于國慶，宋? 超，張龍龍 (青島德固特節能裝備股份有限公司，青島 膠州 266300)
摘? 要：炭黑干燥是炭黑生產中必不可少的一環。本文主要介紹間接換熱式干燥機，首先對間接換熱式干燥機的結 構進行數值模擬分析，分析干燥機轉筒內抄板和外銷釘對換熱的影響。其次分析間接干燥機的優點：降低干燥機筒體內 部和排氣袋濾器的腐蝕;保證干燥后的炭黑清潔度，提高了成品炭黑的品質;降低脫硫脫硝的成本。最后提出兩種間接干 燥機的節能模型，彌補間接干燥機尾氣燃燒量大，排煙溫度高的缺點。
關鍵詞：炭黑;間接干燥機;結構分析;節能模型
1? 前? 言
轉筒干燥機是一類廣泛應用于冶金、建材、化 工等領域的大型回轉干燥設備。其優點是，生產 能力大，可連續操作;結構簡單，操作方便;故障 少，維修費用低;適用范圍廣，流體阻力小;操作 彈性大，干燥物料可以有較大的波動范圍，不會影 響產品質量;清掃容易。其缺點是，設備龐大;安 裝、拆卸困難;熱損失較大，熱效率低[1]。
目前轉筒干燥機按照物料和載熱體的接觸方 式主要分為三種，即直接換熱式干燥機、間接換熱 式干燥機和混合式干燥機[2]。國內炭黑行業大多數 采用混合換熱式干燥機，原理是尾氣燃燒爐產生 的高溫燃余氣先進入干燥機火箱，然后通過滾筒 上的煙氣采集口進入干燥機滾筒內部直接與濕炭 黑接觸，對炭黑進行直接接觸干燥。混合干燥機 的介質流動方式如圖1所示。這種干燥方式，能夠 減少炭黑尾氣的消耗。但由于炭黑生產工藝與炭 黑特性的原因，采用混合換熱式干燥機會增加干 燥機筒體和抄板的腐蝕;干燥后的燃余氣中水分 高達50%以上，并且溫度較低，在廢氣袋濾器出口 的 SCR 脫硝效率低;同時由于燃余氣直接與炭黑 接觸，其中會有雜質污染炭黑，造成炭黑清潔度降 低。因此，國外許多炭黑廠采用間接換熱式干燥 機，其原理是尾氣燃燒爐產生的高溫燃余氣直接 對干燥機滾筒進行烘烤，只進行外部干燥，實現對 濕法造粒炭黑干燥的過程。燃余氣體不進入干燥 機滾筒內部，直接從火箱上部排出。間接換熱式 干燥機介質流動方式如圖 2 所示。
2? 結構分析
間接干燥機系統如圖3所示，間接干燥機主要 由轉筒和火箱兩部分組成。火箱為煙氣提供通道 并起到保溫作用;煙氣通過轉筒傳遞熱量給物料 進行干燥。其中最主要的部分為內部轉筒，轉筒 的結構直接影響換熱的效率。為了提高換熱效率， 通常在轉筒上增加抄板和銷釘等結構。抄板固定 在轉筒內部，在轉筒轉動時可以將物料揚起，使得 換熱更加均勻;銷釘布置于轉筒外部，增加高溫煙 氣與轉筒的接觸面積，如圖4所示。因此本節主要 研究轉筒的結構對換熱的影響。
為了研究轉筒結構對換熱效果的影響，主要 利用數值模擬進行定性分析，對結構進行分析。由 于間接干燥機的設備比較復雜，整機尺寸與零部 件(銷釘、抄板等)差異大，很難進行整機模擬， 因此進行分塊研究，主要對抄板和銷釘分別進行 模擬。
2.1? 抄板結構和性能研究
物料在滾筒內部的運動主要分為兩個方面， 其一是沿著轉筒軸向的物料輸運過程，其二是物 料在轉筒徑向截面上的轉動過程。物料在轉筒徑 向截面上的轉動過程主要由抄板進行推動，抄板 均勻布置在轉筒內壁。布置于間接干燥器轉筒內 壁上的抄板在換熱方面主要有兩個作用，第一，將 物料揚起，使得換熱更加均勻;第二，抄板做為換 熱結構增加了物料與筒壁的接觸面積。在物料運 動方面，抄板能夠防止顆粒固結，推動顆粒的運 動。根據抄板的上述功能，可以將抄板簡化成為 帶有內熱源的炭黑顆粒干燥問題。
間接干燥機選用的抄板為直板型和兩段型抄 板。主要對抄板的運行狀態和傳熱狀態進行分析。 采用離散元單元計算軟件EDEM進行計算，通過網 絡上來源的API，可以添加炭黑顆粒與壁面的換熱 條件，可以同時進行炭黑粒子運動軌跡的計算和 溫度變化的計算。計算過程中采用的計算參數如 表 1 所示。
