李 民， 劉康林， 昝靜一， 張經(jīng)偉， 聶 傲

(福州大學(xué)石油化工學(xué)院， 福建 福州 350108)

0 引言

合成革是一種模擬天然皮革結(jié)構(gòu)及功能的塑料制品， 廣泛應(yīng)用于制作鞋、 家具、 箱包、 服裝及球類. 但傳統(tǒng)的基于燃煤導(dǎo)熱油為熱源的合成革定型生產(chǎn)過程是一個高耗能、 重污染過程. 為避免工業(yè)鍋爐燃煤帶來的廢氣、 廢水排放問題， 國內(nèi)許多合成革企業(yè)紛紛進行“煤改氣”[1-3]. 然而用燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐或簡單地采用天然氣直燃技術(shù)， 雖然減低了生產(chǎn)過程中的碳排放， 卻會因燃氣成本過高而使工廠難以承受， 甚至存在滴油、 腐蝕、 閃火等威脅[4-5]. 為了有效降低合成革烘干定型過程中的能耗， 需要確定供熱與換熱系統(tǒng)中具體設(shè)備或整個系統(tǒng)能量損失的性質(zhì)、 大小、 分布， 明確提高能量利用率的方法.

長期以來， 在合成革行業(yè)的“煤改氣”中， 一般只做簡單的能量平衡計算， 缺少對合成革生產(chǎn)線能量優(yōu)化利用的深層次研究， 致使改造工作往往難以達到高效節(jié)能的初衷.分析方法是一種同時考慮到能源量與質(zhì)的能耗分析方法， 可為提高能量利用率提供理論依據(jù). 用其來指導(dǎo)合成革定型生產(chǎn)線供熱與換熱系統(tǒng)的設(shè)計與運行， 具有獨到的優(yōu)勢. 合成革的定型生產(chǎn)過程本質(zhì)上是一個干燥過程，分析法在干燥領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用， 如胡水云[6]結(jié)合實際數(shù)據(jù)， 通過分析比較4種典型紙機蒸汽干燥系統(tǒng)的性能， 明確了烘缸是系統(tǒng)損失的主要來源， 指明了未來造紙干燥系統(tǒng)的改進方向. Azadbakht等[7]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法， 分析橙片微波干燥過程中的能量和損失. Cay等[8-9]研究提出一種可用于導(dǎo)熱油式展幅機的分析模型， 為紡織品的干燥優(yōu)化做出重要貢獻. Anawe等[10]針對洋蔥干燥過程的能量分析， 計算了損失和洋蔥干燥過程中能量的利用潛力.

鑒于此， 本研究結(jié)合某合成革園區(qū)“煤改氣”工程， 通過對合成革干法線供熱、 換熱系統(tǒng)的分析， 明確供熱、 換熱系統(tǒng)的能損耗與原因所在， 并有效指導(dǎo)合成革定型生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化改造.

1 烘箱內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)

1.1 溫濕度分布

某合成革園區(qū)有合成革主生產(chǎn)線79條， 其中， 基于天然氣精益末端供熱技術(shù)的干法線涂層干燥烘箱結(jié)構(gòu)如圖1所示. 烘箱由3個干燥區(qū)間構(gòu)成， 每個區(qū)間包含天然氣燃燒機、 煙氣混合室、 內(nèi)循環(huán)風(fēng)機、 風(fēng)道與熱風(fēng)風(fēng)排， 以及頂部的排風(fēng)風(fēng)機等設(shè)備. 烘箱壁為內(nèi)部填充巖棉保溫材料的夾心板， 側(cè)面每隔一段距離設(shè)置可開啟的門板， 以便于烘箱內(nèi)部檢查和維護. 烘箱內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器、 布速控制儀等監(jiān)測裝置. 為深入研究烘箱內(nèi)部溫度場和能量損失等情況， 對園區(qū)內(nèi)某合成革干法生產(chǎn)線烘箱內(nèi)部的溫度和濕度進行測試， 有關(guān)情況如下.

圖1 合成革烘箱設(shè)備簡圖Fig.1 Sketch of synthetic leather oven equipment

圖2 測點位置簡圖Fig.2 Position of measuring point on cross section

在距離烘箱左側(cè)進布端水平距離1.61 m(1#橫截面)和7.65 m(2#橫截面)的兩個橫截面處布置測點， 橫截面上的測點位置如圖2所示. 其中測點豎直高度分別為65、 110、 175 cm， 每個豎直高度的水平線上安排5個測點， 測點1距離保溫層內(nèi)壁面40 cm， 各測點水平間距40 cm. 測試時, 每間隔5 min記錄一次溫度與相對濕度， 每個測點記錄5組數(shù)據(jù)并取其均值， 然后轉(zhuǎn)移至下個測溫點， 實測1#截面處的溫濕度情況如圖3、 4所示， 2#截面的溫濕度如圖5、 6所示.

