先進(jìn)高效的燃?xì)夂娓赘稍锛夹g(shù)

1、先進(jìn)高效的燃?xì)夂娓赘稍锛夹g(shù)帝殼開發(fā)Research&Deveh先進(jìn)高效的燃?xì)夂娓赘稍锛夹g(shù)AdvancedHighEfficiencyandLowEmissionGas-FiredDrum-DryingTechnology孫京丹(SunJillan|)王正順(wangZhehgShun)編譯曩i,_:0摘要:干燥是工業(yè)生產(chǎn)過程中能量最集中的過程常用的烘缸干燥利用冷凝蒸汽對烘缸表面進(jìn)行加熱?該方法蒸汽的使用需要烘缸的壓力管道能達(dá)到美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)標(biāo)準(zhǔn),但這卻限制了蒸汽壓力及烘缸外殼溫度,從而降低了干燥能力氣體技術(shù)協(xié)會(GTI)與其生產(chǎn)合作伙伴將低排放帶狀燃燒器和一種先

2、進(jìn)的傳熱增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)了一種先進(jìn)的高效燃?xì)夂娓赘稍锛夹g(shù).這種新方法可顯著提高烘缸表面溫度,從而提高干燥速率紙張干燥需要在生產(chǎn)每公斤紙或紙板時(shí)蒸發(fā)掉l2kg的水傳統(tǒng)的十燥技術(shù)使川一系列的金屬烘缸,每個(gè)烘缸的直徑約1.51.8m,長9.1m烘缸由內(nèi)部的冷凝蒸汽加熱?蒸汽的使片j需要烘缸的壓力管道達(dá)到美同機(jī)械T程師協(xié)會(ASME)標(biāo)準(zhǔn),即將蒸汽壓力限制到1.1MPa左右.【六l此,烘缸表面溫度與十燥能力受到限制.在實(shí)際生產(chǎn)中,大部分烘缸存更低的壓力千兀溫度下T作,這就進(jìn)一步降低了f燥能力紙張十燥是造紙過程中熱量最集中,溫度要求最高的部分據(jù)估計(jì),干燥過程所需熱量約占造紙過程中所需全部熱量的67%

3、,【大而,紙機(jī)車速的提高就會受劍十燥效率的影響,從而影響紙張產(chǎn)量.近期有大量研究專注于發(fā)展新型,高效,高性能的紙張干燥設(shè)備和技術(shù)氣體技術(shù)協(xié)會(GTI)與其生產(chǎn)合作伙伴(BoisePaperSolutions,GroupeLapperierre&Verreault,theFlynnBurnerCorporation)在美國能源部和美國天然氣產(chǎn)業(yè)的基金支持下,將一種低排放帶狀燃燒器和一種先進(jìn)的傳熱增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)了一種高效燃?xì)饧垙埜稍锖娓?GFPD)=這項(xiàng)新技術(shù)可使烘缸表面溫度明顯提高(接近315),進(jìn)而提高新式設(shè)備的十燥效率:由熱量效率從60%65%(蒸汽)增長到75%80%

4、(燃?xì)?來看,GFPD的合理配置會為工廠節(jié)約很大一部分能量.另外,它有助于紙廠提高產(chǎn)量,比干燥受限的紙3O機(jī)產(chǎn)量預(yù)計(jì)能提高10%20%,為設(shè)備更新和新增效益節(jié)約大量投資費(fèi)用?1干燥理念近l0年,BritishGas,ABBDrying和GastecNV等公司研究了若十種燃?xì)夤氖礁稍锏睦砟?GTI研究出2種創(chuàng)新型的燃?xì)饫砟?見同1),完成了大量的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的評估,形成了GFPD理念.加鑒墨【llI1GFPD埋念,J葸陶(茭l1J6887979)本研究選用低NO弗林帶狀燃燒器作為燃燒裝置,其型號為T一534,為烘缸表面提供均勻的燃燒頁流.本研究還采用了有吸引力的渦流傳熱增強(qiáng)(VHTE)技術(shù),提高從

