先进高效的燃气烘缸干燥技术

1、先进高效的燃气烘缸干燥技术帝壳开发Research&Deveh先进高效的燃气烘缸干燥技术AdvancedHighEfficiencyandLowEmissionGas-FiredDrum-DryingTechnology孙京丹(SunJillan|)王正顺(wangZhehgShun)编译曩i,_:0摘要:干燥是工业生产过程中能量最集中的过程常用的烘缸干燥利用冷凝蒸汽对烘缸表面进行加热?该方法蒸汽的使用需要烘缸的压力管道能达到美国机械工程师协会(ASME)标准,但这却限制了蒸汽压力及烘缸外壳温度,从而降低了干燥能力气体技术协会(GTI)与其生产合作伙伴将低排放带状燃烧器和一种先

2、进的传热增强技术相结合,研发了一种先进的高效燃气烘缸干燥技术.这种新方法可显着提高烘缸表面温度,从而提高干燥速率纸张干燥需要在生产每公斤纸或纸板时蒸发掉l2kg的水传统的十燥技术使川一系列的金属烘缸,每个烘缸的直径约1.51.8m,长9.1m烘缸由内部的冷凝蒸汽加热?蒸汽的使片j需要烘缸的压力管道达到美同机械T程师协会(ASME)标准,即将蒸汽压力限制到1.1MPa左右.【六l此,烘缸表面温度与十燥能力受到限制.在实际生产中,大部分烘缸存更低的压力千兀温度下T作,这就进一步降低了f燥能力纸张十燥是造纸过程中热量最集中,温度要求最高的部分据估计,干燥过程所需热量约占造纸过程中所需全部热量的67%

3、,【大而,纸机车速的提高就会受剑十燥效率的影响,从而影响纸张产量.近期有大量研究专注于发展新型,高效,高性能的纸张干燥设备和技术气体技术协会(GTI)与其生产合作伙伴(BoisePaperSolutions,GroupeLapperierre&Verreault,theFlynnBurnerCorporation)在美国能源部和美国天然气产业的基金支持下,将一种低排放带状燃烧器和一种先进的传热增强技术相结合,研发了一种高效燃气纸张干燥烘缸(GFPD)=这项新技术可使烘缸表面温度明显提高(接近315),进而提高新式设备的十燥效率:由热量效率从60%65%(蒸汽)增长到75%80%

4、(燃气)来看,GFPD的合理配置会为工厂节约很大一部分能量.另外,它有助于纸厂提高产量,比干燥受限的纸3O机产量预计能提高10%20%,为设备更新和新增效益节约大量投资费用?1干燥理念近l0年,BritishGas,ABBDrying和GastecNV等公司研究了若十种燃气鼓式干燥的理念.GTI研究出2种创新型的燃气理念(见同1),完成了大量的实验室规模的评估,形成了GFPD理念.加鉴墨【llI1GFPD埋念,J葸陶(茭l1J6887979)本研究选用低NO弗林带状燃烧器作为燃烧装置,其型号为T一534,为烘缸表面提供均匀的燃烧页流.本研究还采用了有吸引力的涡流传热增强(VHTE)技术,提高从

5、燃烧处到旋转的烘缸及纸张的热传递.使用一种特殊的偏转器可把部分燃烧产物传递回燃烧火种,这样可以改进燃烧稳定性,同样也可以进一步减少NO.在此理念发展过程中,为了明显提高GFPD的总WorldPulpandPaperVo1.28,No.2誊热效率,充分考虑了废热回收.在烘缸设计中,把回收装置合成一体,以提供废气热量的回收.2设计与安装在工厂合作伙伴的大力支持下,设计与安装了中试规模的试验装置.中试规模的GFPD是由固定的燃烧系统和滚动外壳组成(见图1),其中燃烧系统包括燃烧器,点火/火焰安全阀和热量回收装置.所有上述装置都反映了GFPD的设计理念:平面火焰,传热的增强,部分燃烧热量的内部再循环和

6、废气回收.装置【i,一冷却空气和水n冷却空滴量计I_lL酬.I天然气一.合器叫废气二空气流量计I.4同J巽鼓风扭.奉:,)收装置空气进回收器._上l.f一?-_一古7了-1GFPD的边沿是绝缘的,使热量流失达到最小,并且在侧面上有2个观察火焰的观察口.带状燃烧器安装在烘缸内部,固定在支架上,这个支架是绝缘的,可以把烘缸的加热区域与废热回收区域隔开.旋转的烘缸外壳设计成凹纹形状,以提高从燃烧点到旋转表面的热传递.圆环,混合气供给管道和排气管的尺寸,以及导向板的几何形状,都是根据液压和预计的损耗计算得出的.3实验室模拟GFPD的烘缸外壳和大部分内部构件都由GL&V公司制造和安装,并

