生物行業(yè)熱風(fēng)干燥設(shè)備的尾氣熱能利用研究

陳林書 

（揚(yáng)州日發(fā)干燥工程有限公司，江蘇 儀征 211408）

        摘要：對生物發(fā)酵行業(yè)中熱能消耗大的環(huán)節(jié)，即熱風(fēng)干燥類生產(chǎn)線進(jìn)行熱能利用率分析，可知噴霧類設(shè)備是28%～39%蒸發(fā)1 噸水消耗蒸汽約2.7～3.9 噸；流化床類設(shè)備是49％～53%單位耗汽約1.98～2.24 噸；內(nèi)換熱流化床是65％～70%單位耗汽約1.49～1.68 噸。研究采用直管翅片式尾氣換熱，可使噴霧類設(shè)備單位耗汽降到2.1～2.8 噸，節(jié)省蒸汽約22％～28%；使流化床類設(shè)備單位耗汽降到1.5～1.73 噸，節(jié)省約23％～24%；使內(nèi)換熱流化床設(shè)備單位耗汽降到1.31～1.47 噸，平均節(jié)省12.5%；另外多室流化床類生產(chǎn)線降速和冷卻階段的熱尾氣可回收利用，可節(jié)省蒸汽約5％～15%，提高了熱能利用率。

關(guān)鍵詞：生物發(fā)酵¹；熱風(fēng)干燥²；尾氣熱利用³；噴霧干燥⁴；流化床⁵；內(nèi)加熱流化床⁶；穩(wěn)定⁷

Study on the heat energy utilization of the tail gas of the hot air drying and pelletizing equipment in the biological fermentation industry

Chen Linshu

（Yangzhou RIFA drying Engineering Co., Ltd., Yizheng 211408,China）

Abstract：The thermal energy consumption in the biological fermentation industry is relatively large. The thermal utilization rate of the hot air drying line is analyzed. The spray equipment is 28-39%, the evaporation capacity is 1 tons water, the unit consumption is 2.7-3.9 tons steam, the fluidized bed equipment is 49-53%, the unit steam consumption is 1.98-2.24 tons steam, the internal heat exchange fluidized bed is 65-70%, and the unit consumption steam is 1.49-1.68 ton steam. In this study, straight tube fin type tail gas heat transfer, unit steam consumption can reduce the spray equipment to 2.1-2.8 tons, save 22-28%, reduce the fluidized bed class to 1.5-1.73 tons, save 23-24%, reduce the internal heat fluidization bed to 1.31-1.47 tons  steam, and save an average of 12.5%. In addition, the hot air in the drying and cooling stages of the fluidized bed production line can be reused, saving more than 5-15%.

Keywords：biological fermentation; hot air dryer; heat utilization of tail gas; spray drying; fluidized bed;  internal heat exchange fluidized bed;stabilization

        生物發(fā)酵¹工程的應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、能源、環(huán)保、冶金、化工原料等，對資源、環(huán)境和人類健康等問題的解決具有重大意義。發(fā)酵工程分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理），即上游、中游和下游工程。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)，包括固液分離技術(shù)、細(xì)胞破壁技術(shù)、蛋白質(zhì)純化技術(shù)以及產(chǎn)品的干燥、包裝處理技術(shù)。干燥之前的物料普遍具有含水量大、熱敏、黏稠、揮發(fā)及染菌等顯著特征。目前廣泛采用的干燥設(shè)備有噴霧⁴、流化技術(shù)等熱風(fēng)類干燥設(shè)備²和真空干燥設(shè)備，年產(chǎn)千噸級以上時通常采用熱風(fēng)類干燥設(shè)備，這類設(shè)備能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、作業(yè)過程有起火爆炸風(fēng)險、尾氣環(huán)保壓力大。生物發(fā)酵過程的節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)和資源化利用在國家“十一五”和“十二五”規(guī)劃中均被列為技術(shù)進(jìn)步的重要領(lǐng)域。

