劉 寧，劉 雷，張 斌，袁衛(wèi)平

（泰山玻璃纖維淄博有限公司，淄博 255000）

0 前言

玻璃纖維原絲烘干是無捻粗紗生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前玻璃纖維生產(chǎn)所使用的烘干設(shè)備大多以隧道式烘干爐為主，而隧道式烘干爐按熱源分，又有余熱型、蒸汽型、微波烘干或上述3種任選其二組合型［1］。其中應(yīng)用最為廣泛的是連續(xù)式隧道烘干爐。

本文重點(diǎn)介紹玻璃纖維隧道式連續(xù)烘干爐。玻璃纖維隧道式烘干爐作業(yè)形式為連續(xù)烘干，采用天然氣或窯爐換熱器余熱等方式加熱，熱風(fēng)循環(huán)使用，溫度自動(dòng)連鎖控制，鏈?zhǔn)酵苿?dòng)等技術(shù)，具有熱風(fēng)溫度均勻、自動(dòng)化程度高、溫度控制精度高、能耗相對(duì)低、質(zhì)量好、產(chǎn)量高、運(yùn)行可靠、便于操作和維修等特點(diǎn)［2］。

1 隧道式烘干爐工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工作原理

隧道式烘干爐主要由熱源（余熱風(fēng)或熱風(fēng)發(fā)生爐）、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、排濕風(fēng)系統(tǒng)、干燥室（爐體）、溫度自動(dòng)連鎖控制系統(tǒng)和原絲輸送裝置（軌道式）等6部分組成。原絲烘干過程是加熱→氣化→遷移→氣化的過程，烘干爐通過熱空氣循環(huán)流動(dòng)加熱原絲，使其溫度升高，水分汽化散失，最終原絲達(dá)到產(chǎn)品的含水率指標(biāo)要求，而玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑中的有機(jī)物則經(jīng)過一定程度反應(yīng)變化，形成一層完整致密的樹脂附著于玻璃纖維表面［3］。其中烘干爐作為干燥設(shè)備，具備順暢的空氣流通設(shè)計(jì)、靈敏的儀表控制和穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，是保證烘干原絲質(zhì)量的基礎(chǔ)條件。送風(fēng)孔板使用不同尺寸和密度網(wǎng)孔板，回風(fēng)側(cè)上部開口減小、底部開口擴(kuò)大，保證爐體上下風(fēng)速基本一致［4］。爐體干燥腔內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流設(shè)計(jì)能使熱風(fēng)循環(huán)更為暢通，內(nèi)部熱量場(chǎng)強(qiáng)分布均勻，空間內(nèi)各溫度點(diǎn)基本相同，能保證紗車頂部和底層絲餅均勻受熱，烘干效果一致。

循環(huán)熱風(fēng)的溫度、濕度和流態(tài)是三個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。普通熱風(fēng)烘干是由外及內(nèi)的烘干，溫度從表面逐漸傳遞至原絲內(nèi)部，水分蒸發(fā)也是從外到內(nèi)［5］。熱風(fēng)的溫度越高，與絲餅表面溫差越大，原絲水分蒸發(fā)越快，烘干時(shí)間縮短。熱風(fēng)濕度對(duì)烘干影響最為明顯，濕度越大，絲餅水分蒸發(fā)速度越慢，烘干速度也越慢。假設(shè)熱風(fēng)濕度達(dá)到100%，水分蒸發(fā)速率為零，無論溫度多高，也沒有烘干能力。因此在烘干過程中要盡可能降低爐體內(nèi)的空氣濕度［6］。流態(tài)包括風(fēng)量、風(fēng)速和相對(duì)流向三要素，循環(huán)熱風(fēng)流態(tài)與干燥速率成正比。加大風(fēng)量和提高風(fēng)速可以大大加快干燥速率。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

