HDT 烘絲機(jī)燃燒爐換熱管清潔裝置的設(shè)計(jì)

梁志遠(yuǎn)，賀朋濤，韋 斌*，曹建華，李 彬

1. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西柳州市城中區(qū)靜蘭路1 號 545005

2. 沈陽萬潔智能環(huán)境科技有限公司，沈陽市東陵區(qū)創(chuàng)新路155-5 號832 室 110000

HDT 烘絲機(jī)因具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、操作簡單以及出口煙絲含水率均勻性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于卷煙生產(chǎn)企業(yè)［1-2］。烘絲機(jī)運(yùn)行時的工藝氣體溫度對葉絲的物理指標(biāo)和感官質(zhì)量均有較大影響［3-4］，控制系統(tǒng)通過自動調(diào)節(jié)燃料流量將熱風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)而提高葉絲含水率的穩(wěn)定性［5］。燃燒爐是HDT 烘絲機(jī)的重要組成部分，通過燃燒天然氣或柴油等燃料產(chǎn)生熱量，生成的熱風(fēng)通過換熱管與工藝氣體進(jìn)行熱交換。為保障熱交換效果，目前一般采用長桿刷等工具配合壓縮空氣定期清除換熱管中的積碳積垢，存在耗時長、清理不徹底等問題，進(jìn)而影響預(yù)熱時間，增大燃料消耗。針對換熱管的清潔技術(shù)已有較多研究，張望平等［6］開展浸泡清洗、噴淋清洗和壓力環(huán)洗對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓力環(huán)洗方式對換熱管外壁的清潔效果較好；洪性鎬［7］發(fā)明一種吹灰器，通過接入高壓蒸汽對換熱管外壁進(jìn)行吹掃；舒明榮［8］針對干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線中的IN-60焚燒爐設(shè)計(jì)一種水-氣混合的霧化式清洗噴槍，通過調(diào)節(jié)水、氣壓力實(shí)現(xiàn)對換熱管外壁的有效清潔；黃海松［9］采用清洗劑和水對HXD 烘絲機(jī)的換熱管外壁進(jìn)行沖洗，并采用聚乙烯薄膜塑料保護(hù)燃燒爐爐膛內(nèi)壁的保溫耐火材料不被浸濕，提高了換熱管的清潔效果。HDT烘絲機(jī)因燃燒爐熱風(fēng)在換熱管內(nèi)部流動而導(dǎo)致積碳積垢主要附著在管道內(nèi)壁和導(dǎo)風(fēng)條上，無法采用上述針對換熱管外壁的清潔技術(shù)。為此，設(shè)計(jì)了一種適用于HDT 烘絲機(jī)燃燒爐換熱管的清潔裝置，以期提高換熱管清潔效率并改善換熱效果。

1 問題分析

如圖1所示，HDT烘絲機(jī)燃燒爐（1）內(nèi)的換熱器由44 支長2 530 mm、內(nèi)徑34 mm 的換熱管（2）組成，每支換熱管內(nèi)有一個麻花狀導(dǎo)風(fēng)條（4）；工藝氣體在換熱管外側(cè)流動，燃燒爐產(chǎn)生的熱風(fēng)進(jìn)入換熱管內(nèi)部流動，利用導(dǎo)風(fēng)條增加接觸面積可有效提高換熱效率。生產(chǎn)中燃料燃燒不充分產(chǎn)生的積碳和天然氣燃燒產(chǎn)生的硫化物積垢［10］會附著在換熱管內(nèi)壁（5）和導(dǎo)風(fēng)條表面，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率降低［11］，而采用壓縮空氣或長桿刷子等簡易工具對換熱管進(jìn)行吹掃清理則存在以下問題：①清潔時間長，工作效率低；②換熱管屬于細(xì)長管，內(nèi)部清理難度大，清潔效果不理想；③吹掃產(chǎn)生的粉塵對周圍環(huán)境造成污染，部分粉塵被吹進(jìn)燃燒爐爐膛會導(dǎo)致再次點(diǎn)火燃燒時加劇積碳產(chǎn)生。

圖1 燃燒爐換熱器換熱原理與結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Heat transfer principle and structure of heat exchanger in combustion chamber