        據(jù)統(tǒng)計，熱風(fēng)干燥類設(shè)備²，每蒸發(fā)1 噸水通常需要蒸汽1.5～3.9 噸、電能120～350 千瓦·時，對于年處理量上萬噸、百萬噸級的企業(yè)來說，能耗是巨大的。以年蒸發(fā)10萬 噸水、消耗20萬噸 蒸汽為例，如采用合理可行的節(jié)能減排技術(shù)來節(jié)省10%計算，就是2萬噸汽，每噸汽100 元計是200萬元，節(jié)省25%就是500萬元（蒸發(fā)100萬噸水時僅蒸汽可節(jié)省5000萬元），而噴霧類設(shè)備⁴熱能利用率才28%～39%、流化床⁵類設(shè)備熱能利用率才49％～53%，內(nèi)加熱流化床⁶才65％～70%，均具有不少提升空間，這對于整體國民經(jīng)濟(jì)的意義十分重要。這類熱風(fēng)干燥設(shè)備的排氣含粉塵量在5～50 mg/m³、熱尾氣具有含水率大（相對濕度常在15％～70%）、溫度低（通常在50～100 ℃），導(dǎo)致尾氣熱能利用難度大、并經(jīng)常會不穩(wěn)定⁷、超出現(xiàn)有環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)和有異味的不良特性，需要額外裝置造價和運(yùn)行費(fèi)用非常大的環(huán)保裝置。噴霧流化床造粒⁶特別適合L-賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、尿素、復(fù)合肥等行業(yè)中的發(fā)酵液、尾液調(diào)配料的噴霧干燥造粒、噴霧干燥結(jié)晶，大型連續(xù)流化床⁸在各行各業(yè)中目前廣泛應(yīng)用。

1  常用熱風(fēng)干燥形式熱能利用率分析

1.1 噴霧類熱風(fēng)干燥的常用形式和熱能利用率分析

      噴霧類干燥的特點是料液霧化成小液滴與熱風(fēng)瞬間接觸干燥，時間在20-50秒之間，需要的干燥空間比較大、熱損失大，對更嚴(yán)格的成品含水率和合適的成品溫度難直接實現(xiàn)，此時在塔底可以配置上二級干燥、冷卻，塔底干燥量比例通常小于1%，設(shè)計操作難度加大。具體常用工藝方框流程圖如圖1。

       每種物料的成品含水率都會有標(biāo)準(zhǔn)要求，成品含水率越低，噴霧塔的尾氣排風(fēng)溫度需要越高，從而導(dǎo)致熱損失越大、尾氣帶出的熱量越多，綜合熱能利用率越低。

對于熱敏性物料，進(jìn)風(fēng)溫度和排風(fēng)溫度都會有上限要求，此時除了增加裝置設(shè)計、操作難度，自然的熱能利用率也會大大下降。

從這可以看出熱能利用率提高有兩個途徑：增加保溫降低塔體散熱，但有時殼體為了防粘壁是不適合過度保溫的；塔體散熱利用，需要增加廠房封閉裝置，帶來投資的增高；尾氣熱能利用，其用于增高進(jìn)風(fēng)溫度，以下主要對尾氣熱能利用方式和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 流化床類熱風(fēng)干燥的常用形式和熱能利用率分析

      流化床類干燥的特點是在干燥器內(nèi)熱風(fēng)穿透物料層（通常在300-3000mm之間），熱質(zhì)交換效率高，干燥時間從數(shù)秒到數(shù)小時均可實現(xiàn)，干燥空間只有噴霧類設(shè)備的20-50分之一，可以設(shè)計成多室流化床，適用于干燥的不同階段：勻速階段、降速階度、冷卻階段。具體常用工藝方框流程圖如圖2。