我司烘干爐采用雙向軌道設(shè)計(jì)，共分為10個(gè)控制區(qū)域，可以同時(shí)容納48輛紗車。熱風(fēng)熱源主要由窯爐金屬換熱器換熱后的余熱風(fēng)提供，設(shè)計(jì)供給風(fēng)量25 000 m3/h，不足部分由2臺(tái)風(fēng)量16 500 m3/h熱風(fēng)發(fā)生爐提供。根據(jù)干燥特性，熱風(fēng)從主風(fēng)管分配到各區(qū)支管，經(jīng)過自動(dòng)調(diào)節(jié)閥后從各單個(gè)循環(huán)區(qū)爐頂夾層進(jìn)入，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)分區(qū)交叉供給（如1區(qū)順時(shí)針方向送風(fēng)，2區(qū)逆時(shí)針方向送風(fēng)，依次交替）。熱風(fēng)通過干燥室腔體兩側(cè)的孔板沿紗車的前進(jìn)方向，對(duì)濕紗分區(qū)交替進(jìn)行干燥，各區(qū)回風(fēng)側(cè)底部增設(shè)排濕風(fēng)管先經(jīng)過低溫?zé)峁軗Q熱器，換熱完畢后通過排濕煙囪排向室外［7］。同時(shí)，通過重新設(shè)計(jì)風(fēng)板，保持烘干總體風(fēng)量不變即烘干能力不變的情況下，下層風(fēng)量減少，加大上層風(fēng)量，消除爐內(nèi)上下層烘干差異［8］。

2 排濕風(fēng)余熱回收

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次計(jì)算選取我司生產(chǎn)線一條雙軌烘干爐為研究模型，分別計(jì)算排濕風(fēng)量和排濕風(fēng)帶走風(fēng)量，見表1，并按式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算。

排濕風(fēng)量Q計(jì)算，見式（1）：

式中：

V——排濕風(fēng)平均風(fēng)速，m/s；

A管——排濕風(fēng)總管橫截面積，m2；

t ——時(shí)間，s。

排濕風(fēng)帶走熱量Q1計(jì)算，見式（2）：

式中：

ρ氣——排濕空氣的密度，g/cm3；

V——排濕風(fēng)平均風(fēng)速，m/s；

A管——排濕風(fēng)總管橫截面積，m2；

t——時(shí)間，s；

h——排濕風(fēng)的熱焓，KJ/kg（濕空氣）。

2.2 工藝流程

2.2.1 改造前排濕風(fēng)工藝流程

目前烘干高濕熱風(fēng)通過烘干爐底部排濕風(fēng)管通過煙囪直接外排到大氣。根據(jù)理論計(jì)算和其他實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，排濕風(fēng)帶走的熱量在整個(gè)烘干爐熱量支出體系占比約77%。為了節(jié)能降耗，提高烘干爐的熱利用效率，通過采取關(guān)閉排濕風(fēng)閥開度30%，實(shí)現(xiàn)降低熱量損耗。通過理論計(jì)算，9條烘干爐外排到室外的烘干高溫排濕風(fēng)量達(dá)21 000 Nm3/h，仍有非常大的利用空間。貫徹玻纖綠色低碳的發(fā)展理念，通過改進(jìn)優(yōu)化干燥技術(shù)的頂層設(shè)計(jì)，不斷提高干燥設(shè)備的熱利用效率。節(jié)能減排不但與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，也是適應(yīng)國家“雙碳”節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，因此優(yōu)化烘干爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是本次研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

2.2.2 改造后工藝流程

目前考慮兩種改造設(shè)計(jì)方案。方案1：排濕熱風(fēng)采用高效四維低溫?zé)峁軗Q熱器，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)空氣與高溫空氣能量熱交換回收，熱回收效率按照70%計(jì)算，完成熱能回收利用后排入煙囪。通過換熱器將冷空氣由常溫25 ℃升高至85 ℃。換熱后空氣接入燃?xì)鉄犸L(fēng)爐工藝風(fēng)機(jī)，用于燃?xì)鉄犸L(fēng)爐助燃，提高燃燒效率，降低天然氣的用量。原有排濕風(fēng)管作為旁路定期使用。換熱器檢修時(shí)，關(guān)閉換熱器前的閥門，打開旁路閥門，高溫濕煙氣由旁路排入煙囪。流程見圖1。

