纸机干燥部余热回收技术与设备

2012-11-21张秀文

中国造纸 2012年5期

关键词：纸机热器管式

张秀文

(中国轻工国际工程设计院，北京，100026)

纸机干燥部余热回收技术与设备

张秀文

(中国轻工国际工程设计院，北京，100026)

介绍一些国际、国内余热回收技术和设备，供同行分析、研究和借鉴。

干燥部;余热回收;纸机

1 干燥部余热回收系统的构成及分级

纸机干燥部排出的热湿废气，由于其中水蒸气含量大、温度高，所以具有很高的热焓，干燥部排风大约带走了90%的干燥耗汽量的热量。目前，热回收一般采用捕热器加热空气，用洗涤器加热温水。

在冬季低温时，捕热器和洗涤器最多能回收废气含热量中的50%～60%。据国外纸厂资料介绍，对一台日产320 t的高速纸机来说，可回收的热量最高达54．4 GJ/h，其中用于加热室外空气的为29．3 GJ/h，用于预热干燥部送风的为4．19 GJ/h，用于加热工艺用热水的为20．9 GJ/h。利用纸机排气加热车间送风和工艺用水，极大地降低了车间汽耗，收效甚大。上述三级热回收十分理想，设备如何配置对取得预期效果十分关键。

配备有捕热器和洗涤器或只配备捕热器的通风装置称为热回收机组。利用热回收机组回收纸机干燥部排气余热、预热干燥部送风、加热车间送风以及工艺用热水，是国际、国内流行的做法，很有发展前途。

热回收机组可做成单级、两级、三级 (有时为多级)串联热回收。回收级数视排风参数和生产对热水的需要量而定。

对于密闭纸机，因其排风温度高、含热量大，一般都采用三级热回收设备:第一级用捕热器加热干燥部送风，第二级用捕热器加热室外空气供车间送风，第三级用洗涤器加热水。

鉴于三级热回收中加热干燥部送风所利用的废气热量较少，所以可依据情况设两级热回收机组。其第一级用来预热车间送风，第二级用来加热工艺生产用水。在这种情况下，干燥部送风所需新蒸汽用来加热的负荷将大为减少。

三级热回收机组热回收的原理图见图1。从图1可知，密闭罩1内的湿热空气经由排风短接管2进入总排风道3，然后依次通过第一级捕热器4(加热干燥部送风)、第二级捕热器5(加热室外空气)和第三级洗涤器6(加热水)，最后被立轴排风机7排到外面。洗涤器上面设有挡水板22，用于分离尾气中携带的水滴。

干燥部送风吸自车间上部，经捕热器4将其由26～30℃的空气加热至43～45℃，然后再通过蒸汽加热器8进一步加热到所需的温度 (80～90℃)，最后由送风机9送入纸机干燥部。

图1 三级热回收机组热回收原理图

室外空气通过捕热器5后升温20～30℃左右，再流经蒸汽加热器10，最后由送风机11送入车间工作区或车间上部。空气加热器10仅在冬季室外气温最低、捕热器加热能力不足时方启用。夏季当室外空气无需加热或稍许加热时，可分别利用多叶调节阀12、13，使全部或部分室外空气不通过捕热器。

干燥部排风量用多叶调节阀14初调，在使用过程中则用多叶调节阀15加以调节。干燥送风量利用多叶调节阀16调节。

水压为1．5～2．0表压力的清水经喷嘴17对洗涤器内的废气进行逆流喷淋。喷后的水顺着捕热器4、5的管束流入水槽18，然后通过管道经由滤水器19自流进热水箱20，由滤水器除去纸毛的水用热水泵21从水箱抽出送往生产用。水在热回收机组内与捕热器和洗涤器中的废气接触，被加热至40～50℃。同时，水流经捕热器也起到预防其管束被废气中的纸毛污染的作用。

芬兰、瑞典许多纸机的热回收设备就采用上述气、水加热方式。俄罗斯地处严寒地区，对余热回收技术十分重视，早期也是采用平板式捕热器，后来又开发TPA-3热回收机组和压型板式捕热器。图2为早期俄罗斯TPA-3热回收机组原理图。