5、燃燒處到旋轉(zhuǎn)的烘缸及紙張的熱傳遞.使用一種特殊的偏轉(zhuǎn)器可把部分燃燒產(chǎn)物傳遞回燃燒火種,這樣可以改進(jìn)燃燒穩(wěn)定性,同樣也可以進(jìn)一步減少NO.在此理念發(fā)展過程中,為了明顯提高GFPD的總WorldPulpandPaperVo1.28,No.2謄熱效率,充分考慮了廢熱回收.在烘缸設(shè)計(jì)中,把回收裝置合成一體,以提供廢氣熱量的回收.2設(shè)計(jì)與安裝在工廠合作伙伴的大力支持下,設(shè)計(jì)與安裝了中試規(guī)模的試驗(yàn)裝置.中試規(guī)模的GFPD是由固定的燃燒系統(tǒng)和滾動外殼組成(見圖1),其中燃燒系統(tǒng)包括燃燒器,點(diǎn)火/火焰安全閥和熱量回收裝置.所有上述裝置都反映了GFPD的設(shè)計(jì)理念:平面火焰,傳熱的增強(qiáng),部分燃燒熱量的內(nèi)部再循環(huán)和

6、廢氣回收.裝置【i,一冷卻空氣和水n冷卻空滴量計(jì)I_lL酬.I天然氣一.合器叫廢氣二空氣流量計(jì)I.4同J巽鼓風(fēng)扭.奉:,)收裝置空氣進(jìn)回收器._上l.f一?-_一古7了-1GFPD的邊沿是絕緣的,使熱量流失達(dá)到最小,并且在側(cè)面上有2個(gè)觀察火焰的觀察口.帶狀燃燒器安裝在烘缸內(nèi)部,固定在支架上,這個(gè)支架是絕緣的,可以把烘缸的加熱區(qū)域與廢熱回收區(qū)域隔開.旋轉(zhuǎn)的烘缸外殼設(shè)計(jì)成凹紋形狀,以提高從燃燒點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)表面的熱傳遞.圓環(huán),混合氣供給管道和排氣管的尺寸,以及導(dǎo)向板的幾何形狀,都是根據(jù)液壓和預(yù)計(jì)的損耗計(jì)算得出的.3實(shí)驗(yàn)室模擬GFPD的烘缸外殼和大部分內(nèi)部構(gòu)件都由GL&V公司制造和安裝,并

7、且得到GTI的大力支持.圖2為安裝好的GFPD和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室評定用的模擬裝置.注為lr模擬現(xiàn)實(shí),天然氣的供給壓力為1.992.49kPa.岡3實(shí)驗(yàn)室模擬裝置的管道和儀器安裝圖水在室內(nèi)評價(jià)時(shí),GFPD的燃燒范圍5.8643.96Mw,通過一塊約占烘缸表面面積1/3的用膠布做成的濕外殼來控制烘缸表面冷卻.燃燒系統(tǒng)在整個(gè)測試中顯示出可靠性和穩(wěn)定性.確定了中試規(guī)模的測試程序(包括冷啟動),在最大燃燒速率下烘缸表面溫度可達(dá)到260.4WMU中試車間選擇了WMU中試車間作為原生產(chǎn)線(傳統(tǒng)的蒸汽加熱)與改裝生產(chǎn)線(天然氣加熱)性能的測試地.WMU中試車間提供了造紙用的各種獨(dú)特設(shè)備,其技術(shù)員工有較豐富的紙機(jī)維護(hù)