圖3 1#測點的平均溫度圖Fig.3 Average temperature of the 1# measuring point

圖4 1#測點的平均相對濕度圖Fig.4 Average relative humidity of the 1# measuring point

圖6 2#測點的相對濕度圖Fig.6 Average relative humidity of the 2# measuring point

顯然， 無論是靠近烘箱端部(1#截面)還是中部截面處， 同一豎直高度上不同測點處的溫度與相對濕度基本一致， 幾組數(shù)據(jù)中溫度的標(biāo)準(zhǔn)差最大為1.3 ℃， 相對濕度為0.5%. 靠近烘箱底部處的溫度最低， 上部次之， 中部溫度最高； 而相對濕度則剛好相反， 依次是烘箱中部相對濕度最小， 上部次之， 底部相對濕度最大. 溫度與相對濕度體現(xiàn)了煙氣的干燥能力， 相對濕度越低、 煙氣溫度越高， 代表著干燥能力越強. 所以烘箱中部測得的供熱煙氣的溫度最高且相對濕度最低， 作為被換熱的烘箱底部煙氣其溫度最低且相對濕度最高， 而在烘箱頂部測得的煙氣作為即將排放的尾氣其溫度和相對濕度則介于兩者之間.

1.2 煙氣組分的物性參數(shù)

利用REFPROP軟件確定烘箱外部環(huán)境和各煙氣組分的物性參數(shù). 在REFPROP軟件中選用“干空氣+水蒸氣”的模式， 根據(jù)各煙氣組分的溫度與相對濕度計算出每立方米煙氣中的水蒸氣含量， 然后根據(jù)各煙氣組分確定物性參數(shù)(如表1).

表1 各煙氣組分的物性參數(shù)

2 合成革干法線分析模型的建立與分析

根據(jù)上述內(nèi)容， 合成革生產(chǎn)線末端供熱系統(tǒng)一般主要由天然氣燃燒室、 煙氣混合室與合成革干燥室3部分構(gòu)成. 工作時天然氣與助燃空氣在燃燒室內(nèi)混合燃燒， 燃燒產(chǎn)生的煙氣在混合室與來自烘箱的空氣混合， 溫度降低至工藝要求的溫度后， 流經(jīng)風(fēng)排并噴射到濕合成革上， 對合成革進行干燥定型. 為保證所建模型的合理性與通用性， 假設(shè)煙氣的膨脹和壓縮過程為絕熱過程忽略其內(nèi)能變化， 將供熱系統(tǒng)依照系統(tǒng)的主要設(shè)備拆分為以下3個子系統(tǒng)： 天然氣燃燒室子系統(tǒng)、 煙氣混合室子系統(tǒng)和合成革干燥過程子系統(tǒng)， 以便從中找到系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)， 為今后系統(tǒng)的優(yōu)化改造奠定理論基礎(chǔ).

2.1 天然氣燃燒室子系統(tǒng)的分析

天然氣燃燒室的作用在于使天然氣得到充分燃燒， 獲得高溫?zé)煔? 燃燒過程是一種典型的不可逆過程， 其將產(chǎn)生熵產(chǎn)引起損失. 由于燃燒室內(nèi)天然氣的燃燒過程近似為絕熱過程， 則天然氣燃燒前后的損失EI, CS為天然氣和助燃空氣在燃燒前所具有的ER與燃燒后煙氣值Eg的差值.

EI, CS=ER-Eg=0.95×ΔHL×Vn-∑ngi[(hgi-h0)-T0(sgi-s0)]

(1)

式中:ER、Eg分別為燃燒前反應(yīng)物和燃燒后高溫?zé)煔獾闹担?單位kJ·kmol-1.Eg、ER分別由式(2)、 (3)確定.

Eg=∑egi=∑ngi[(hgi-h0)-T0(sgi-s0)]

(2)

式中：ngi為1 kmol 天然氣燃料燃燒時生成高溫?zé)煔獾母鱾€組成氣體；hgi為各個組成氣體的焓值， 單位kJ·kmol-1；sgi為各個組成氣體的熵值， 單位kJ·(kmol·K)-1；h0為環(huán)境焓值， 單位kJ·kmol-1；s0為環(huán)境熵值， 單位kJ·(kmol·K)-1；T0為環(huán)境的絕對溫度， 單位K.

