熱管換熱器用于木纖維干燥余熱回收的可行性分析

伊松林，張璧光

(北京林業(yè)大學 木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083)

0 引言

能源是世界范圍內具有戰(zhàn)略意義的資源，我國的能源供需矛盾突出，而且在不少工業(yè)企業(yè)中的能源利用率較低。以木材加工企業(yè)中的纖維板生產為例，熱能消耗約占生產總能耗的64%[1，2]，能耗在生產成本中占的比例為30% ～40%[2]，不僅遠遠高于世界發(fā)達國家，而且也高于全國的平均水平。就中密度纖維板 (MDF)產品的單位綜合能耗而言，世界同行業(yè)發(fā)達國家為156 kg標準煤/m3[3]。而按 2008年全國纖維板產量 2 906.6萬m3計，全國纖維板生產綜合能耗高達930萬t標準煤，單位綜合能耗約為320 kg標準煤/m3。因此我國人造板加工企業(yè)的節(jié)能潛力很大。在纖維板生產中，除風送和除塵系統(tǒng)外，熱磨、干燥工序等是另外一個耗能重點，需要加大相關技術的研發(fā)[3]。

目前纖維板生產能耗高的主要原因有以下幾個方面:⑴纖維板干燥溫度在 160～220℃[4]，排氣溫度高達90～100℃[5]，排氣熱損失大;⑵用氣設備排出的高溫冷凝水沒有很好的回收利用;⑶供氣管路系統(tǒng)配置不合理和保溫不良所造成的熱損失大。由于篇幅所限，本文著重探討利用熱管換熱器回收纖維干燥排氣余熱的可行性。

1 纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的原理與設備組成

1.1 原始資料

目前，在中/高密度纖維板生產線中應用最廣泛的為管道氣流干燥。這種干燥方式因干燥時間很短，纖維的干燥時間一般僅為3～5 s，所以又稱為“閃擊式”管道干燥。這種管道干燥系統(tǒng)主要由空氣預熱器 (加熱器)、干燥管道、風機、旋風分離器、監(jiān)測裝置和防火安全裝置組成。干燥管道直徑為1.0～2.6 m(管道直徑根據(jù)產量不同而不同)，管道長度為120 m左右[6]。

以北京某廠年產10萬m3的中密度纖維板(MDF)生產車間為例，從纖維干燥機排出的廢氣約90℃，初步確定擬回收的廢氣流量為20 000 m3/h。原工藝是將平均溫度為20℃左右的新鮮空氣送至纖維加熱器系統(tǒng)。

1.2 纖維干燥余熱回收系統(tǒng)的組成

熱管換熱器是一種高效換熱設備，在我國的應用已比較廣泛，但在纖維干燥中的應用尚未見報道[7，8]。本項研究采用高效熱管換熱器來回收纖維干燥的排氣余熱，余熱回收系統(tǒng)如圖1所示。在余熱回收風機9的帶動下，由位于干燥分離器4頂部廢氣出口6處排出的部分高溫廢氣，經余熱回收風管7送至熱管換熱器8回收排氣余熱，熱管換熱器入口處廢氣溫度為90℃，相對濕度為50%，排出的廢氣溫度為70℃，相對濕度為90%，外界溫度為20℃、相對濕度為60%的新鮮空氣經熱管換熱器加熱端又回到纖維干燥設備，完成一個循環(huán)。

圖1 纖維干燥排氣余熱回收系統(tǒng)圖Fig.1 The waste heat recovery system of wood fiber drying

2 余熱回收系統(tǒng)分析計算

2.1 熱管換熱器回收熱量

熱管換熱器回收的熱量應等于廢氣經熱管放出的熱量，按式 (1) 計算[9]:

式中:Q1為熱管換熱器從廢氣中回收的熱量;V1為廢氣容積流量，V1=20 000 m3/h;ρ為廢氣流的平均密度，ρ=1.0 kg/m3;H1，H2為分別為廢氣流經熱管換熱器前后的熱焓。已知廢氣進入熱管換熱器前的溫度為90℃，相對濕度為50%，查濕空氣熱力參數(shù)，H1=986.79 kJ/kg;取廢氣流出熱管換熱器前的溫度為70℃，相對濕度為90%，查濕空氣熱力參數(shù)，H2=708.40 kJ/kg。