對于兩段型抄板，如圖 5 所示其板寬度為 100mm，兩段板長分別為 100 mm，200mm，其夾 角為 120°，沿圓周切向共布置 18 個抄板。對于直 板型抄板，如圖6所示，采用一段式直板，長度為 100mm，在同一圓周上共布置 48 個。
炭黑顆粒從轉筒的中心進入，垂直下落。隨 著轉筒的轉動，顆粒被抄板帶動，并且帶到高處灑 落，其運動過程如圖7和圖8所示。從圖中可以發 現，隨著滾筒的滾動，抄板帶動炭黑顆粒進行轉 動，同時到一定的角度依次灑出，形成一種類似于 瀑布的顆粒流。在滾筒的勻速運動過程中，顆粒 與抄板之間的運動過程是一個穩態過程。同時， 由于添加了筒壁與顆粒之間的換熱，可以發現隨 著時間的發展，顆粒是不斷升溫的。
通過兩種不同抄板中炭黑顆粒運動形態圖可 以得出：抄板將炭黑顆粒帶動到高處進行散落，灑 落從一定角度開始，到截止角結束，各塊抄板之間 的工作狀態相對獨立，但是兩段型抄板灑落角和 截止角都要大于直板型抄板;在運動過程中炭黑 顆粒溫度不斷升高，與筒壁之間發生換熱。
對比兩種不同形態的抄板布置方式，定義顆 粒的平均溫度，可以得到平均溫度隨時間變化曲 線圖如圖 9 和圖 10 所示。
從圖中可以發現，兩段式抄板的溫升要快于 直板式抄板的溫升，其中在相同的時間下，兩段式 溫升在10度左右，而直板式溫升在4度左右。這是 由于兩段型抄板中截止角大，炭黑跟隨滾筒運動 相對時間較長，因此，兩段型抄板具有更好的換熱性能。但是為了減少炭黑干燥后期炭黑顆粒的破 碎，需要在干燥后期增加直板式抄板來減小顆粒 的灑落角和截止角。
2.2? 銷釘的布置和流場分析
間接干燥機中，銷釘分布在轉筒的外部，主要 作用是增加換熱面積和增加煙氣湍流強度，增強 換熱。我們利用場協同理論來分析外銷釘對換熱 的影響。場協同認為溫度場和速度場的協調可以 增強換熱量。
公式(1)為能量守恒方程，等號左側第一項 為隨體導數項，第二項為對流項，等號右邊第一項 為導熱項，第二項為內熱源項。通過對于方程的 分析可以知道，內熱源項會使溫度分布呈現出拋 物線狀，而內熱源的增大有利于增強導熱。而過 增元老師高屋建瓴的指出，對流項在某種程度上 可以看作一種內熱源，而其值的大小取決于速度 場和溫度梯度場的夾角。當速度場的方向和溫度 梯度場的方向一致時，換熱不僅通過熱傳導進行， 而且可以通過流體的流動進行。通過分析可知， 流體的流動(對流換熱)是一種更加有效的換熱方 式。我們定義一個因子來表示速度場與溫度梯度 場的協同程度，因子 φ。其中 φ 的表達式如公式 2所示。場協同因子實際上代表著單位體積里速度 場與溫度梯度場的協同程度。所以渦旋的形成有 利于熱量的傳遞。
通過fluent軟件對轉筒帶銷釘進行流場分析。 為了減少計算量，建立模型中減少了銷釘的排數 和每一圈銷釘的個數。在計算中只計算兩排銷釘 (每排 18 個)對于轉筒的流場中的影響。設置轉 筒轉動角速度為1rad/s，其在銷釘截面處溫度分布 如圖 11 所示，速度分布如圖 12 所示。
由圖 11 可以看出，溫度場在銷釘處呈現隨銷 釘轉動的形態，在銷釘周圍形成較大的擾動區，根 據場協同理論，轉動使得流場復雜度增加，其換熱圖11.12能力也在增加;通過對于銷釘附近的速度場進行 分析，如圖12所示，可以明顯的發現，由于轉筒的 轉動銷釘使得火箱間隙中的氣體形成了渦旋。在 銷釘前進路線上，由于銷釘的擠壓導致前方氣體 壓力增加，后方氣體的壓力減小，而上層空氣的壓 力基本保持不變，所以形成了上下的對流。渦旋 增加了轉筒的換熱能力。
最后模擬轉筒是否帶銷釘和角速度的不同對 換熱量的影響，結果如圖13所示。由圖13中可以 發現， “△”標志的不帶銷釘的圓筒，其系統的 換熱量與轉動角速度呈線性關系，并且直線通過 靜止點;而“*”標志的帶銷釘的圓筒來說，其系 統換熱量隨角速度的變化的線性直線不經過靜止點，這意味著對于有銷釘的圓筒來說，是否轉動對 于系統換熱量有著本質的差異。轉動會使得換熱 量有極大的提升。而轉動之后的規律都是相似的， 其換熱量總是與系統的角速度成線性關系。因此 可以得出增加銷釘結構，能夠提高干燥機的換熱 能力。