7、且得到GTI的大力支持.图2为安装好的GFPD和进行实验室评定用的模拟装置.注为lr模拟现实,天然气的供给压力为1.992.49kPa.冈3实验室模拟装置的管道和仪器安装图水在室内评价时,GFPD的燃烧范围5.8643.96Mw,通过一块约占烘缸表面面积1/3的用胶布做成的湿外壳来控制烘缸表面冷却.燃烧系统在整个测试中显示出可靠性和稳定性.确定了中试规模的测试程序(包括冷启动),在最大燃烧速率下烘缸表面温度可达到260.4WMU中试车间选择了WMU中试车间作为原生产线(传统的蒸汽加热)与改装生产线(天然气加热)性能的测试地.WMU中试车间提供了造纸用的各种独特设备,其技术员工有较丰富的纸机维护

8、和操作经验.WMU中试车间的核心是长网造纸机,它能够在45.7m/min车速下生产宽58.4cm的不同定量的纸和纸板.为了在72.6kg/h的生产率下长时间连续工作,需选用合适的制浆和助剂制备设备.纸机有2个独立控制的干燥部(共l3个烘缸),另外还有压光机,表面卷纸机和自动控制定量和水分的精密1190电脑系统糙5澹系统回收装置的模拟装置里尔纸张干燥的室内模拟在GTI的应用研究实验室进行,以证明燃烧系统比在WMU中试车间的装置性能更优越,并确定GFPD的_丁作外壳.图3显示了模拟装置的管道和仪器安装图.国际造纸2009年第28卷第2期测量系统安装在现有的干燥部的线路上,如图4所示.微型红外温度探

9、测仪安装在选定的3和7烘缸上,测量纸张进缸和出缸温度,同时也可以测量沿整个烘缸长度的烘缸表面温度.在试验烘缸前后各擎发Research&De安装1个水分探洲器测量纸张水分为了把水分探测器安装到现有的十燥系统中,入口处的探测器配备了较小的红外探测附属装置,使探测器的安装与测试烘缶I同轴蒸汽管道配有ABB蒸汽流量计和控制阀门,这样在原生产线和巾试规模的试验运行时町测量和分析十燥部的热平衡?从试验烘缸来的冷凝水的温度用K型热电偶测量,可评定蒸汽加热烘缸的热损欠一在l3,69和13烘缸的入口处也测蒸汽集管的乐力,所有的探测与FieldPoint的数据采集系统相连接,这样可以HNatio

10、nalInstrumentsLabView的便携式计算机埘数据进行实时监控秆1记录.在原生产线试验时对下列参数进行测最压力:蒸汽管道,l,3,6,7,9,13烘缸的入口蒸汽压;蒸汽流EL:第l部分汽流量,第2部分汽流,试验烘缸的汽流量;蒸汽2部,-1部一鼎.胤一蒸汽温度IRs红外探测仪(j袈的基j一冷凝水温度M,蒸汽流挝一/网4测量系统_布局温度:l,3,7,l3蒸汽烘缸的人f_I温度,1,2,3,7,8,9蒸汽烘缸冷凝水的温度,烘缸之间纸的温度(人r测量),试验烘缸表面的温度(IR),进川j试验烘缸的纸张温度(IR),昕有烘缸的表面温度(人T测量);水分:纸张进¨t验烘缸的水分;纸

11、机参数:年速,十燥部水分,定量.使H】轻便的HoribaPG一250气体分析仪对废气成分(O,CO,CO,NO)进行测定.并记录在NationalInstrumentsLabView数据采集系统中:对纸张在进川1烘缸时部进行纸样采集,用以测定纸张的物理性能,如定量,耐破度,厚度,Gurley挺度,伸长率,撕裂瞍和抗张强度6原生产线试验选择了3干兀7蒸汽烘缸又lJ原生产线进行了评价图5原生产线蒸汽烘缸37的发装仪表(见罔5)巾WMU厂推荐,选定3烘缸为干燥部中热负荷最大的烘缸,选择7烘缸来评估纸张在较低的入口水分下的GFPD性能.原牛产线试验的任务是在不同的热量下,测量烘缸的表面温度和纸张的水分

12、分布.将获得的信息作为基准数据与燃气试验对比.原生产线运行时,试验烘缸纸张进缸时的水分保持相对稳定,在10%60%的目标范同内.根据对原生产线的试验计划,收集了所有的数据,然后进行处理和分析:计箅蒸汽加热烘缸的干燥速率和烘缸效率.表1列了烘缸的性能,此处的结果来自3个不同的纸机设置.表1数据表明,3烘缸的进纸水分在52%55%范同内,7烘缸的进纸水分在12%30%范同内:应当注意,|f燥速率和干燥效率取决于许多参数,其中包括热输入量,烘缸表面温度和进纸水分含量一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温度烘缸温度

