合成革干法生產(chǎn)線天然氣供熱系統(tǒng)的分析

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(gè)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(guó)內(nèi)許多合成革企業(yè)紛紛進(jìn)行“煤改氣”[1-3]. 然而用燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐或簡(jiǎn)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(huì)因燃?xì)獬杀具^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(gè)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(zhǎng)期以來， 在合成革行業(yè)的“煤改氣”中， 一般只做簡(jiǎn)單的能量平衡計(jì)算， 缺少對(duì)合成革生產(chǎn)線能量?jī)?yōu)化利用的深層次研究， 致使改造工作往往難以達(dá)到高效節(jié)能的初衷.分析方法是一種同時(shí)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(jì)與運(yùn)行， 具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì). 合成革的定型生產(chǎn)過程本質(zhì)上是一個(gè)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(shí)際數(shù)據(jù)， 通過分析比較4種典型紙機(jī)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(jìn)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(jī)的分析模型， 為紡織品的干燥優(yōu)化做出重要貢獻(xiàn). Anawe等[10]針對(duì)洋蔥干燥過程的能量分析， 計(jì)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(duì)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(gè)干燥區(qū)間構(gòu)成， 每個(gè)區(qū)間包含天然氣燃燒機(jī)、 煙氣混合室、 內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、 風(fēng)道與熱風(fēng)風(fēng)排， 以及頂部的排風(fēng)風(fēng)機(jī)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(hù). 烘箱內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器、 布速控制儀等監(jiān)測(cè)裝置. 為深入研究烘箱內(nèi)部溫度場(chǎng)和能量損失等情況， 對(duì)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(jìn)行測(cè)試， 有關(guān)情況如下.

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

圖2 測(cè)點(diǎn)位置簡(jiǎn)圖Fig.2 Position of measuring point on cross section

在距離烘箱左側(cè)進(jìn)布端水平距離1.61 m(1#橫截面)和7.65 m(2#橫截面)的兩個(gè)橫截面處布置測(cè)點(diǎn)， 橫截面上的測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示. 其中測(cè)點(diǎn)豎直高度分別為65、 110、 175 cm， 每個(gè)豎直高度的水平線上安排5個(gè)測(cè)點(diǎn)， 測(cè)點(diǎn)1距離保溫層內(nèi)壁面40 cm， 各測(cè)點(diǎn)水平間距40 cm. 測(cè)試時(shí), 每間隔5 min記錄一次溫度與相對(duì)濕度， 每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄5組數(shù)據(jù)并取其均值， 然后轉(zhuǎn)移至下個(gè)測(cè)溫點(diǎn)， 實(shí)測(cè)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(cè)點(diǎn)的平均溫度圖Fig.3 Average temperature of the 1# measuring point

圖4 1#測(cè)點(diǎn)的平均相對(duì)濕度圖Fig.4 Average relative humidity of the 1# measuring point

圖6 2#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)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(cè)點(diǎn)處的溫度與相對(duì)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(duì)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(duì)濕度則剛好相反， 依次是烘箱中部相對(duì)濕度最小， 上部次之， 底部相對(duì)濕度最大. 溫度與相對(duì)濕度體現(xiàn)了煙氣的干燥能力， 相對(duì)濕度越低、 煙氣溫度越高， 代表著干燥能力越強(qiáng). 所以烘箱中部測(cè)得的供熱煙氣的溫度最高且相對(duì)濕度最低， 作為被換熱的烘箱底部煙氣其溫度最低且相對(duì)濕度最高， 而在烘箱頂部測(cè)得的煙氣作為即將排放的尾氣其溫度和相對(duì)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(duì)濕度計(jì)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(shí)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(duì)合成革進(jìn)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(gè)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(shí)生成高溫?zé)煔獾母鱾€(gè)組成氣體；hgi為各個(gè)組成氣體的焓值， 單位kJ·kmol-1；sgi為各個(gè)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(duì)溫度， 單位K.

某合成革廠干法線定型機(jī)每個(gè)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(jìn)而引起損失. 假設(shè)混合室表面絕熱， 流體的動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化可忽略不計(jì)， 按照理想氣體在定壓條件下的絕熱混合進(jìn)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(duì)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(duì)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(dá)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(shí)， 生產(chǎn)時(shí)的進(jìn)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(bǔ)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(jìn)入系統(tǒng)前和離開系統(tǒng)后的的絕對(duì)溫度， 單位K；GPU為每小時(shí)進(jìn)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(zhǎng)度， 單位m；vsl為合成革干燥生產(chǎn)時(shí)的進(jìn)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(shí)進(jìn)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(kuò)散， 單位kJ·kmol-1；nwi為尾氣各個(gè)組成氣體的摩爾流量， 單位kmol·h-1；cp, wi為尾氣各個(gè)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(bǔ)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)于合成革干法線而言， 該子系統(tǒng)的損失對(duì)于整個(gè)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(xiàng)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(xiàng)目的值與損率

項(xiàng)目值 /kW損率 /%項(xiàng)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(bǔ)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(duì)合成革干法生產(chǎn)線烘箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)的測(cè)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(duì)濕度基本相同. 具體分布情況是， 烘箱中部的溫度最高， 相對(duì)濕度最?。?烘箱底部的相對(duì)濕度最大， 溫度最低； 烘箱頂部的溫度和相對(duì)濕度居中. 說明該烘箱內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(duì)濕度和溫度居中的頂部設(shè)計(jì)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(yùn)行和節(jié)能.

對(duì)某合成革干法生產(chǎn)線烘箱內(nèi)有關(guān)熱力參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明， 天然氣煙氣混合傳熱的損最大，損率高達(dá)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(duì)其可回收價(jià)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(jì)也已基本合理， 優(yōu)化改進(jìn)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(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)可行性， 可采取如下具體措施： 對(duì)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(duì)燃燒過程而言， 加強(qiáng)天然氣與空氣的混合程度、 提高燃燒室熱強(qiáng)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(duì)于過流部件的優(yōu)化而言， 可通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析輔助設(shè)計(jì)烘箱內(nèi)的風(fēng)道與風(fēng)排結(jié)構(gòu)； 對(duì)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(jìn)用能情況.