舉例分析不帶內(nèi)換熱器的流化床，98%賴氨酸鹽酸鹽烘干如下：

2  熱風(fēng)干燥類裝置可采用的熱能利用方式

2.1裝置本身散熱的采集利用

      噴塔因為比表面積比較大，塔體散熱占到了熱風(fēng)進(jìn)排風(fēng)溫度差的25%～37%，條件允許時進(jìn)行利用，效益比較可觀；流化床類設(shè)備，因為床體本身經(jīng)過保溫之后，散熱通常只占到熱風(fēng)進(jìn)排風(fēng)溫度差的2%～5%，因為設(shè)備體積不大，也可以進(jìn)行利用，讓采風(fēng)經(jīng)過主機(jī)區(qū)，最終送到系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口。這兩者和包括蒸汽冷凝水的利用均為常用技術(shù)方案。

2.2降速干燥階段、物料冷卻階段的熱量利用

      噴霧類設(shè)備降速干燥階段通常在塔體內(nèi)已經(jīng)一步完成，就算存在二級干燥時，因為風(fēng)量比較小，正常會合并到總引風(fēng)管內(nèi)，不進(jìn)行利用。

      流化床類設(shè)備當(dāng)分成多室結(jié)構(gòu)時，在恒速干燥階段通常完成了95%以上的干燥量，那么降速干燥階段的排氣含水率比較小、但溫度比較高、進(jìn)風(fēng)140 ℃可達(dá)到110 ℃，物料冷卻階段通常會配置除濕機(jī)、進(jìn)風(fēng)口含水量特別低、排風(fēng)通常溫度在40 ℃左右，這兩種室的排風(fēng)完全可以直接經(jīng)過風(fēng)管道、通入恒速干燥室進(jìn)行利用，根據(jù)總體所占風(fēng)量比例不等，約可節(jié)省總熱量供應(yīng)5%～15%。

2.3系統(tǒng)排風(fēng)帶出的熱量利用

3  熱風(fēng)干燥類裝置可采用的熱能利用方式

3.1板式換熱器

       板式空氣預(yù)熱器多用1.5～4 mm的波浪形的薄鋼板制成，將鋼板焊接成成長方形的盒子，將若干盒子拼成一組，熱尾氣從盒子內(nèi)通過，每個盒子外 側(cè)構(gòu)成外通道，換熱器內(nèi)若干盒外通道構(gòu)成新鮮空氣通道，為了提高換熱系數(shù)，通常板上加工成若干半圓形的凹凸，熱尾氣與新鮮空氣通常呈十字交叉方式進(jìn)行間接換熱和交互傳遞能量，因為薄鋼板為波浪形和凹凸面，從而獲得較好的傳熱效率，但同時因為氣體多次折流原因，也造成氣體通過阻力過大的缺點，并且板式空氣預(yù)熱器由于耗用剛材較多、結(jié)構(gòu)不緊湊、焊縫多且易滲漏，現(xiàn)在很少采用；適用于尾氣溫度達(dá)到200 ℃以上，因為翅片容易氧化和腐蝕時，才會優(yōu)先使用板式換熱器。

       以在70賴氨酸硫酸鹽造粒機(jī)上應(yīng)用舉例：在造粒機(jī)排風(fēng)量為100 000 kg/h、新鮮風(fēng)量為90 000 kg/h時，造價100萬的板式換熱器，熱尾氣從90 ℃降到70 ℃，新鮮空氣從23 ℃升到55 ℃，熱尾氣通道氣體阻力差為800 Pa，新鮮空氣通道阻力差為750Pa，阻力差過大，節(jié)省的蒸汽價值相當(dāng)一部份抵消了風(fēng)機(jī)電能的消耗，并對原系統(tǒng)運(yùn)行造成了很大干擾，而且因為波浪凹凸面的存在，造成兩種氣體通道的清理和清洗不方便。

3.2管式換熱器

      管式空氣預(yù)熱器的主要傳熱部件是薄壁鋼管。管式空氣預(yù)熱器多呈立方形，鋼管彼此之間垂直交錯排列，兩端焊接在上下管板上。管式空氣預(yù)熱器在管箱內(nèi)裝有中間管板，煙氣順著鋼管上下通過預(yù)熱器，空氣則橫向通過預(yù)熱器，完成熱量傳導(dǎo)。