8、和操作經(jīng)驗(yàn).WMU中試車間的核心是長網(wǎng)造紙機(jī),它能夠在45.7m/min車速下生產(chǎn)寬58.4cm的不同定量的紙和紙板.為了在72.6kg/h的生產(chǎn)率下長時(shí)間連續(xù)工作,需選用合適的制漿和助劑制備設(shè)備.紙機(jī)有2個(gè)獨(dú)立控制的干燥部(共l3個(gè)烘缸),另外還有壓光機(jī),表面卷紙機(jī)和自動控制定量和水分的精密1190電腦系統(tǒng)糙5澹系統(tǒng)回收裝置的模擬裝置里爾紙張干燥的室內(nèi)模擬在GTI的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,以證明燃燒系統(tǒng)比在WMU中試車間的裝置性能更優(yōu)越,并確定GFPD的_丁作外殼.圖3顯示了模擬裝置的管道和儀器安裝圖.國際造紙2009年第28卷第2期測量系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的干燥部的線路上,如圖4所示.微型紅外溫度探

9、測儀安裝在選定的3和7烘缸上,測量紙張進(jìn)缸和出缸溫度,同時(shí)也可以測量沿整個(gè)烘缸長度的烘缸表面溫度.在試驗(yàn)烘缸前后各擎發(fā)Research&De安裝1個(gè)水分探洲器測量紙張水分為了把水分探測器安裝到現(xiàn)有的十燥系統(tǒng)中,入口處的探測器配備了較小的紅外探測附屬裝置,使探測器的安裝與測試烘缶I同軸蒸汽管道配有ABB蒸汽流量計(jì)和控制閥門,這樣在原生產(chǎn)線和巾試規(guī)模的試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)町測量和分析十燥部的熱平衡?從試驗(yàn)烘缸來的冷凝水的溫度用K型熱電偶測量,可評定蒸汽加熱烘缸的熱損欠一在l3,69和13烘缸的入口處也測蒸汽集管的樂力,所有的探測與FieldPoint的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接,這樣可以HNatio

10、nalInstrumentsLabView的便攜式計(jì)算機(jī)塒數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控稈1記錄.在原生產(chǎn)線試驗(yàn)時(shí)對下列參數(shù)進(jìn)行測最壓力:蒸汽管道,l,3,6,7,9,13烘缸的入口蒸汽壓;蒸汽流EL:第l部分汽流量,第2部分汽流,試驗(yàn)烘缸的汽流量;蒸汽2部,-1部一鼎.胤一蒸汽溫度IRs紅外探測儀(j袈的基j一冷凝水溫度M,蒸汽流撾一/網(wǎng)4測量系統(tǒng)_布局溫度:l,3,7,l3蒸汽烘缸的人f_I溫度,1,2,3,7,8,9蒸汽烘缸冷凝水的溫度,烘缸之間紙的溫度(人r測量),試驗(yàn)烘缸表面的溫度(IR),進(jìn)川j試驗(yàn)烘缸的紙張溫度(IR),昕有烘缸的表面溫度(人T測量);水分:紙張進(jìn)¨t驗(yàn)烘缸的水分;紙

11、機(jī)參數(shù):年速,十燥部水分,定量.使H】輕便的HoribaPG一250氣體分析儀對廢氣成分(O,CO,CO,NO)進(jìn)行測定.并記錄在NationalInstrumentsLabView數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中:對紙張?jiān)谶M(jìn)川1烘缸時(shí)部進(jìn)行紙樣采集,用以測定紙張的物理性能,如定量,耐破度,厚度,Gurley挺度,伸長率,撕裂瞍和抗張強(qiáng)度6原生產(chǎn)線試驗(yàn)選擇了3干兀7蒸汽烘缸又lJ原生產(chǎn)線進(jìn)行了評價(jià)圖5原生產(chǎn)線蒸汽烘缸37的發(fā)裝儀表(見罔5)巾WMU廠推薦,選定3烘缸為干燥部中熱負(fù)荷最大的烘缸,選擇7烘缸來評估紙張?jiān)谳^低的入口水分下的GFPD性能.原牛產(chǎn)線試驗(yàn)的任務(wù)是在不同的熱量下,測量烘缸的表面溫度和紙張的水分