某合成革廠干法線定型機每個末端燃燒室的天然氣消耗量為8 m3·h-1(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))， 忽略天然氣燃料和助燃空氣的物理， 根據(jù)Rant方程[11]， 可求得天然氣燃料的值

ER=0.95×ΔHL×Vn

(3)

式中： ΔHL為天然氣燃料的低熱值， 單位kJ·m-3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；Vn為天然氣燃料的消耗量， 單位m3·h-1.

2.2 煙氣混合室子系統(tǒng)分析

煙氣混合室的作用在于將天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c來自烘箱的空氣混合， 使天然氣燃燒煙氣溫度降低而空氣溫度增加. 物質(zhì)的混合過程是高度不可逆的， 因此上述過程必將導(dǎo)致熵的增加， 進而引起損失. 假設(shè)混合室表面絕熱， 流體的動能和位能轉(zhuǎn)化可忽略不計， 按照理想氣體在定壓條件下的絕熱混合進行分析. 單位摩爾氣體的損失eI, MR為

(4)

式中：xA，xB分別為一摩爾的理想混合氣體的摩爾成分， 且xA+xB=1；cp , A，cp, B分別為混合前的兩種氣體的定壓摩爾比熱容， 單位kJ·(kmol·K)-1；TA，TB分別為混合前的兩種氣體的絕對溫度， 單位K；R為摩爾氣體常數(shù)， 8.314 J·(mol·K)-1；Tm為混合后的氣體絕對溫度， 單位K， 其值由下式確定.

(5)

2.3 合成革干燥過程子系統(tǒng)分析

表2 PU溶劑配料表

合成革干燥過程中， 達到工藝溫度的供熱煙氣流經(jīng)烘箱內(nèi)的風(fēng)排后均勻地噴射到合成革表面， 加熱PU溶劑， 使其中的二甲基甲酰胺(DMF)溶劑蒸發(fā)出來. 其中包含了大量的傳質(zhì)與傳熱過程， 因此而導(dǎo)致熵增與系統(tǒng)損失. 干法生產(chǎn)線所使用的PU溶劑主要由PU樹脂、 DMF溶劑、 色片、 流平劑構(gòu)成， 某干法線生產(chǎn)5 000 m合成革時， 生產(chǎn)時的進布速度為20～22 m·min-1， 溶劑組分如表2所示. 顯然， 色片與流平劑的含量很少可忽略， 主要考慮PU樹脂與DMF溶劑. 該過程中包含PU樹脂的吸熱、 DMF溶劑蒸發(fā)、 供熱煙氣傳熱、 烘箱空氣補償、 烘箱表面散熱以及尾氣排放.

(6)

式中：cp, PU為PU樹脂的比熱容， 單位kJ·(kg·K)-1；T1、T2分別為PU樹脂進入系統(tǒng)前和離開系統(tǒng)后的的絕對溫度， 單位K；GPU為每小時進入干燥系統(tǒng)的PU樹脂質(zhì)量， 單位kg·h-1， 其值由下式確定.

(7)

其中，mPU為PU樹脂的總質(zhì)量， 單位kg；Lsl為需要生產(chǎn)的合成革長度， 單位m；vsl為合成革干燥生產(chǎn)時的進布速度， 取單位m·min-1.

(8)

式中：MDMF為DMF的摩爾質(zhì)量， 單位g·mol-1；rDMF為DMF溶劑的蒸發(fā)熱， 單位kJ·mol-1；Tgr為供熱煙氣的平均溫度， 單位K；GDMF為每小時進入干燥系統(tǒng)的DMF溶劑質(zhì)量， 單位kg·h-1， 其值由下式確定.

(9)

式中：mDMF為DMF溶劑的總質(zhì)量， 單位kg.

(10)

(11)

式中：ngr、nbc分別為參與傳熱的供熱煙氣和環(huán)境空氣的摩爾流量， 單位kmol·h-1，cp, gr、cp, 0分別為供熱煙氣和環(huán)境空氣的定壓摩爾比熱容， 單位kJ·(kmol·K)-1；Thx為烘箱底部煙氣的平均溫度， 單位K.

為了減少熱量的損失， 烘箱的墻體內(nèi)部多使用保溫棉材料， 其表面的散熱損失ES如下式所示.

(12)

式中：TS為烘箱內(nèi)表面平均溫度， 單位K；QS為烘箱表面散熱功率， 單位kW， 其值由下式確定.

(13)

式中：λab為石棉保溫層的熱導(dǎo)率， 單位W·(m·K)-1；δh為保溫層的厚度， 單位m；AS為烘箱的表面積， 單位m2.