      管式空氣預(yù)熱器的優(yōu)點是密封性好、傳熱效率高、易于制造和加工，因此多應(yīng)用在電站鍋爐和工業(yè)鍋爐中。管式空氣預(yù)熱器的缺點是體積大，造價高。

3.3相變式熱管換熱器

      相變換熱器是在多根并聯(lián)或相對獨(dú)立的密閉管構(gòu)件內(nèi)利用相變介質(zhì)汽化-液化交替潛熱傳遞熱量，相變下段的液態(tài)工質(zhì)吸收熱量汽化為飽和蒸汽，蒸汽在一定的壓差下上升到相變上段，放出熱量，然后凝結(jié)成液體，飽和液體經(jīng)汽水分離器或沿管壁回到相變下段，并再次汽化，往復(fù)循環(huán)，完成了把熱量從高端向低端的單向?qū)?，因為管?nèi)都是汽化-液化，所以換熱系數(shù)比較高，但存在兩級換熱才能達(dá)到目的、此時的換熱系數(shù)已經(jīng)降低一半、換熱面積要求大了一倍，為了更高的換熱面積，通常在列管外表設(shè)計有翅片。

      熱管內(nèi)隨時間延長會產(chǎn)生不凝氣體導(dǎo)致整體換熱效率下降，熱管會逐漸老化以至失效，工作時熱尾氣的溫度不適合過低以避免產(chǎn)生酸露腐蝕，一旦產(chǎn)生結(jié)露性灰垢，即使增加吹灰器或沖洗裝置，也很難處理，除非進(jìn)行拆除，所以維護(hù)成本大。

      相變介質(zhì)使用水時100 ℃時，無法使用在生物發(fā)酵行業(yè)的熱風(fēng)干燥類設(shè)備（因為熱尾氣溫度通常小于100 ℃），只能使用在鍋爐類應(yīng)用場合時比較適合（熱尾氣溫度高幾百度、并且含水率比較低、粉塵基本無粘性），目前研發(fā)出的低沸點介質(zhì)通常在40～45 ℃范圍，當(dāng)熱尾氣溫度達(dá)到此范圍時，作用將會為零，這就決定了熱尾氣在環(huán)境溫度30 ℃以上時，作用也會非常小、加上相對高的造價，導(dǎo)致其應(yīng)用前景有限。

      相變式熱管式換熱器，濕熱含粉塵尾氣通道走的也是翅片區(qū)域，翅片區(qū)域換熱時相對濕度會大大提高、基至達(dá)到飽和狀態(tài)，生物發(fā)酵行業(yè)的物料臨界吸濕相對濕度在20%～40%范圍比較多，產(chǎn)生的冷凝水和吸附的粉塵會粘附在翅片上，會造成清洗不便、無法清洗、換熱效率大大下降、無法長期使用的結(jié)果，要避免此現(xiàn)象，就要對濕熱尾氣的含粉率和清洗操作作出嚴(yán)格的要求，但在生物發(fā)酵行業(yè)是很難實現(xiàn)的。

3.4回轉(zhuǎn)式換熱器

      回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是再生式空氣預(yù)熱器常見的形式，它是利用煙氣和空氣交替地通過金屬受熱面來加熱空氣，以轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器舉例，轉(zhuǎn)子式受熱面，它被分為許多倉格，里面裝有蓄熱板，蓄熱板吸收燃?xì)鉄崃坎⑿罘e起來，等到轉(zhuǎn)至空氣那面，再將襲擊的熱量釋放給空氣，自身溫度降低，受熱面不斷旋轉(zhuǎn)，熱量便會不斷從煙氣傳送給空氣，空氣得到加熱，煙氣冷卻，這是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的工作原理。

      回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的主要優(yōu)點是體積小、重量輕、傳熱元件允許有較大磨損，因此特別適合大型鍋爐使用，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且消耗電力，漏風(fēng)量較大（漏風(fēng)會導(dǎo)致濕熱含粉塵尾氣中的水和粉塵進(jìn)入新鮮空氣中，從而不適合生物發(fā)酵行業(yè)的熱風(fēng)干燥系統(tǒng)）。