12、分布.將獲得的信息作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與燃?xì)庠囼?yàn)對比.原生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí),試驗(yàn)烘缸紙張進(jìn)缸時(shí)的水分保持相對穩(wěn)定,在10%60%的目標(biāo)范同內(nèi).根據(jù)對原生產(chǎn)線的試驗(yàn)計(jì)劃,收集了所有的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行處理和分析:計(jì)箅蒸汽加熱烘缸的干燥速率和烘缸效率.表1列了烘缸的性能,此處的結(jié)果來自3個(gè)不同的紙機(jī)設(shè)置.表1數(shù)據(jù)表明,3烘缸的進(jìn)紙水分在52%55%范同內(nèi),7烘缸的進(jìn)紙水分在12%30%范同內(nèi):應(yīng)當(dāng)注意,|f燥速率和干燥效率取決于許多參數(shù),其中包括熱輸入量,烘缸表面溫度和進(jìn)紙水分含量一WorldPulpandPaperVo1.28,No.20.J=Ph.表1蒸汽烘缸的干燥速率和干燥效率烘缸位置蒸汽流量蒸汽溫度烘缸溫度

13、進(jìn)缸水分蒸發(fā)的水分干燥速率干燥效率/kg?h/:/%,%/kg?(h?m!)/%試驗(yàn)1(原生產(chǎn)線)整臺紙機(jī)蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7試驗(yàn)3(原生產(chǎn)線)整臺紙機(jī)蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7試驗(yàn)4(原生產(chǎn)線)整臺紙機(jī)蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7290.8l1344.4l26225l27lO957l2O52l221229581lOlO65734.411410955l9.2l14l103O3l98jl542.6l2523.3l26lll57l1954l222l5466.3278.5l1.743533.9l76.8733.9639.3933244272845457中試規(guī)模試驗(yàn)在中試規(guī)模試驗(yàn)中,把GFPD烘缸安裝在與原生產(chǎn)線試

14、驗(yàn)相同的位置.放在3烘缸處的烘缸測出的進(jìn)紙水分大約為55%(濕部),安裝在7烘缸處的烘缸測出的進(jìn)紙水分在10%一40%之間(干部).除了3和7烘缸處蒸汽壓力和溫度的測量外,對GFPD進(jìn)行性能測試的紙機(jī)儀表都與原生產(chǎn)線的相同.圖6和圖7是GFPD點(diǎn)火過程中的儀器設(shè)置系統(tǒng)圖和GFPD圖.采用配有高精度的渦流式流量計(jì)和輕便的氣體分析儀的先進(jìn)的空氣/氣體流量處理和混合系統(tǒng)來控制和管理火焰的化學(xué)計(jì)量和排出氣體.8烘缸表面溫度為了改變試驗(yàn)烘缸的表面溫度,燃燒器在4.9Mw升到38.1Mw的速度范圍內(nèi)點(diǎn)火.烘缸表面平均溫度在129242oC之間,其標(biāo)準(zhǔn)偏差為±3%±9%.烘缸表面最高平均

15、溫度為242.由于受AlbanyInternational公司贈送的耐高溫毛毯(單絲織物一一Kleenflex69)的操作限制,GFPD的表面溫度被限制在232oC左右9干燥速率和干燥效率中試評價(jià)表明,GFPD的干燥速率為蒸汽加熱烘缸干燥速率的45倍(見圖8o然而,毛毯材料的最高操作溫度限制了GFPD干燥速率的進(jìn)一步提高.根據(jù)相應(yīng)GFPD的干燥速率計(jì)算出干燥效率.當(dāng)燃燒速率最高為38.1Mw,進(jìn)缸紙水分為55%時(shí),烘缸的最大干燥效率約為60%.在干部,當(dāng)干燥速率23.9kg/(h.m),烘缸表面溫度221oC,進(jìn)紙水分43%時(shí),最大干燥效率為71%(見表2o應(yīng)當(dāng)注意,較高的燃燒速率(&

