天然氣直燃系統(tǒng)在BOPET薄膜生產線中的應用

寧媛松，霍達，王珂，張仲陽

(1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120； 2.北京思靈機器人科技有限責任公司，北京 100192)

雙向拉伸聚酯(BOPET)薄膜具有力學強度高、光學性能好、使用溫度廣、阻隔性優(yōu)良、耐油、耐腐蝕等特點[1-2]。因其優(yōu)良的綜合性能，BOPET薄膜在包裝、印刷、復合、真空鍍鋁等方面的應用最為普遍。雙向拉伸薄膜的制備主要使用平膜拉伸法，平膜拉伸法又分為同步拉伸、分步拉伸兩種方法[3-4]。兩種方法在薄膜拉伸領域均有廣泛應用。在薄膜拉伸過程中，薄膜的結晶、定向程度以及均勻性完全依靠溫度控制進行調節(jié)，因此熱歷程是決定拉伸薄膜產品質量的關鍵因素。烘箱熱風循環(huán)系統(tǒng)作為薄膜熱歷程的關鍵設備，直接對薄膜進行加熱，其熱效率、溫度與傳熱的均勻性控制成為拉伸薄膜領域的一項關鍵技術。

目前BOPET薄膜生產線的烘箱熱風循環(huán)系統(tǒng)，主要采用電加熱、油加熱兩種加熱方式，其熱源分別是電阻加熱器以及導熱油加熱器，前者通過電阻絲通電發(fā)熱，后者則通過循環(huán)熱油進行熱交換[5-6]。采用電加熱方式需要消耗大量電能，通常一條采用電加熱方式的BOPET薄膜生產線的能耗大部分集中于熱風循環(huán)系統(tǒng)。導熱油加熱，盡管解決了電耗的問題，但是需要增加燃煤或燃油鍋爐、熱油泵、熱交換器等相關設備，總體熱效率僅為60%～70%左右，另外鍋爐工作過程中，產生大量二氧化硫、煙塵、氮氧化合物等有害物質，熱油管道的泄漏、臟污等也會對正常生產造成影響。

天然氣的主要成分是CH4，屬于清潔能源。天然氣直燃熱風系統(tǒng)已經開始應用在紡織印染行業(yè)[7]、精密涂布行業(yè)。目前在BOPET薄膜生產線上的應用較少，為響應行業(yè)節(jié)能降耗、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的號召，筆者基于某寬幅BOPET薄膜生產線的天然氣改造項目，針對天然氣直燃系統(tǒng)在BOPET薄膜生產線中的應用進行了相應的探索研究。

1 經濟性對比

基于某寬幅BOPET薄膜生產線改造項目，原生產線采用電加熱方式，按照天然氣95%燃燒效率將電功率轉化為相應每小時天然氣消耗量，見表1。天然氣燃燒熱值為8 000 kcal/m3。

表1 電功率折合天然氣耗用量

當前工業(yè)用電高峰期電價1.025元/度，生產線所在地工業(yè)用天然氣價格為4.69元/m3，進行成本核算，該生產線每小時用電成本為297元，對應天然氣成本為146元。因此采用天然氣替換電加熱成本節(jié)約50%。

2 天然氣直燃系統(tǒng)設計

2.1 補風溫度計算

BOPET薄膜生產線熱風循環(huán)系統(tǒng)，通常由循環(huán)風機、風機室、熱源、靜壓箱等幾部分組成[8-10]，通過對其工作過程進行分析[11]，最終將熱風循環(huán)系統(tǒng)的工作過程簡化為簡單的混風過程，如圖1所示。

圖1 電加熱系統(tǒng)簡化示意圖

天然氣直燃系統(tǒng)，即將天然氣燃燒器(如圖2所示)的燃燒端直接布置在風道內，通過天然氣的燃燒對風道內的空氣進行加熱。由于天然氣的燃燒產生二氧化碳、水以及極少量的二氧化硫，通過過濾器的過濾其中的二氧化硫不會對薄膜質量產生影響，因天然氣直燃系統(tǒng)避免了換熱系統(tǒng)帶來的低效率[12]，同時不會對產品質量產生影響。

圖2 天然氣燃燒器

原生產線電加熱系統(tǒng)通過直接在烘箱內部對回風進行加熱，再與補風進行混合，若采用天然氣直燃系統(tǒng)替換原有電加熱系統(tǒng)，天然氣系統(tǒng)不能直接在烘箱內燃燒，需要布置在烘箱外部的進風管道內，因此選擇將天然氣燃燒系統(tǒng)布置在補風管道上對補風進行加熱來達到升溫的目的，如圖3所示。