3.5直管翅片式換熱器

      此種形式是在管式換熱器、相變式換熱器基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)合、改進(jìn)，每根管上加工成翅片形式，每米管的換熱面積可加大8～15倍，雖然換熱系數(shù)會下降到1/3～1/5，但換熱器的總體積可以縮小到1/2～1/5，對于投資而言具備更好經(jīng)濟(jì)性。

       經(jīng)大生產(chǎn)投用，額外的優(yōu)點是在使用時，因為單位管面積上的換熱器比管式換熱器提高了2～5 倍，因在生物發(fā)酵行業(yè)干燥時會蒸發(fā)大量的水份，熱尾氣的相對濕度通常在15%～70%之間，經(jīng)過降溫后，整體尾氣平均值就算沒有達(dá)到飽和溫度，但在管內(nèi)壁處經(jīng)常具備了濕空氣飽和條件，管內(nèi)壁上在夏天也會出現(xiàn)水汽的冷凝現(xiàn)象，從而大大提高換熱系數(shù)（起到相變的原理），新鮮空氣隨著季節(jié)溫度下降，管內(nèi)壁的冷凝現(xiàn)象越明顯，換熱效果越好。

4  熱風(fēng)干燥類裝置使用直管翅片式換熱器應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

4.1噴霧類熱風(fēng)干燥

4.2流化床類熱風(fēng)干燥

4.3帶內(nèi)換熱器的流化床類熱風(fēng)干燥

5  結(jié)  論

       針對對生物發(fā)酵行業(yè)中熱能耗用比較大的環(huán)節(jié)，通過多種可行方式、特別是直管式翅片換熱器的技術(shù)應(yīng)用，可以大大提高總熱能利用率，產(chǎn)生較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，在進(jìn)風(fēng)120～160 ℃時，噴霧類設(shè)備熱能利用率可從28%～39%、蒸發(fā)1噸水單位耗蒸汽2.7～3.9 噸，單位耗汽降到2.1～2.8 噸、節(jié)省22%～28%、熱能利用率提高到40%～50%以上；流化床類設(shè)備熱能利用率49%～53%、單位耗汽1.98～2.24 噸，單位耗汽降到1.5～1.73 噸，節(jié)省23%～24%，熱能利用率提高到63%～67%以上；內(nèi)換熱流化床熱能利用率65%～70%，單位耗汽由1.49～1.68 噸，降到1.31～1.47 噸，平均節(jié)省12.5%，熱能利用率提高到74%～80%；另外流化床類生產(chǎn)線降速和冷卻階段的熱風(fēng)可回用，可節(jié)省熱能5%～15%以上，使流化床類設(shè)備綜合節(jié)能28%～40%、內(nèi)加熱流化床綜合節(jié)省17.5%～27.5%。結(jié)合東北地區(qū)冬天天氣較冷原因，在環(huán)境溫度－30 ℃，尾氣高于30 ℃時就可實現(xiàn)蒸汽換熱器內(nèi)大于零度、防止凍壞的效果；進(jìn)出風(fēng)通道阻力差低，只有50～300 Pa，低于板式換熱器；充分利用了尾氣中的水份冷凝釋放出的潛熱；區(qū)別于造價高昂的其余熱能利用技術(shù)，讓尾氣換熱技術(shù)可成為所有熱風(fēng)干燥設(shè)備的參考技術(shù)、具有了更高的性價比可能性和巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益；因為換熱后尾氣溫度降低、含水下降，也間接的降低了后續(xù)環(huán)保投資和壓力。在各種技術(shù)分工、發(fā)展迅速的今天，單一技術(shù)已不能適應(yīng)需求，綜合各種技術(shù)、針對性的開發(fā)，專有工藝包是以后的發(fā)展方向，熱能利用率繼續(xù)提高是符合社會和經(jīng)濟(jì)意義的。

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