(14)

式中：et、ed分別為混合氣體的熱和擴散， 單位kJ·kmol-1；nwi為尾氣各個組成氣體的摩爾流量， 單位kmol·h-1；cp, wi為尾氣各個組成氣體的定壓摩爾比熱容， 單位kJ·(kmol·K)-1；Tpy為尾氣排放的溫度， 單位K；xi為某一氣體組分的摩爾比；為某一氣體組分在周圍環(huán)境中的摩爾比.

合成革干燥過程子系統(tǒng)中， PU樹脂吸熱和DMF溶劑蒸發(fā)是子系統(tǒng)的收益. 供熱煙氣傳熱、 烘箱空氣補償、 烘箱表面散熱和尾氣排放是子系統(tǒng)的損失. 根據(jù)式(10)、 (11)、 (12)和(14)， 上述4項損失分別與供熱煙氣溫度、 烘箱底部煙氣的平均溫度、 烘箱內(nèi)表面平均溫度、 排煙溫度成正相關(guān)， 而以上4項溫度應(yīng)與工藝溫度成正比， 即該子系統(tǒng)的損失與合成革干燥的工藝溫度成正比. 由于干法線的工藝溫度較低， 因此對于合成革干法線而言， 該子系統(tǒng)的損失對于整個供熱系統(tǒng)而言不是主導(dǎo)因素.

3 合成革生產(chǎn)線供熱系統(tǒng)的案例分析與基于分析的改造建議

3.1 案例分析

(15)

表3 系統(tǒng)各項目的值與損率

Tab.3 Exergy value and exergy loss rate of each item in the system

表3 系統(tǒng)各項目的值與損率

項目值 /kW損率 /%項目值 /kW損率 /%天然氣燃燒60.3427.14煙氣傳熱引起的損失116.5952.44煙氣混合引起的損失11.044.97風(fēng)道與熱風(fēng)風(fēng)排沿程阻力損失16.107.18PU樹脂的吸熱0.27-DMF溶劑蒸發(fā)2.91-供熱煙氣傳熱損失2.461.11烘箱表面散熱損失1.810.81空氣補償損失3.631.63尾氣排放損失12.325.37

3.2 改造建議

4 結(jié)語

對合成革干法生產(chǎn)線烘箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)的測試表明， 烘箱內(nèi)不同橫截面上的溫度雖不相同， 但同一橫截面上同一高度處的溫度和相對濕度基本相同. 具體分布情況是， 烘箱中部的溫度最高， 相對濕度最?。?烘箱底部的相對濕度最大， 溫度最低； 烘箱頂部的溫度和相對濕度居中. 說明該烘箱內(nèi)的流場和溫度場分布合理、 穩(wěn)定， 有利于合成革的干燥定型， 但易導(dǎo)致烘箱底部區(qū)域發(fā)生水分的凝結(jié)， 此外， 當(dāng)前烘箱排氣口設(shè)在相對濕度和溫度居中的頂部設(shè)計也不盡合理， 應(yīng)采取措施， 盡量將底部低溫、 高濕氣體排出， 以利于干燥運行和節(jié)能.

對某合成革干法生產(chǎn)線烘箱內(nèi)有關(guān)熱力參數(shù)的實測結(jié)果表明， 天然氣煙氣混合傳熱的損最大，損率高達52.44%； 天然氣燃燒的損次之，損率為27.14%； 而過流通道沿程阻力和尾氣排放導(dǎo)致的損率較小， 分別為7.18%、 5.37%. 說明就干法線而言， 由于排放尾氣的溫度低，值小， 對其可回收價值的挖掘有限， 而現(xiàn)有風(fēng)道和風(fēng)排的結(jié)構(gòu)設(shè)計也已基本合理， 優(yōu)化改進有一定余量， 但也是較有限的， 為提高系統(tǒng)的效率， 應(yīng)著重改善換熱方式， 提高燃燒效率.

為提高天然氣末端供熱系統(tǒng)的能效， 達到系統(tǒng)運行的經(jīng)濟可行性， 可采取如下具體措施： 對換熱而言， 現(xiàn)有的換熱模式較多應(yīng)選擇換熱效率較高的模式； 對燃燒過程而言， 加強天然氣與空氣的混合程度、 提高燃燒室熱強度和預(yù)熱助燃空氣， 最大限度地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能； 對于過流部件的優(yōu)化而言， 可通過計算機數(shù)值模擬分析輔助設(shè)計烘箱內(nèi)的風(fēng)道與風(fēng)排結(jié)構(gòu)； 對于尾氣排放而言， 其溫度雖低排放熱量屬低品位余熱， 但用來預(yù)熱燃燒器助燃空氣， 一定程度上仍可改進用能情況.