于是 Q1=20000×1.0× (986.79－708.40) /3 600=1 546.61 kW

2.2 采用熱管換熱器以后減少的排氣熱損失

2.2.1 原工藝排氣熱損失

原工藝是將90℃的廢氣經過干燥分離器后排入大氣。設大氣環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為60%，查濕空氣熱力參數(shù)，其相應的熱焓為42.53 kJ/kg，廢氣流的平均密度仍取ρ=1.0 kg/m3，則原工藝的排氣損失Q2為

2.2.2 采用熱管換熱器的排氣熱損失

由于本設計采用的熱管換熱器設定的參數(shù)為溫度為70℃，相對濕度為90%，其相應的熱焓為708.40 kJ/kg。則采用的熱管換熱器后的排氣損失Q3為

2.2.3 采用熱管換熱器以后減少的排氣熱損失

采用熱管換熱器以后減少的排氣熱損失 ΔQ為ΔQ=Q2－Q3=5 246.50－3 699.28 =1 547.22 kW，即熱損失減少了29.49%。

2.2.4 考慮熱管效率的實際節(jié)能率

根據(jù)有關資料[10]熱管換熱器中熱的廢氣加熱進入系統(tǒng)的新鮮空氣 (20℃，濕度60%，)的換熱效率在27%～38%，這里取熱管換熱器熱效率為35%。則，實際減少的熱損失為1 547.22×0.35=541.53 kW;實際節(jié)能率為29.49×0.35=10.32%。

3 經濟分析

3.1 排氣余熱回收設備總投資

目前熱管換熱器價格為每kW換熱量1 000～1 100元，取1 100元/kW，則熱管換熱器的投資S1=1 546.61×1 100÷10 000=170萬元 。

熱管換熱器與纖維干燥排氣設備連接的管路系統(tǒng)、保溫材料、風機及安裝費用等其它費用S2取熱管換熱器投資的20%，則S2=170×0.2=34萬元

排氣余熱回收設備總投資S=S1+S2=170+34=241.27萬元，取為204萬元。

3.2 每年節(jié)能的純經濟效益

年純經濟效益可按 (2)式計算:

式中:M為年純經濟效益;J為年節(jié)能費;Z為設備折舊費;Y為年維修費;D為風機能耗費。

(1)年節(jié)能費J。設鍋爐與管網(wǎng)的總熱效率為70%，原設備纖維干燥以蒸汽為熱源，供應26×105Pa的飽和蒸汽，排氣干度在0.2左右，查此壓力下每t蒸汽放出的熱焓，可算出每t蒸汽放出的熱量為406 kW。根據(jù)相關文獻[10]可算出每t蒸汽所耗標準煤為120 kg/h，采用熱管換熱器后，每天減少的煤耗:541.53÷406×120×24÷1 000=3.84 t標準煤，設纖維干燥設備每年工作300天，則每年可節(jié)約標準煤1 152 t。按目前的煤價，取標準煤價為800元/t，則每年可節(jié)省煤耗費約92.2萬元。

(2)設備折舊費Z。取設備使用期為15年，則每年的設備折舊費為13.6萬元。

(3)年維修費Y。由于此節(jié)能設備的運動部件少，取維修費為總投資的1.5%，為3萬元。

(4)風機能耗費D。經過估算余熱回收風機配套電機功率11 kW，電價取1元/kW·h，每天24 h，每年工作300天的能耗費為7.9萬元。

則每年的純經濟效益 J=92.2－13.6－3－7.9=67.7萬元。

3.3 投資回收期

投資回收期=204/67.7≈3年。節(jié)能設備投資回收期約3年，說明此方案是基本可行的。

4 結論

(1)用熱管換熱器回收纖維干燥機排出廢氣的余熱，其節(jié)能方案在技術和經濟上都是可行的，它可使纖維干燥實際節(jié)能率達10.32%，且設備投資回收期約3年，故預計此節(jié)能方案有較好的工業(yè)應用前景。

(2)纖維干燥用熱管換熱器回收排氣余熱，不僅能產生可觀的經濟效益，而且減少了對大氣的粉塵污染、甲醛污染和熱污染，因而有明顯的社會效益。

(3)此方案僅僅從理論上論證它的可行性，建議進一步通過小試和中試，驗證用熱管換熱器回收纖維干燥排氣余熱的可行性，以便為熱管換熱器用于纖維干燥的工業(yè)生產奠定基礎

(4)如果進一步通過試驗和生產證實了它的可行性，此方案不僅可以用于木材纖維干燥的排氣余熱回收，也可以應用于其它類似的余熱回收。

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