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃燒爐換熱管清潔裝置主要由管道內(nèi)壁清潔單元、導(dǎo)風(fēng)條清潔單元、空壓機(jī)和工業(yè)吸塵器組成，見圖2。管道內(nèi)壁清潔單元（7）包括進(jìn)氣管（4）、三級伸縮桿（5）、Y 形管（6）和氣動清潔頭（8）。其中，Y 形管右側(cè)兩個端口分別為導(dǎo)向支路（25）和除塵支路（24），清潔作業(yè)時將Y 形管左側(cè)端口（3°錐面）固定在換熱管一端，手持氣動清潔頭對管道內(nèi)壁進(jìn)行清潔，清理出的粉塵經(jīng)除塵支路進(jìn)入工業(yè)吸塵器（1）；從導(dǎo)向支路中穿過的三級伸縮桿為中空桿體，兩端分別與進(jìn)氣管和氣動清潔頭連接，可以在清潔作業(yè)時將空壓機(jī)（2）提供的壓縮空氣輸送至氣動清潔頭。導(dǎo)風(fēng)條清潔單元（21）包括電控盒（18）、負(fù)壓清潔倉（10）和支座（19），清潔作業(yè)時手動控制導(dǎo)風(fēng)條沿負(fù)壓清潔倉上的通道Ⅰ（11）和電控盒上的通道Ⅱ（16）水平移動，即可完成導(dǎo)風(fēng)條的清潔；負(fù)壓清潔倉為下吸式獨(dú)立倉，通過下方除塵接口（12）與除塵管（20）連接，倉內(nèi)設(shè)置兩個直徑可調(diào)節(jié)的柔性滾刷（22），導(dǎo)風(fēng)條從兩個滾刷中間通過時，高速旋轉(zhuǎn)的滾刷貼合導(dǎo)風(fēng)條的麻花狀曲面將積碳積垢剝離，形成的粉塵在負(fù)壓作用下經(jīng)除塵管進(jìn)入工業(yè)吸塵器；柔性滾刷由清潔倉下方兩臺42GP-有限公司）驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)電控盒上的調(diào)速旋鈕（17）可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)對導(dǎo)風(fēng)條的清潔能力；通道Ⅱ入口處安裝有兩個激光傳感器（23），通過感應(yīng)是否有導(dǎo)風(fēng)條經(jīng)過負(fù)壓清潔倉來控制電機(jī)開關(guān)。

圖2 換熱管清潔裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of device for cleaning heat exchanger tube

2.2 管道內(nèi)壁清潔單元參數(shù)設(shè)計(jì)

三級伸縮桿采用碳纖維材料制成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、便于操作等特點(diǎn)，與清潔管內(nèi)壁碰撞時不會產(chǎn)生火花；第一、二、三級桿體的外徑分別為24、20、18 mm，最短可以收縮至1 400 mm，便于攜帶和運(yùn)輸。如圖3所示，氣動清潔頭由柔性磨頭（1）、環(huán)形支架（2，4）和氣動馬達(dá)（3）組成，柔性磨頭安裝在氣動馬達(dá)的輸出軸上，當(dāng)氣動馬達(dá)在壓縮空氣作用下高速旋轉(zhuǎn)時，柔性磨頭上并列排布的砂布條充分打磨換熱管（7）內(nèi)壁，使積碳積垢脫落；氣動馬達(dá)軸向兩端安裝的環(huán)形支架具有支撐作用，可以使氣動馬達(dá)沿?fù)Q熱管軸線方向運(yùn)動，脫落的粉塵從支架上沿軸向設(shè)置的氣流風(fēng)道進(jìn)入除塵管，避免產(chǎn)生揚(yáng)塵。清潔換熱管內(nèi)壁時，依靠柔性磨頭上砂布條與換熱管內(nèi)壁之間的摩擦力f1剝離積碳積垢。經(jīng)現(xiàn)場測試，剝離積碳積垢所需的最小作用力F1=3.9 N，根據(jù)運(yùn)動物體力學(xué)公式［12］可得：

圖3 管道內(nèi)壁清潔單元作業(yè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of operation of tube’s inside wall cleaning unit

式中：μ1為砂布條與換熱管內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)，取0.8；FN1為砂布條對換熱管內(nèi)壁產(chǎn)生的正壓力，N；FM1為氣動馬達(dá)帶動柔性磨頭高速旋轉(zhuǎn)時砂布條產(chǎn)生的離心力，N；m1為紗布條質(zhì)量，取0.002 1 kg；ω1為氣動馬達(dá)的角速度，rad/s；r1為換熱管內(nèi)腔半徑，為0.017 m；n1為氣動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/s。

根據(jù)公式（1）可得：

根據(jù)牛頓-萊布尼茲公式［12］計(jì)算氣動馬達(dá)受到的扭矩T1：

因此，選用QPG52 型氣動馬達(dá)（額定轉(zhuǎn)速4 500 r/min，額定扭矩1.06 N·m，瑞安市歐旭機(jī)械廠）可滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 導(dǎo)風(fēng)條清潔單元參數(shù)設(shè)計(jì)

清潔導(dǎo)風(fēng)條時，依靠柔性滾刷上砂布條與導(dǎo)風(fēng)條麻花狀曲面的摩擦力f2剝離積碳積垢。經(jīng)現(xiàn)場測試，剝離積碳積垢所需的最小作用力F2=1.8 N，根據(jù)運(yùn)動物體力學(xué)公式［12］可得：