13、进缸水分蒸发的水分干燥速率干燥效率/kg?h/:/%,%/kg?(h?m!)/%试验1(原生产线)整台纸机蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7试验3(原生产线)整台纸机蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7试验4(原生产线)整台纸机蒸汽烘缸3蒸汽烘缸7290.8l1344.4l26225l27lO957l2O52l221229581lOlO65734.411410955l9.2l14l103O3l98jl542.6l2523.3l26lll57l1954l222l5466.3278.5l1.743533.9l76.8733.9639.3933244272845457中试规模试验在中试规模试验中,把GFPD烘缸安装在与原生产线试

14、验相同的位置.放在3烘缸处的烘缸测出的进纸水分大约为55%(湿部),安装在7烘缸处的烘缸测出的进纸水分在10%一40%之间(干部).除了3和7烘缸处蒸汽压力和温度的测量外,对GFPD进行性能测试的纸机仪表都与原生产线的相同.图6和图7是GFPD点火过程中的仪器设置系统图和GFPD图.采用配有高精度的涡流式流量计和轻便的气体分析仪的先进的空气/气体流量处理和混合系统来控制和管理火焰的化学计量和排出气体.8烘缸表面温度为了改变试验烘缸的表面温度,燃烧器在4.9Mw升到38.1Mw的速度范围内点火.烘缸表面平均温度在129242oC之间,其标准偏差为±3%±9%.烘缸表面最高平均

15、温度为242.由于受AlbanyInternational公司赠送的耐高温毛毯(单丝织物一一Kleenflex69)的操作限制,GFPD的表面温度被限制在232oC左右9干燥速率和干燥效率中试评价表明,GFPD的干燥速率为蒸汽加热烘缸干燥速率的45倍(见图8o然而,毛毯材料的最高操作温度限制了GFPD干燥速率的进一步提高.根据相应GFPD的干燥速率计算出干燥效率.当燃烧速率最高为38.1Mw,进缸纸水分为55%时,烘缸的最大干燥效率约为60%.在干部,当干燥速率23.9kg/(h.m),烘缸表面温度221oC,进纸水分43%时,最大干燥效率为71%(见表2o应当注意,较高的燃烧速率(&

16、gt;38.1Mw)将会产生较高的干燥效率.一蒸汽压力Ms一湿度探测仪一蒸汽温度一冷凝水温度M一蒸汽流量IRs一红外探测仪6GFPD试验用的管道和仪表图国际造纸2009年第28卷第2期蒸汽烘缸.燃气烘缸罔7高温操作条件下GFPD的布局332O945.q舛m表2干部GFPD的测试结果注表中数据为4次试验的平均值;f燥效率是根据水蒸发所需热量及蒸汽和燃料所致热输入量计算得出的;计算整台纸机干燥效率时热量输入是由蒸汽和天然气燃烧所致.烘缸表面温度/陶8进缸纸张水分为55%1:Iq的干燥速率和烘缸表面温度10GFPD排出物试验过程中,不断监控GFPD排放的气体,发现其排出量在允许的范围内.对空气/燃气

17、的比率进行控制,使O!在排出气体中占2%3%.排出的气体中NOx为30114cm/m,CO为330cm./m.,CO2为10.2%ll%.1l纸张质量检测为了确定高温干燥对纸张性能的影响,在WMU厂的纸张检测中心分析了纸张性能(见表3).由表3可知,在不同温度下的原生产线和GFPD试验得到的表3挂面纸板的物理性能烘缸温度定量耐破度厚度伸长率撕裂度抗张强度/1:/gm/kPa/mm,%/mN/kN?In原生产线试验1142133230.3761.723537.0GFPD试验22l21035lO.3811822857.9纸张强度性能没有明显差别.12结语在WMU中试车间进行的GFPD试验结果成功地

18、证明了在生产挂面纸板时,天然气燃烧的试验结果优于蒸汽烘缸.经证实,烘缸表面温度至少可以提高到260,可明显提高干燥速率,同时不影响纸张质量.WMU厂的GTI中试规模试验表明,GFPD的最大干燥效率(以蒸发所需热量与天燃气释放的热量之比计算)为75%,而蒸汽加热烘缸的最大干燥效率为55%(以蒸发所需热量与蒸汽冷凝时释放的热量之比计算).通过使用内燃气体回收装置(如燃烧空气的预热),GFPD的总有效率(以所用热量与总输入热量之比计算)可以提高到85%.假定锅炉中蒸汽流失15%,传输系统中蒸汽流失10%,干燥烘缸中蒸汽流失10%,那么蒸汽烘缸总有效率的最大值为68%.根据WMU厂对GFPD中试的评价,Tappi干燥速率为传统蒸汽加热干燥的45倍.在大型纸机上最大干燥速率取决于具体操作条件和生产的纸种,在GFPD现场试验时需具体确定.WMU厂传统蒸汽加热烘缸约消耗20.5Mw的饱和水蒸气,可使烘缸表面温度达到12l,而GFPD达到相同的温度所需的饱和蒸汽量为14.6MW.此外,为了使气体烘缸表