圖3 天然氣直燃系統(tǒng)簡化示意圖

綜上天然氣直燃系統(tǒng)能否滿足使用要求關鍵在于能否使補風溫度達到要求，與回風進行混合后使得靜壓箱吹出的熱風達到工藝溫度。

首先，需根據能量公式進行簡化計算，能量公式為：

式中：Q為總能量；C為比熱容；m為質量；Δt為溫度變化。

則上述混風過程的能量公式簡化為：

式中：T0為膜面溫度即工藝溫度，T1為回風溫度，T2為補風溫度；L0，L1，L2分別對應T0，T1，T2溫度下的體積流量。

等質量的低溫和高溫空氣體積(體積流量)不同，其不同溫度下體積流量可根據式(3)進行轉換。

僅從體積流量角度考慮，則L1，L2進行混風，均應轉換為相同溫度下(這里選擇0℃)的體積流量加和后再轉換為T0溫度下的體積流量L0。

則將L0帶入混風能量公式得：

進一步推導簡化：

式中：T0’=T0+273,T1’=T1+273

2.2 天然氣燃燒溫度計算

原電加熱生產線正常生產情況下：

L1=16 140 m3/h；L2=250 m3/h；

T0=220 ℃(溫度傳感器顯示溫度，亦即工藝溫度)；

T1=203 ℃(溫度傳感器顯示溫度)；

改為天然氣直燃系統(tǒng)加熱方案后計算結果見表2。

表2 天然氣加熱補風計算結果

天然氣加熱需將補風溫度加熱至2 000 ℃以上，實際天然氣加熱火焰焰心溫度最高僅600 ℃，且風道金屬材料以及管道保溫材料的耐溫最高為400 ℃，現有條件下天然氣直燃系統(tǒng)不能滿足使用要求，這是因為補風風量與靜壓箱出風風量相差較大，補風不足以將回風溫度提高至工藝溫度。

綜上，首先考慮采取增加補風風量的方式降低補風溫度，假定補風溫度400 ℃情況下反推補風風量，結果見表3。

表3 增加補風風量計算結果

當補風風量提高至原補風風量6.4倍時，加熱器加熱溫度400 ℃以下，因此若采取提高補風風量的方案，則原新風風機至少增大原功率6.4倍以上，因此單純增加補風風量，盡管能夠使用天然氣直燃系統(tǒng)，但補風風機功率增加過多，反而增加生產線整體能耗。

2.3 增加回風利用

在不增加外部補風風量的情況下，可以通過引出烘箱內部的熱風與補風混合，增加進入烘箱內的補風風量，從而滿足使用要求。整套天然氣燃燒系統(tǒng)三維模型如圖4所示，在天然氣爐上增加回風風道，為保證在燃氣爐上部形成負壓空間，在原風機室回風口處增加插板閥用以調整回風風量，因此一部分回風將由烘箱內引出后與補風混合共同加熱后由風機室吸回，從而降低加熱器加熱溫度。

圖4 天然氣直燃系統(tǒng)模型

另一方面，回風引出管道增加了回風的管路風阻，需增加風機室離心風機功率，形成負壓，滿足吸風要求，根據現有條件計算回風管路風阻以及全壓，從而計算離心風機增加功率：

管道動壓P0：

式中：v為管道流速，m/s；ρ為空氣密度，1.23 kg/m3。

局部阻力P1：

式中：ζ為局部阻力系數，查簡易管道通風設計表可知。

摩擦阻力P2：

式中：L為管道長度，p為單位長度摩擦阻力，根據風速、風量、管道直徑查圖可得。

管道全壓P：

式中：P0為管路最大動壓，P1+P2為管路阻力。

插板閥風阻計算：

插板閥風阻計算公式同上，ζ根據插板開度(h/D)確定，h為插板深入管道內的長度；D為插板插入方向上的管道直徑(圓管)或高度(方管)，見表4。

表4 插板閥ζ計算表

風機額外增加功率W：

式中：η1=0.75風機內效率(0.75～0.85)；η2=0.95風機機械效率(三角皮帶傳動取值0.95)。

管路簡化分為1，2，3，4，5，6，7段，如圖5所示，根據管路布置情況以及上述計算公式計算可得：

圖5 天然氣系統(tǒng)管道劃分

(1) 當原回風口插板閥全部關閉，全部依靠原風機室進行回風。根據計算結果回風風量全部依靠風機引出，風機需額外增加功率過高15.83 kW (見表5)。

表5 全回風風機增加功率計算表

(2) 經過反復計算，當回風利用20%時，即引出4 140 m3/h與新風混合加熱，計算見表6，功率增加2.15 kW。

表6 回風利用20%風機增加功率計算表

當功率增加2.15 kW，此時補風溫度計算見表7，加熱溫度266 ℃即滿足使用要求。

表7 天然氣加熱補風計算結果

綜上所述，通過引出烘箱內熱風混合新風后再進行燃氣加熱，在少量增加內循環(huán)風機功率的情況下，天然氣直燃系統(tǒng)即可滿足使用要求。后續(xù)，由于生產線空間限制，針對上述模型繼續(xù)進行結構優(yōu)化，在原有內循環(huán)風機功率不變情況下，增加一臺3 kW風機直接從烘箱內引出熱風結構上更為合理緊湊，且循環(huán)回路內風阻更低，最終模型如圖6所示。