圖1 管路設(shè)計(jì)工藝圖

考慮到排濕風(fēng)中蘊(yùn)含混有毛紗及高分子合成樹脂等污染物，為避免換熱器堵塞，減少人工清理頻率，換熱器內(nèi)部設(shè)置噴淋裝置，噴淋裝置在停機(jī)狀態(tài)下，可以對(duì)換熱器內(nèi)部換熱盤管表面進(jìn)行清洗，并在換熱器下部設(shè)置人工檢查孔和排污口。

方案2：高溫高濕熱風(fēng)通過熱水余熱換熱器進(jìn)行熱能回收利用。工藝流程見圖2。

圖2 熱水換熱工藝流程圖

水箱出水通過循環(huán)水泵，把冷水泵入余熱回收換熱器，通過氣水熱交換的方式，把高溫濕煙氣中的熱量回收；理論推算，每次循環(huán)可把20 m3/h的水溫升8 ℃，濕煙氣由115 ℃降至80 ℃，控制換熱器出口水溫＜99 ℃；熱水一部分泵去熱水需求處，另一部分由循環(huán)水泵泵入余熱回收換熱器，循環(huán)加熱。

因?yàn)榍捌谑褂眠^蒸汽換熱方式對(duì)熱風(fēng)爐的冷空氣進(jìn)行預(yù)加熱，節(jié)能效果明顯。本文推薦使用汽氣換熱器（四維低溫?zé)峁埽┻M(jìn)行余熱利用。設(shè)計(jì)改用高溫排濕風(fēng)方式對(duì)熱風(fēng)爐冷空氣加熱，替代蒸汽，提升排濕風(fēng)的利用效率，從而提高熱風(fēng)爐燃燒效率，降低天然氣的用量，降低干燥設(shè)備的熱損耗。

2.3 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益

2.3.1 節(jié)能效益

天然氣熱值一般35564~35982 KJ/Nm3，取35564 KJ/Nm3，天然氣價(jià)格3.5 ￥/Nm3。

假設(shè)夏、冬兩季各使用換熱器180 d，每天工作24 h，排濕風(fēng)量20 000 Nm3/h，熱回收效率按70%計(jì)算，具體參見表2：

表2 換熱器全熱回收能量計(jì)算明細(xì)表

夏季總節(jié)能：254.52 kw·h×70%×180 d×24 h×3600=2.77×109KJ/h

冬季總節(jié)能：318.15 kw·h×70%×180 d×24 h×3600=3.46×109KJ/h

夏季節(jié)約天然氣用量：2.77×109KJ/h÷35564 KJ/Nm3=77887.75 Nm3/h

冬季節(jié)約天然氣用量：3.46×109KJ/h÷35564KJ/Nm3=97289.39 Nm3/h

年節(jié)約天然氣用量：77887.75+97289.39=175177.14 Nm3/h

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目總投資40.18萬元，可取得直接經(jīng)濟(jì)效益61.31萬元，不到一年即可收回全部投資。

直接經(jīng)濟(jì)效益：

支出：

換熱器：20萬元；人工費(fèi)：7.5萬元；材料費(fèi)：12.68萬元

改造后年收益：節(jié)約天然氣量×價(jià)格=175 177.14 Nm3/h×3.5 RMB=61.31萬元

3 結(jié)語

烘干爐排濕煙囪排出的高溫?zé)煔夂幸欢康拿z及高分子有機(jī)揮發(fā)物、顆粒物和非甲烷總烴等影響大氣質(zhì)量。通過增加氣-氣空氣換熱器，在回收高濕煙氣余熱的同時(shí)，還能在一定程度上起到除塵作用。因?yàn)閾Q熱器對(duì)流煙道的截面積和風(fēng)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原排煙管道，煙氣流速就會(huì)降低，含有毛絲、顆粒物的煙氣經(jīng)過換熱器會(huì)在底部沉降，減少直接外排污染。同時(shí)可以通過本次改造，尋找到烘干排濕風(fēng)循環(huán)再利用更多的解決方案，希望能為隧道玻纖烘干爐能耗降低方面提供一些參考，并為今后烘干爐設(shè)計(jì)提出一些改進(jìn)意見。