热管换热器用于木纤维干燥余热回收的可行性分析

伊松林，张璧光

(北京林业大学 木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083)

0 引言

能源是世界范围内具有战略意义的资源，我国的能源供需矛盾突出，而且在不少工业企业中的能源利用率较低。以木材加工企业中的纤维板生产为例，热能消耗约占生产总能耗的64%[1，2]，能耗在生产成本中占的比例为30% ～40%[2]，不仅远远高于世界发达国家，而且也高于全国的平均水平。就中密度纤维板 (MDF)产品的单位综合能耗而言，世界同行业发达国家为156 kg标准煤/m3[3]。而按 2008年全国纤维板产量 2 906.6万m3计，全国纤维板生产综合能耗高达930万t标准煤，单位综合能耗约为320 kg标准煤/m3。因此我国人造板加工企业的节能潜力很大。在纤维板生产中，除风送和除尘系统外，热磨、干燥工序等是另外一个耗能重点，需要加大相关技术的研发[3]。

目前纤维板生产能耗高的主要原因有以下几个方面:⑴纤维板干燥温度在 160～220℃[4]，排气温度高达90～100℃[5]，排气热损失大;⑵用气设备排出的高温冷凝水没有很好的回收利用;⑶供气管路系统配置不合理和保温不良所造成的热损失大。由于篇幅所限，本文着重探讨利用热管换热器回收纤维干燥排气余热的可行性。

1 纤维干燥余热回收系统的原理与设备组成

1.1 原始资料

目前，在中/高密度纤维板生产线中应用最广泛的为管道气流干燥。这种干燥方式因干燥时间很短，纤维的干燥时间一般仅为3～5 s，所以又称为“闪击式”管道干燥。这种管道干燥系统主要由空气预热器 (加热器)、干燥管道、风机、旋风分离器、监测装置和防火安全装置组成。干燥管道直径为1.0～2.6 m(管道直径根据产量不同而不同)，管道长度为120 m左右[6]。

以北京某厂年产10万m3的中密度纤维板(MDF)生产车间为例，从纤维干燥机排出的废气约90℃，初步确定拟回收的废气流量为20 000 m3/h。原工艺是将平均温度为20℃左右的新鲜空气送至纤维加热器系统。

1.2 纤维干燥余热回收系统的组成

热管换热器是一种高效换热设备，在我国的应用已比较广泛，但在纤维干燥中的应用尚未见报道[7，8]。本项研究采用高效热管换热器来回收纤维干燥的排气余热，余热回收系统如图1所示。在余热回收风机9的带动下，由位于干燥分离器4顶部废气出口6处排出的部分高温废气，经余热回收风管7送至热管换热器8回收排气余热，热管换热器入口处废气温度为90℃，相对湿度为50%，排出的废气温度为70℃，相对湿度为90%，外界温度为20℃、相对湿度为60%的新鲜空气经热管换热器加热端又回到纤维干燥设备，完成一个循环。

图1 纤维干燥排气余热回收系统图Fig.1 The waste heat recovery system of wood fiber drying

2 余热回收系统分析计算

2.1 热管换热器回收热量

热管换热器回收的热量应等于废气经热管放出的热量，按式 (1) 计算[9]:

式中:Q1为热管换热器从废气中回收的热量;V1为废气容积流量，V1=20 000 m3/h;ρ为废气流的平均密度，ρ=1.0 kg/m3;H1，H2为分别为废气流经热管换热器前后的热焓。已知废气进入热管换热器前的温度为90℃，相对湿度为50%，查湿空气热力参数，H1=986.79 kJ/kg;取废气流出热管换热器前的温度为70℃，相对湿度为90%，查湿空气热力参数，H2=708.40 kJ/kg。

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

2.2 采用热管换热器以后减少的排气热损失

2.2.1 原工艺排气热损失

原工艺是将90℃的废气经过干燥分离器后排入大气。设大气环境温度为20℃，相对湿度为60%，查湿空气热力参数，其相应的热焓为42.53 kJ/kg，废气流的平均密度仍取ρ=1.0 kg/m3，则原工艺的排气损失Q2为

2.2.2 采用热管换热器的排气热损失

由于本设计采用的热管换热器设定的参数为温度为70℃，相对湿度为90%，其相应的热焓为708.40 kJ/kg。则采用的热管换热器后的排气损失Q3为

2.2.3 采用热管换热器以后减少的排气热损失

采用热管换热器以后减少的排气热损失 ΔQ为ΔQ=Q2－Q3=5 246.50－3 699.28 =1 547.22 kW，即热损失减少了29.49%。

2.2.4 考虑热管效率的实际节能率

根据有关资料[10]热管换热器中热的废气加热进入系统的新鲜空气 (20℃，湿度60%，)的换热效率在27%～38%，这里取热管换热器热效率为35%。则，实际减少的热损失为1 547.22×0.35=541.53 kW;实际节能率为29.49×0.35=10.32%。

3 经济分析

3.1 排气余热回收设备总投资

目前热管换热器价格为每kW换热量1 000～1 100元，取1 100元/kW，则热管换热器的投资S1=1 546.61×1 100÷10 000=170万元 。

热管换热器与纤维干燥排气设备连接的管路系统、保温材料、风机及安装费用等其它费用S2取热管换热器投资的20%，则S2=170×0.2=34万元

排气余热回收设备总投资S=S1+S2=170+34=241.27万元，取为204万元。

3.2 每年节能的纯经济效益

年纯经济效益可按 (2)式计算:

式中:M为年纯经济效益;J为年节能费;Z为设备折旧费;Y为年维修费;D为风机能耗费。

(1)年节能费J。设锅炉与管网的总热效率为70%，原设备纤维干燥以蒸汽为热源，供应26×105Pa的饱和蒸汽，排气干度在0.2左右，查此压力下每t蒸汽放出的热焓，可算出每t蒸汽放出的热量为406 kW。根据相关文献[10]可算出每t蒸汽所耗标准煤为120 kg/h，采用热管换热器后，每天减少的煤耗:541.53÷406×120×24÷1 000=3.84 t标准煤，设纤维干燥设备每年工作300天，则每年可节约标准煤1 152 t。按目前的煤价，取标准煤价为800元/t，则每年可节省煤耗费约92.2万元。

(2)设备折旧费Z。取设备使用期为15年，则每年的设备折旧费为13.6万元。

(3)年维修费Y。由于此节能设备的运动部件少，取维修费为总投资的1.5%，为3万元。

(4)风机能耗费D。经过估算余热回收风机配套电机功率11 kW，电价取1元/kW·h，每天24 h，每年工作300天的能耗费为7.9万元。

则每年的纯经济效益 J=92.2－13.6－3－7.9=67.7万元。

3.3 投资回收期

投资回收期=204/67.7≈3年。节能设备投资回收期约3年，说明此方案是基本可行的。

4 结论

(1)用热管换热器回收纤维干燥机排出废气的余热，其节能方案在技术和经济上都是可行的，它可使纤维干燥实际节能率达10.32%，且设备投资回收期约3年，故预计此节能方案有较好的工业应用前景。

(2)纤维干燥用热管换热器回收排气余热，不仅能产生可观的经济效益，而且减少了对大气的粉尘污染、甲醛污染和热污染，因而有明显的社会效益。

(3)此方案仅仅从理论上论证它的可行性，建议进一步通过小试和中试，验证用热管换热器回收纤维干燥排气余热的可行性，以便为热管换热器用于纤维干燥的工业生产奠定基础

(4)如果进一步通过试验和生产证实了它的可行性，此方案不仅可以用于木材纤维干燥的排气余热回收，也可以应用于其它类似的余热回收。

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