图2 俄罗斯TPA-3热回收机组原理图

俄罗斯TPA-3热回收机组也是三级热回收系统。第一级为气-气热交换配管式捕热器，吸自车间的空气经预热后进入空气加热器补充加热后经风机送入干燥部，这级设有喷淋洗涤以清洗纸毛和水的加热。第二级配置管式捕热器，预热车间送风为吸自室外的新风，温升达20～30℃左右送入顶棚防止滴水。设补充空气加热器，保证需要的送风温度。第三级配置捕热洗涤器，喷淋水通过填料气-水换热初步预热进入中间水箱，此温水再送入一级管式捕热器洗后进入热水箱，温度可达40℃左右，供生产使用。

该机组第一级、第二级气-气换热也采用管式捕热器，因设有喷洗，从而解决了纸毛挂壁对传热的影响。

利用洗涤式捕热器和第一级管式捕热器洗涤加热工艺用水较为合理。

图3为芬兰早期开发的立式热回收机组全貌图。从图3可以看出，第一级、第二级配置的是管式捕热器，第三级配置的是捕热洗涤器。三位一体占地少，但检修和调节不便限制了它的推广应用。我国青州纸厂早期曾引进过这种立式热回收机组，但使用效果一直不理想。

图4为卧式三级热回收机组布置图。从图4可知，这种布置占地面积较大，其优点是易于维修，也可依需要两级运行，调节上更为灵活和方便。但由于配置的捕热器为两段串联，故纸毛挂壁难以清洗。

图5所示为安装在室外的单级热回收机组。从图5可知，热湿空气由烘缸罩进入总排风道1，然后经过捕热器3被立轴排风机2排至室外。夏季时，室外空气无需加热，所以大部分空气借助旁通路风阀4越过捕热器经风道排到室外。室外空气通过捕热器3、空气加热器6由离心送风机5送入车间。

图5 单机片式捕热器热回收设备

室外空气经捕热器后温升30～40℃，当冬季室外气温很低时再用蒸汽加热器补充加热，必要时可利用新风调节阀7使部分新风或全部新风越过捕热器进入车间。借助加热器旁通阀8可使部分新风绕过加热器。纸机排风量利用排风调节阀9加以调节。为防止纸毛粘挂热气通道影响传热效果，建议用喷嘴喷循环水，定期清洗热气通道。如果不能用水来清洗热气通道，也可采用压缩空气吹洗，借助于风机排走。采用刮刀等清洗工具也是可行的。至少每1～1．5个月进行1次这样的清理。

在纸机运行期间，送入纸机干燥部的空气必须连续地进行加热，用以加热这部分空气的蒸汽加热器要使用生产用汽作为热媒。加热车间送风可用蒸汽，也可用热网热水。

部分纸机配置半敞开罩，干燥部排风温度不高，这种单级热回收机组用得较多。

2 热回收机组的布置

热回收机组布置方式多种多样，究竟采用哪一种，要根据风机类型 (轴流式或离心式)、水加热方式、热回收的级数以及厂房结构而定。北方寒冷地区的造纸厂多布置在室内易于维修，南方的造纸厂多布置在室外节省土建投资。

图6所示的热回收机组布置特点是利用其所在的房间作为送风道。在此，室外空气穿过房间，流经捕热器加热表面，进而与风道不严密处漏入房间内的热湿空气混合。结果使这部分空气受到加热和加湿，致使夏季热回收本身送出的是热湿空气，这是不符合送风要求的。

根据在现有纸厂的实测资料，上述的做法使送风温度提高1～3℃，这种布置并不可取。

3 热回收机组送风能力的确定

选择热回收机组送风能力时，可遵循下列原则:由于纸机烘缸罩内要求形成负压，送风量应取为排风量的65%～75%;如果干燥送风使用真空压缩机的排气，应适当降低干燥送风量。

图6 利用房间作为送风道的热回收机组

热回收机组的送风能力应尽可能大些，这样既可减少辅助送风系统的能力，或者有可能完全不用辅助送风。之所以要求这样做，是因为现代造纸车间所需的车间通风送风量 (热风)一般都超过热回收机组的送风量。

对冬季室外计算温度低于-20℃的地区，热回收机组的送风能力通常比排风能力大15%～20%或更高些，视地区情况而定，热必须平衡。

热回收机组加热的水量主要取决于生产上的需要量。由于纸机对新鲜热水需要量减少了，因此最近制造的纸机热水回收能力都大幅度降低。例如，近年来国外一些为纸机配套的热回收设备，其废气的喷淋系数 (每千克废气所需的喷水量)为0．3～0．5 kg/kg。而从前采用的要比这高1～2倍。采用小喷淋系数可使水的加热温度更高些。据国外资料介绍水温可达45～50℃。