式中：μ2為砂布條與導(dǎo)風(fēng)條表面之間的摩擦系數(shù)，取0.8；FN2為砂布條對導(dǎo)風(fēng)條表面產(chǎn)生的正壓力，N；FM2為無刷調(diào)速電機(jī)帶動柔性滾刷高速旋轉(zhuǎn)時砂布條產(chǎn)生的離心力，N；m2為紗布條質(zhì)量，取0.003 7 kg；ω2為無刷調(diào)速電機(jī)的角速度，rad/s；r2為柔性滾刷旋轉(zhuǎn)半徑，為0.05 m；n2為無刷調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s。

根據(jù)公式（4）可得：

根據(jù)力矩公式［12］計(jì)算電機(jī)受到的扭矩T2：

因此，選用42GP-4260型無刷調(diào)速電機(jī)（額定轉(zhuǎn)速1 351 r/min，額定扭矩0.8 N·m，深圳市名揚(yáng)電機(jī)有限公司）可滿足設(shè)計(jì)需求。

2.4 空壓機(jī)和工業(yè)吸塵器選型

查閱QPG52 型氣動馬達(dá)說明書可知，在滿足額定轉(zhuǎn)速4 500 r/min，額定扭矩1.06 N·m 情況下，氣源壓力≥0.3 MPa，流量≥115 L/min。因此，選用DC1081-1200W型空壓機(jī)（工作壓力0.3～0.9 MPa，工作流量125 L/min，浙江鐵成工貿(mào)有限公司）可以滿足設(shè)計(jì)需求。

分別對管道內(nèi)壁和導(dǎo)風(fēng)條進(jìn)行清潔測試，確定滿足除塵效果的最小負(fù)壓吸力和風(fēng)量。結(jié)果表明，管道內(nèi)壁清潔單元的除塵負(fù)壓吸力≥22 kPa，風(fēng)量≥175 m3/h；導(dǎo)風(fēng)條清潔單元的除塵負(fù)壓吸力≥17 kPa，風(fēng)量≥110 m3/h。因此，選用VZSB-30 型工業(yè)吸塵器（吸力28 kPa，風(fēng)量318 m3/h，浙東莞匯樂環(huán)保股份有限公司）可以滿足設(shè)計(jì)需求。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：A牌號卷煙煙絲（由廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠提供）。

設(shè)備與儀器：HDT-FX3000型烘絲機(jī)（德國HAUNI公司）；天然氣流量計(jì)（精度0.01 m3，德國ESTER公司）；TM710型水分儀（精度0.1%，美國NDC公司）。

方法：HDT-FX3000 型烘絲機(jī)生產(chǎn)能力為3 000 kg/h，采用批次化生產(chǎn)模式，每批次處理煙絲總量4 750 kg，入口煙絲含水率（18.8±1.0）%，每月烘絲約80 批次/臺（每天烘絲4 批次，每月20 個工作日）。采用原清潔方式（長桿刷等簡易工具配合壓縮空氣）和清潔裝置分別對2 個月未清潔的烘絲機(jī)換熱管進(jìn)行清潔，并在清潔后運(yùn)行2 個月和4 個月時分別進(jìn)行第2 次和第3 次清潔，記錄兩種清潔方式下烘絲機(jī)3 次清潔用時，取平均值；每次清潔后，采集前兩批次烘絲過程中燃燒爐功率和天然氣消耗量，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 和表2 可知，采用清潔裝置后，HDT 烘絲機(jī)燃燒爐換熱管的平均清潔用時由172 min/次減少至63 min/次（降幅63.1%）；烘絲過程中天然氣平均消耗量由86.49 m3/批次下降至82.19 m3/批次（降幅5.0%），燃燒爐平均功率由87.0%下降至71.1%（降幅15.9%）。表明清潔裝置的應(yīng)用提高了換熱管清潔效率并改善了清潔效果，通過提高傳熱效率有效降低了能源消耗量。

表1 清潔裝置應(yīng)用前后HDT烘絲機(jī)換熱管清潔用時對比①Tab.1 Time for cleaning heat exchanger tubes of HDT tobacco dryer before and after application of the cleaning device

表2 清潔裝置應(yīng)用前后HDT 烘絲機(jī)能耗數(shù)據(jù)對比Tab.2 Energy consumption data of HDT tobacco dryer before and after application of the cleaning device

4 結(jié)論

針對HDT 烘絲機(jī)設(shè)計(jì)了一種燃燒爐換熱管清潔裝置，將換熱管拆分為管道和麻花狀導(dǎo)風(fēng)條后分別利用管道內(nèi)壁清潔單元和導(dǎo)風(fēng)條清潔單元進(jìn)行清潔，清潔后形成的粉塵由工業(yè)吸塵器收集以避免造成揚(yáng)塵污染。以柳州卷煙廠使用的HDT-FX3000烘絲機(jī)為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：清潔裝置應(yīng)用后，每臺烘絲機(jī)換熱管平均清潔用時降低63.1%，烘絲時天然氣消耗量和燃燒爐平均功率分別降低5.0%和15.9%。該裝置可在采用同類型燃燒爐換熱管的設(shè)備中推廣應(yīng)用。