3? 間接干燥機的優點
3.1? 間接干燥機出口煙氣處理費用低
國家對煙氣排放有嚴格要求，炭黑行業也不 例外。干燥機出口的煙氣必須進行脫硫脫硝處理 才能外排。常規混合式式干燥機，燃余氣(煙氣) 和炭黑析出氣混合，然后通過排氣袋慮器過濾后， 進入脫硫脫硝系統。混合氣中含水量高達 50% 以 上且溫度較低約為200℃。這樣造成SCR脫硝效率 低，由于混合氣量大，在脫硫過程中，相應的噴水 量又會增加。
間接換熱式干燥機，煙氣與炭黑析出氣并未 混合，因此出口煙氣含水量僅為27%左右，煙氣溫 度約為400~500℃左右。煙氣溫度在SCR脫硝工藝 最佳溫度區間，脫硝效率高。由于煙氣量相對較 小，相應的脫硫噴水量相應減少。因此，采用間接 換熱式干燥機后，相應的脫硫脫硝運行成本低。
濕炭黑中的水未進入到煙氣中，煙氣總氣量 少，脫硫設備、引風機等設備的規格尺寸可以相應 減小，設備運行所耗電量、原料量都減少，總運行 費用大大降低。
3.2? 間接干燥機內部腐蝕小，干燥后炭黑清潔 度高
間接干燥機煙氣不進入轉筒內部，轉筒內部 主要以水蒸氣為主，酸性氣體含量較少，因此轉筒 內部的腐蝕大大降低，干燥機使用壽命增加。同 時，煙氣未與濕炭黑析出的水蒸氣混合，煙氣酸露 點提高，降低對火箱和轉筒外部殼體銷釘的酸腐 蝕。間接換熱也可以有效地避免炭黑對煙氣中硫 的吸附，保證炭黑的清潔度，使炭黑的物理性能更 加優良。
3.3? 排氣袋濾器箱體和濾袋壽命長
濕炭黑中析出氣大部分是水蒸氣，含有少量 酸性氣體，對排氣袋濾器腐蝕較小，排氣袋濾器箱 體和濾袋的使用壽命提高。濕炭黑析出氣不與煙 氣混合，因此進入排氣袋濾器中的總氣量少，所用 濾袋面積也相應減少，降低了設備初期投資。
4? 間接換熱式干燥機的節能模型
間接換熱式干燥機排煙溫度較高，直接排放 浪費能源。干燥機出口未加任何熱量回收設備時， 間接換熱式干燥機相比于混合換熱式干燥機換熱 效率低，尾氣燃燒量相比于混合干燥機多消耗 30%。因此本文提出兩種間接換熱式干燥機的節能 模型，如圖 14 和圖 15 所示，回收煙氣熱量，減少 能量浪費。
節能模型1：設計尾氣量為10000Nm3 /h，干燥 機日處理量為110t，干燥機出口煙氣經過SCR脫硝 后進入余熱鍋爐，余熱鍋爐收集煙氣熱量，使得煙 氣溫度由 500℃降低為 220℃，產生飽和蒸汽。
節能模型 2：炭黑處理量與模型 1 相同，但是 利用尾氣預熱器和空氣預熱器回收煙氣熱量，將 尾氣和燃燒空氣進行預熱，減少尾氣消耗量;增加 煙氣再循環降低 NOx 的產生。具體參數見圖 15。
兩種節能模型，彌補排煙氣溫度高的缺點，回 收熱量，節能減排。
5? 總? 結
本文對間接換熱式干燥機進行結構分析，數 值模擬。對于干燥機轉筒內部兩種抄板，兩段型 抄板換熱能力強，直板型抄板能夠減少干燥后期 炭黑顆粒的破碎。轉筒外增加銷釘能夠增強流場 的擾動并且提高換熱能力。間接換熱式干燥機具有煙氣處理費用低、干燥機轉筒內部腐蝕小、炭黑 清潔度高和排氣袋濾器箱體和濾袋壽命長的優 點。同時為了彌補間接干燥機的尾氣燃燒量大， 排煙溫度高的缺點，本文提出了增加余熱鍋爐或 空氣預熱器和尾氣預熱器的回收煙氣熱量的節能 方案。
綜上所述，間接換熱式干燥機具有很強的市 場競爭力與良好的應用前景。
參考文獻
[1] 黃志剛, 毛志懷. 轉筒干燥器的現狀及發展趨勢[J]. 食 品科學, 2003(08):168-170.
[2] 賀華波, 李紅林, 劉軍, et al. 新型間接式干燥機的開發 研究[J]. 機械, 2004, 31(1):44-46
