玻纖烘干爐排濕風余熱利用應用研究

劉 寧，劉 雷，張 斌，袁衛平

（泰山玻璃纖維淄博有限公司，淄博 255000）

0 前言

玻璃纖維原絲烘干是無捻粗紗生產中的一個重要環節，目前玻璃纖維生產所使用的烘干設備大多以隧道式烘干爐為主，而隧道式烘干爐按熱源分，又有余熱型、蒸汽型、微波烘干或上述3種任選其二組合型［1］。其中應用最為廣泛的是連續式隧道烘干爐。

本文重點介紹玻璃纖維隧道式連續烘干爐。玻璃纖維隧道式烘干爐作業形式為連續烘干，采用天然氣或窯爐換熱器余熱等方式加熱，熱風循環使用，溫度自動連鎖控制，鏈式推動等技術，具有熱風溫度均勻、自動化程度高、溫度控制精度高、能耗相對低、質量好、產量高、運行可靠、便于操作和維修等特點［2］。

1 隧道式烘干爐工作原理及技術特點

1.1 工作原理

隧道式烘干爐主要由熱源（余熱風或熱風發生爐）、熱風循環系統、排濕風系統、干燥室（爐體）、溫度自動連鎖控制系統和原絲輸送裝置（軌道式）等6部分組成。原絲烘干過程是加熱→氣化→遷移→氣化的過程，烘干爐通過熱空氣循環流動加熱原絲，使其溫度升高，水分汽化散失，最終原絲達到產品的含水率指標要求，而玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑中的有機物則經過一定程度反應變化，形成一層完整致密的樹脂附著于玻璃纖維表面［3］。其中烘干爐作為干燥設備，具備順暢的空氣流通設計、靈敏的儀表控制和穩定的運行狀態，是保證烘干原絲質量的基礎條件。送風孔板使用不同尺寸和密度網孔板，回風側上部開口減小、底部開口擴大，保證爐體上下風速基本一致［4］。爐體干燥腔內增設導流設計能使熱風循環更為暢通，內部熱量場強分布均勻，空間內各溫度點基本相同，能保證紗車頂部和底層絲餅均勻受熱，烘干效果一致。

循環熱風的溫度、濕度和流態是三個非常重要的工藝參數。普通熱風烘干是由外及內的烘干，溫度從表面逐漸傳遞至原絲內部，水分蒸發也是從外到內［5］。熱風的溫度越高，與絲餅表面溫差越大，原絲水分蒸發越快，烘干時間縮短。熱風濕度對烘干影響最為明顯，濕度越大，絲餅水分蒸發速度越慢，烘干速度也越慢。假設熱風濕度達到100%，水分蒸發速率為零，無論溫度多高，也沒有烘干能力。因此在烘干過程中要盡可能降低爐體內的空氣濕度［6］。流態包括風量、風速和相對流向三要素，循環熱風流態與干燥速率成正比。加大風量和提高風速可以大大加快干燥速率。

1.2 技術特點

我司烘干爐采用雙向軌道設計，共分為10個控制區域，可以同時容納48輛紗車。熱風熱源主要由窯爐金屬換熱器換熱后的余熱風提供，設計供給風量25 000 m3/h，不足部分由2臺風量16 500 m3/h熱風發生爐提供。根據干燥特性，熱風從主風管分配到各區支管，經過自動調節閥后從各單個循環區爐頂夾層進入，通過循環風機分區交叉供給（如1區順時針方向送風，2區逆時針方向送風，依次交替）。熱風通過干燥室腔體兩側的孔板沿紗車的前進方向，對濕紗分區交替進行干燥，各區回風側底部增設排濕風管先經過低溫熱管換熱器，換熱完畢后通過排濕煙囪排向室外［7］。同時，通過重新設計風板，保持烘干總體風量不變即烘干能力不變的情況下，下層風量減少，加大上層風量，消除爐內上下層烘干差異［8］。

2 排濕風余熱回收

2.1 基礎數據

本次計算選取我司生產線一條雙軌烘干爐為研究模型，分別計算排濕風量和排濕風帶走風量，見表1，并按式（1）、式（2）進行計算。

排濕風量Q計算，見式（1）：

式中：

V——排濕風平均風速，m/s；

A管——排濕風總管橫截面積，m2；

t ——時間，s。

排濕風帶走熱量Q1計算，見式（2）：

式中：

ρ氣——排濕空氣的密度，g/cm3；

V——排濕風平均風速，m/s；

A管——排濕風總管橫截面積，m2；

t——時間，s；

h——排濕風的熱焓，KJ/kg（濕空氣）。

2.2 工藝流程

2.2.1 改造前排濕風工藝流程

目前烘干高濕熱風通過烘干爐底部排濕風管通過煙囪直接外排到大氣。根據理論計算和其他實際測試數據表明，排濕風帶走的熱量在整個烘干爐熱量支出體系占比約77%。為了節能降耗，提高烘干爐的熱利用效率，通過采取關閉排濕風閥開度30%，實現降低熱量損耗。通過理論計算，9條烘干爐外排到室外的烘干高溫排濕風量達21 000 Nm3/h，仍有非常大的利用空間。貫徹玻纖綠色低碳的發展理念，通過改進優化干燥技術的頂層設計，不斷提高干燥設備的熱利用效率。節能減排不但與國民經濟息息相關，也是適應國家“雙碳”節能減排發展戰略目標，因此優化烘干爐的結構設計也是本次研究的重點內容之一。