鉴于制浆造纸厂多数车间都有多余的热水，热回收机组回收的清热水量超过纸机及其辅助设备的需要量是不适宜的。

三级热回收机组的研究结果表明，进入洗涤器和排风机的废气参数一年四季波动很大。

夏季和过渡季节不需要利用捕热器加热车间送风(或只需要少量热加热车间上部送风)。此时进入洗涤器的废气温度最高 (约55～65℃)，相对湿度最低(约45% ～55%)。进入排风机的废气温度不到45℃，相对湿度接近100%。冬季进入洗涤器和排风机的废气温度最低 (平均分别为43～47℃和35～40℃)，相对湿度接近100%。

由上述参数可知，在输送的干空气质量相同的情况下，夏季或洗涤器停止供加热水时，排风机排风能力将增加5%～10%。

4 瑞典某厂纸机干燥部三级余热回收装置实例

图7所示是瑞典某厂日产1000 t挂面纸板的纸机干燥部三级热回收装置的实例。

图7 瑞典某厂日产1000 t挂面纸板的纸机热回收装置及车间送风示意图

第Ⅰ级用来预热纸机干燥部袋区送风，捕热器为气-气热交换，预热吸自车间的空气再经蒸汽加热器补充加热至90℃送入袋区，此风量相当纸机排风量的75%。

第Ⅱ级用来加热车间送风，为气-水壳管式热交换加热循环水，供热水给新风机组，组内的加热器可将室外空气加热至18℃左右，送往天棚的空气还要补充加热热源采用蒸汽或高温热水。

第Ⅲ级用来加热工艺热水，5℃的新鲜水加热至25～30℃，此级采用洗涤式气-水捕热器。热水或经过滤补充再加热供工艺用。

按图7给出的参数，该热回收系统第Ⅰ级热回收率为25．7%，第Ⅱ级热回收率为22．7%，第Ⅲ级热回收率为12．6%，冬季总热回收率高达61%。

图8 平板式捕热器单体详图

5 捕热器的种类及结构

常用的干燥排风热回收设备的捕热器有平板式、管式和洗涤式3种。前两种为干式气-气热交换，后一种为湿式气-水热交换。

加热热水的捕热式洗涤器热效高，但多数造纸厂的车间都有多余热水，它的能力往往受到制约。

5.1 平板式捕热器的结构

图9 平板式捕热器槽形铝条连接示意图

平板式捕热器由多个捕热器单体组合而成，其单体结构如图8所示，规格尺寸详见表1所列。由图8可见，纸机干燥部排出的热湿空气走垂直通道，冷的新鲜空气走水平通道，通道的宽度一般是16～20 mm。通道由0．7～0．8 mm铝板制作，各片铝板之间用拉紧螺栓连接组装。为使板与板之间的间距固定不变，相互之间不透气，在长螺栓上串上管头 (长度等于缝宽)，然后从外面用螺栓固紧。新的平板式捕热器利用顺气流方向安装特制小型槽形铝条来保证铝板间间隙。槽形铝条每隔150～200 mm间距安装1个。

平板式捕热器外壳做法与管式捕热器相同，也用厚 1．5～2．0 mm 铝板制作，从前铝板间设硬木条，使之形成交错而不相通的垂直与水平通道。新的平板式捕热器则用槽形铝条取代硬木条，详见图9所示。

由工厂制造模板后下料现场装配，质量有保证。可按需要配置室内安装型和室外安装型两种，非常方便。对于室外安装型，吸风室、加热室、联箱等壳体保温可统一解决，外观十分漂亮。其技术性能见表2，构造见图10所示。

我国造纸厂配置热回收设备多为平板式气-气热交换，早期工程均由设计院供图、安装公司现场制作，质量不稳定。进入20世纪80年代后，设计院和厂家合作推出表2所列的两种型号，该产品为两级串联型。

这种国产RHS型平板热回收机组曾在石岘造纸厂、上海宏文造纸厂等纸厂应用，但纸毛清理问题未获得解决。