节能方案杨国华[7]     对振动穿流床干燥及带废气循环系统进行了小试、中试研究,论证了该技术的适宜性和带废气循环系统的先进性,为进一步的工业性试验奠定了理论和实验基础。     当前最普遍的三级流化床干燥工艺流程(无余热回收利用)如图1。                     图1流程干燥能量利用率为30%左右。原料进入第Ⅰ级干燥器,经干燥后,进分离器,分离废气直接排入大气,被干燥的物料依次到第Ⅱ级,第Ⅲ级,产品在第Ⅲ级干燥器出口达到工艺要求。新鲜空气经预热器加热至较高温度后,从底部进入各级干燥器,在干燥器内,热空气有一定的气速,使湿物料悬浮于上升的气流中,形成流化床,在流化床内,湿物料与热空气充分接触,热空气将热量传递给湿物料的同时,将湿物料中汽化的水分带走,但是,热空气的流速较大,离开干燥器时往往温度较高,在干燥过程中,有相当大的热量被废气带走。王以清[8-9]等对这部分的能量进行了回收利用研究,提出了以下两个方案。方案一:考虑原系统中各级干燥器出口废气温度都较高,吸湿能力亦较强,采用各级部分废气循环,即将各级干燥器出口废气用一送风机引出部分,与补充的新鲜空气混合后,分别进入本级预热器,亦可节省加热量。干燥能量利用率约为37%。对此种方法,后续学者进行了较深入的研究[10],以分析对流干燥过程中废气循环的节能原理为基础,针对干燥废气循环比和能耗之间的关系进行了研究,得出了当干燥废气循环比增加到一定程度时,提高循环比对于干燥能耗的降低影响很小。并进一步结合实例计算,在综合考虑节能和干燥速率的情况下,确定出循环比为5时,是最佳废气循环比。     方案二:用第Ⅱ、Ⅲ级干燥器出口的引风机,把其出口废气不再排空,而是分别送入第Ⅰ、Ⅱ级预热器前,与部分补充的新鲜空气混合后再进预热器加热,加热至所需温度进入第Ⅰ、Ⅱ级干燥器,这样,既可以减少大量的新鲜空气,同时也能节省预热器中的加热蒸汽。干燥能量利用率为55%。以上的干燥废气余热利用技术在很大程度上提高了能量利用率,有效的节约能量,减少了废气的排放,对环境保护和节能减排做出了巨大的贡献。     2.2多效节能废气余热利用技术方案     郑州市飞航真空干燥技术有限公司研究多效节能干燥技术[11]     采用组合干燥,使用两个或者两个以上干燥设备串联使用。其干燥流程如下。     在第一级干燥过程中高温热空气进入密封干燥仓的传热管对物料进行加热干燥,将传热管内降温后的热空气和干燥仓内的高温水蒸气通过引风机移出干燥仓外混合后进入第二级干燥仓。出第一级干燥仓的高温高湿气体进入第二级干燥仓传热管内对物料加热,其余热传导给物料进行干燥使热能得到第二次利用。第二级干燥仓加热管内的中温气体经由引风机引出到回风管路进入加热系统,加热后循环使用。第二级干燥仓内的中温饱和水蒸气进入第三级干燥仓,传热管内中高温的饱和水蒸气冷凝释放汽化潜热,传导给物料进行升温干燥使热能得到第三次利用。第三级干燥仓内角状管出口和冷凝器连接,冷凝器和真空泵连接。干燥仓内中温的饱和水蒸气经由管路进入冷凝器冷凝后将冷凝水加热到<50度,中温冷凝水可用于洗浴、取暖,使热能得到第四次利用。     上述干燥废气余热利用技术使新型干燥设备总能耗是传统干燥技术设备的20%~30%。能量利用率非常高。     2.3利用余热回收装置——振荡流热管换热器柴本银[12]     介绍了山东省科学院工业节能研究中心及山东天力干燥设备有限公司2008年研制的国内首台振荡流热管换热器,如图2所示。通常,包括水蒸气的潜热,从干燥器出来的尾气携带了输人系统总热量的80%。而振荡流热管换热器用于干燥尾气余热回收,效果明显,余热回收在20%以上。                    通过对振荡流热管及振荡流热管换热器研究现状进行分析,并对振荡流热管换热器用于干燥余热回收系统(图3)进行了研究。得出自激振荡流热管是一种高效的传热元件,利用这种热管研制出的高效振荡流热管换热器[13-14]完全适用于干燥尾气的余热回收.                     3·结语     现阶段我国干燥工艺设备能源利用率较低,废气余热能量较大,因此我国的干燥工艺有着巨大的节能潜力、干燥节能及干燥废气余热利用是节能研究的重要方向,开发新技术,新工艺,及先进的节能和余热利用设备将是干燥科研人员的研究重点。 参考文献 [1]C.Strumillo.Developments in Drying[R].Report in Jinan Conferenceon  drying Techonology,1998. [2]成庆林.多势场(火用)传递过程的理论研究及其工程应用[D].大庆:大庆石油学院,2005. [3]杨昌勇.化工烘干系统节能途径的探索[J].贵州化工,2007,32(5):48-51. [4]陆生海.干燥新技术及其在烘茧中的应用[J].丝绸,2007,(4):42-44. [5]祝圣远,王国恒.微波干燥原理及其应用[J].工业炉,2003,25(3):42-45. [6]牟群英,李贤军.微波加热技术的应用与研究进展[J].物理,2004,33(6):53-57. [7]杨国华,陈清如,陶秀祥,等.振动穿流床干燥及带废气循环系统[J].中国矿业大学学报,1999,28(4):307-309. [8]王以清.三级串联干燥装置废气余热利用[J].节能技术,2000,18(103):41-42. [9]王以清.多级干燥装置废气余热的利用[J].化学工程师,2000,79(4):32-35. [10]吴嘉洲,郝西维,赵雅玲,等.对流干燥过程中废气循环比的优化[J].华北电力大学学报,2009,36(3):23-26. [11]何翔,王军.多效节能干燥技术[OL]. [12]柴本银,彭丽华,李选友,等.干燥过程节能技术的研究与新进展[J].石油和化工设备,2009,12:8-10. [13]史勇春.李选友.柴本银,等.自激振荡流热管换热器回收干燥尾气余热的实验研究[C]//中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集,2008,444-448. [14]柴本银.李选友.周慎杰,等.自激振荡流热管换热器在木材干燥节能中的应用[C]//中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集,2008,44-48.
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