2.2.2 改造后工藝流程

目前考慮兩種改造設計方案。方案1：排濕熱風采用高效四維低溫熱管換熱器，實現新風空氣與高溫空氣能量熱交換回收，熱回收效率按照70%計算，完成熱能回收利用后排入煙囪。通過換熱器將冷空氣由常溫25 ℃升高至85 ℃。換熱后空氣接入燃氣熱風爐工藝風機，用于燃氣熱風爐助燃，提高燃燒效率，降低天然氣的用量。原有排濕風管作為旁路定期使用。換熱器檢修時，關閉換熱器前的閥門，打開旁路閥門，高溫濕煙氣由旁路排入煙囪。流程見圖1。

圖1 管路設計工藝圖

考慮到排濕風中蘊含混有毛紗及高分子合成樹脂等污染物，為避免換熱器堵塞，減少人工清理頻率，換熱器內部設置噴淋裝置，噴淋裝置在停機狀態下，可以對換熱器內部換熱盤管表面進行清洗，并在換熱器下部設置人工檢查孔和排污口。

方案2：高溫高濕熱風通過熱水余熱換熱器進行熱能回收利用。工藝流程見圖2。

圖2 熱水換熱工藝流程圖

水箱出水通過循環水泵，把冷水泵入余熱回收換熱器，通過氣水熱交換的方式，把高溫濕煙氣中的熱量回收；理論推算，每次循環可把20 m3/h的水溫升8 ℃，濕煙氣由115 ℃降至80 ℃，控制換熱器出口水溫＜99 ℃；熱水一部分泵去熱水需求處，另一部分由循環水泵泵入余熱回收換熱器，循環加熱。

因為前期使用過蒸汽換熱方式對熱風爐的冷空氣進行預加熱，節能效果明顯。本文推薦使用汽氣換熱器（四維低溫熱管）進行余熱利用。設計改用高溫排濕風方式對熱風爐冷空氣加熱，替代蒸汽，提升排濕風的利用效率，從而提高熱風爐燃燒效率，降低天然氣的用量，降低干燥設備的熱損耗。

2.3 節能及經濟效益

2.3.1 節能效益

天然氣熱值一般35564~35982 KJ/Nm3，取35564 KJ/Nm3，天然氣價格3.5 ￥/Nm3。

假設夏、冬兩季各使用換熱器180 d，每天工作24 h，排濕風量20 000 Nm3/h，熱回收效率按70%計算，具體參見表2：

表2 換熱器全熱回收能量計算明細表

夏季總節能：254.52 kw·h×70%×180 d×24 h×3600=2.77×109KJ/h

冬季總節能：318.15 kw·h×70%×180 d×24 h×3600=3.46×109KJ/h

夏季節約天然氣用量：2.77×109KJ/h÷35564 KJ/Nm3=77887.75 Nm3/h

冬季節約天然氣用量：3.46×109KJ/h÷35564KJ/Nm3=97289.39 Nm3/h

年節約天然氣用量：77887.75+97289.39=175177.14 Nm3/h

2.3.2 經濟效益

該項目總投資40.18萬元，可取得直接經濟效益61.31萬元，不到一年即可收回全部投資。

直接經濟效益：

支出：

換熱器：20萬元；人工費：7.5萬元；材料費：12.68萬元

改造后年收益：節約天然氣量×價格=175 177.14 Nm3/h×3.5 RMB=61.31萬元

3 結語

烘干爐排濕煙囪排出的高溫煙氣含有一定量的毛絲及高分子有機揮發物、顆粒物和非甲烷總烴等影響大氣質量。通過增加氣-氣空氣換熱器，在回收高濕煙氣余熱的同時，還能在一定程度上起到除塵作用。因為換熱器對流煙道的截面積和風阻遠遠大于原排煙管道，煙氣流速就會降低，含有毛絲、顆粒物的煙氣經過換熱器會在底部沉降，減少直接外排污染。同時可以通過本次改造，尋找到烘干排濕風循環再利用更多的解決方案，希望能為隧道玻纖烘干爐能耗降低方面提供一些參考，并為今后烘干爐設計提出一些改進意見。