圖6 改進后的天然氣直燃系統(tǒng)模型

3 天然氣直燃系統(tǒng)CFD仿真

改進方案確定后，通過流體仿真軟件對天然氣直燃系統(tǒng)進行CFD仿真分析[13]。

本生產線為上下雙風機模式，因此為簡化模型，只對風道較長的下風機管道進行仿真，天然氣直燃管道部分只繪制一半模型，對于流量參數設定也取值為計算數值的一半。初始邊界條件設定，天然氣燃燒溫度設定400 ℃，燃燒空氣流量設定為125 m3/h，烘箱內抽出熱風溫度設定為200 ℃，烘箱內抽出熱風流量2 000 m3/h，回風口設定風量6 000 m3/h。最終結果如圖7～圖9所示。

圖7 天然氣直燃系統(tǒng)溫度場仿真結果

圖8 天然氣直燃系統(tǒng)溫度場仿真結果軸測視圖

圖9 天然氣直燃系統(tǒng)速度場仿真結果軸測視圖

通過溫度場云圖可以看到，在燃燒器噴口位置附近顏色較深，顯示溫度達到650 K（即377 ℃）左右，隨管道延伸至出口位置時顏色明顯變化并趨于穩(wěn)定，顯示溫度490 K（即217℃）。通過速度場云圖可看到盡管在管道轉彎位置處存在小的擾動，大部分氣體隨管道平穩(wěn)流動至出口位置，出口位置出風均勻。綜上，仿真結果符合預期，循環(huán)風通過天然氣燃燒器的加熱，溫度達到使用溫度后，順利進入風機室進行后續(xù)混風。仿真結果證明該方案可行。

4 應用

天然氣直燃加熱系統(tǒng)最終在某寬幅BOPET薄膜生產線上進行了應用實驗，對原生產線定型2區(qū)進行改造，增加了天然氣直燃系統(tǒng)以及熱風循環(huán)管道，如圖10所示。

圖10 天然氣直燃系統(tǒng)生產試驗圖

天然氣直燃系統(tǒng)運行過程中膜面溫度傳感器檢測膜面溫度為219.5 ℃。通過記錄24 h天然氣表顯消耗量，計算天然氣平均消耗量為11.05 m3/h，則天然氣使用成本為52元。

相鄰定型3區(qū)未進行天然氣直燃系統(tǒng)改造，仍使用原電加熱器，膜面檢測溫度為226.0 ℃，電加熱器運行總功率80 kW，則用電成本為82元。

盡管只進行了單個烘箱的改造，但通過對比發(fā)現其基本滿足本區(qū)的溫度要求，完全能夠替換原有電加熱器使用，且達到了降低能耗節(jié)約成本的目標。

5 結論

首先，采用天然氣直燃系統(tǒng)替代原有電加熱、油加熱的加熱方式直接解決了BOPET薄膜生產線的高能耗問題，同時降低了生產成本；其次天然氣直燃系統(tǒng)相較于天然氣間燃換熱系統(tǒng)結構簡化的同時避免了換熱效率低等問題，燃燒后的氣體并不會對薄膜質量產生影響；最后目前市場上天然氣直燃系統(tǒng)已經成熟，智能化溫度控制系統(tǒng)能夠像電加熱一樣實現生產線工藝溫度的精準控制。

另一方面，天然氣直燃系統(tǒng)在BOPET薄膜生產線上的應用，仍然存在一些問題。首先天然氣系統(tǒng)工作過程中若控制不得當，將造成燃氣不充分燃燒，從而產生易燃有害氣體以及炭黑等，污染薄膜的同時也會帶來安全隱患。因此在使用過程中如何避免其不充分燃燒，且在使用過程中能夠及時發(fā)現其燃燒不充分情況，并進行修正成為后續(xù)需要研究解決的問題。此外天然氣燃燒系統(tǒng)對使用廠家的安全性要求相對其他生產線更為嚴格。盡管天然氣直燃系統(tǒng)的使用仍然存在問題，但作為清潔能源，符合現今企業(yè)降本增效、綠色生產的要求，依然具有推廣使用的價值[14]，也對今后天然氣直燃系統(tǒng)在薄膜拉伸領域的推廣使用提供一定參考和借鑒。