16、gt;38.1Mw)將會產(chǎn)生較高的干燥效率.一蒸汽壓力Ms一濕度探測儀一蒸汽溫度一冷凝水溫度M一蒸汽流量IRs一紅外探測儀6GFPD試驗(yàn)用的管道和儀表圖國際造紙2009年第28卷第2期蒸汽烘缸.燃?xì)夂娓棕?高溫操作條件下GFPD的布局332O945.q舛m表2干部GFPD的測試結(jié)果注表中數(shù)據(jù)為4次試驗(yàn)的平均值;f燥效率是根據(jù)水蒸發(fā)所需熱量及蒸汽和燃料所致熱輸入量計(jì)算得出的;計(jì)算整臺紙機(jī)干燥效率時(shí)熱量輸入是由蒸汽和天然氣燃燒所致.烘缸表面溫度/陶8進(jìn)缸紙張水分為55%1:Iq的干燥速率和烘缸表面溫度10GFPD排出物試驗(yàn)過程中,不斷監(jiān)控GFPD排放的氣體,發(fā)現(xiàn)其排出量在允許的范圍內(nèi).對空氣/燃?xì)?/p>

17、的比率進(jìn)行控制,使O!在排出氣體中占2%3%.排出的氣體中NOx為30114cm/m,CO為330cm./m.,CO2為10.2%ll%.1l紙張質(zhì)量檢測為了確定高溫干燥對紙張性能的影響,在WMU廠的紙張檢測中心分析了紙張性能(見表3).由表3可知,在不同溫度下的原生產(chǎn)線和GFPD試驗(yàn)得到的表3掛面紙板的物理性能烘缸溫度定量耐破度厚度伸長率撕裂度抗張強(qiáng)度/1:/gm/kPa/mm,%/mN/kN?In原生產(chǎn)線試驗(yàn)1142133230.3761.723537.0GFPD試驗(yàn)22l21035lO.3811822857.9紙張強(qiáng)度性能沒有明顯差別.12結(jié)語在WMU中試車間進(jìn)行的GFPD試驗(yàn)結(jié)果成功地

18、證明了在生產(chǎn)掛面紙板時(shí),天然氣燃燒的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于蒸汽烘缸.經(jīng)證實(shí),烘缸表面溫度至少可以提高到260,可明顯提高干燥速率,同時(shí)不影響紙張質(zhì)量.WMU廠的GTI中試規(guī)模試驗(yàn)表明,GFPD的最大干燥效率(以蒸發(fā)所需熱量與天燃?xì)忉尫诺臒崃恐扔?jì)算)為75%,而蒸汽加熱烘缸的最大干燥效率為55%(以蒸發(fā)所需熱量與蒸汽冷凝時(shí)釋放的熱量之比計(jì)算).通過使用內(nèi)燃?xì)怏w回收裝置(如燃燒空氣的預(yù)熱),GFPD的總有效率(以所用熱量與總輸入熱量之比計(jì)算)可以提高到85%.假定鍋爐中蒸汽流失15%,傳輸系統(tǒng)中蒸汽流失10%,干燥烘缸中蒸汽流失10%,那么蒸汽烘缸總有效率的最大值為68%.根據(jù)WMU廠對GFPD中試的評價(jià),Tappi干燥速率為傳統(tǒng)蒸汽加熱干燥的45倍.在大型紙機(jī)上最大干燥速率取決于具體操作條件和生產(chǎn)的紙種,在GFPD現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)需具體確定.WMU廠傳統(tǒng)蒸汽加熱烘缸約消耗20.5Mw的飽和水蒸氣,可使烘缸表面溫度達(dá)到12l,而GFPD達(dá)到相同的溫度所需的飽和蒸汽量為14.6MW.此外,為了使氣體烘缸表