我国干燥用热源的研究和应用现状分析

1我国干燥用热源的研究和应用现状分析朱文学张仲欣刘建学董铁有刘云宏段续(河南科技大学食品与生物工程学院洛阳471003)摘要：从燃料、燃烧装置和换热装置三个方面分析了当前我国干燥用热源的研究和应用现状。形成这种状态的主要原因是我国的能源结构。虽然近年来作了大量的研究工作，但干燥用热源设备仍不能完善，耗能仍然很高，一定程度上影响了我国干燥事业的发展。因此，干燥用热源的研究开发仍任重道远。关键词：热风炉；加热；燃烧AnAnalysisonCurrentSituationofResearchandApplicationofDryingSourceinChinaZhuWenxueZhangZhongxinLiujianxueDongTieyouLiuYunhongDuanXu(CollegeofFood&Bioengineering，HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang471003，China)Abstract：Thecurrentsituationinresearchandapplicationofdryingthermalresourcewasanalyzedfromthreeprofilesoffuel，burningequipmentandthermalchangingdeviceinChina.Thesituationwasformedbythestructureofenergyresources.Inspiteofalotofstudieswereconductedinrecentyears，thethermalequipmentsofdryingarenotperfectlyadvanced，andtheenergyconsumptionisstillveryhigh.Thedryingdevelopmentisaffectedtoacertainextent.Sotherearealotofprogramstoresearchaboutthethermalresources.Keywords：hotairfurnace；heating；burning；1概述干燥作业是一个耗能巨大的操作，干燥成本很大一部分来源于能耗，因此能耗指标一直是评价干燥设备的一项重要指标。干燥用热源设备主要由两部分组成，燃烧装置和换热装置。热风炉能源来源广泛，有块煤、煤粉、生物质燃料、燃油、燃气及电能、太阳能和蒸汽等；热能利用有直接加热和间接加热之分；根据能源的不同，燃烧装置的原理和结构有很大差异；换热形式多样，有无管式换热、列管式换热、热管式换热和导热油换热等。因此选择合适的热源设备是干燥设备设计的关键问题，也是一个首先要考虑的问题。我国目前广泛使用的间接加热式燃煤热风炉还存在热效率低、钢材耗量大、使用寿命短和热风风阻力大等缺点。一些先进的国家都采用燃油作为干燥机的热源，在燃煤热风炉方面很少有国外经验可以借鉴。虽然有很多单位对热源设备进行了大量的研究，开发了多种燃煤炉、燃油炉、生物质燃烧炉、红外加热炉、微波加热炉、太阳能热系统等，但依然没有改变干燥用热源主要是燃煤热风炉的格局。燃煤热风炉虽然在性能上有所改善，但传统的缺陷依然存在。22燃料开发应用现状2.1煤及焦炭目前我国多使用煤为热风炉的燃料。根据埋藏年代及煤化程度的差异，煤可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤等四类。煤的燃烧方式主要以块状燃烧，但燃尽率低。为了提高煤的燃烧效率，开发了煤粉燃烧技术。焦炭为多孔块状，呈银灰色或无光泽灰黑色，低位发热量为5400~6500kJ/kg。焦炭主要由非挥发性碳与灰分组成，主要用作冶金工业的还原剂和燃料，也用于气化过程的化工原料，只有次焦及碎焦才用作燃料。2.2生物有机燃料生物有机能源是再生能源，代替化石燃料不仅可以保护环境，而且免除了化石燃料用尽的担忧。因此是能源研究的新课题。表1有机燃料的成分及发热量。表1有机燃料的成分（应用基）/%燃料CHO+NSWA发热量/kcal•kg-1干燥木材35.04.230.1/300.72910新伐木材25.03.121.4/50.00.51900松树皮53.45.640.00.12.99030橡树皮49.75.439.50.15.38370云杉树皮51.85.738.60.13.88740红杉树皮51.95.142.50.10.48350亚麻秸43.95.236.90.111.12.83850柴草43.15.336.80.110.54.23690稻壳36.04.431.20.19.818.53112玉米秸秆36.054.7234.430.0722.352.213328玉米芯48.45.644.6—151.43446甘蔗渣23.42.820.10.0552.01.74000向日葵子皮48.05.036.20.113.81.93740目前国内已经开发出用稻壳作为热源的热风炉[1，2]。国外也开发出了用秸秆作为热风炉燃料的热风炉。生物质燃料的主要缺点是热值低、密度小、体积大、形状不规则。因而燃烧不稳定，很难控制。为了弥补这个缺陷，多年来很多研究者致力于生物质成型技术的研究[3-4]。把具有一定粒度的生物质原料，在一定压力作用下，制成棒状、粒状和块状等各种成型燃料。原料经挤压成型后，密度可达1.1~1.4t/m3，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善，火力持久黑烟少，炉膛温度高，而且便于运输和贮存。为了提高生物质燃料的热值，在煤粉中添加生物质、脱硫剂等，将其混合后经高压而制成具有易燃、脱硫效果显著、高热效率、未燃损失小等特点的生物型煤。有机物质可用麦秸、稻草、玉米秸、锯末等。添加有机物质降低了生物型煤的燃点，而且燃后留下的空隙增加了空气流通量，起到膨化助燃作用。2.3液体燃料目前在干燥上使用比较多液体燃料是煤油和柴油。使用油类燃料的干燥成本比较高，但温度比较容易控制，操作容易实现自动化。从运输方面考虑，液体燃料比固体燃料在运输中的损失小。因此发达国家干燥热源主要是油类燃料。油类燃料在我国使用比较少，目前我国仅有部分地区利用柴油和煤油做干燥作业的能源。2.4气体燃料3燃气亦有天然和人造之分。天然气体燃料包括天然气、石油气与矿井瓦斯气等。人造气体燃料则是指对固体燃料和液体燃料进行加工制得的各种煤气和裂解气。由于气体需要管道输送，因此用在干燥上并不普遍，在有气源的地方使用，农村有些地区沼气，使用沼气。几种能源应用特点如表2所示。不同燃料操作成本对比如图3所示。表2几种能源的应用特点热源的种类加热方式操作性经济性热风的洁净度备注设备费运转费固体燃料烟道气间接热风△△大大小小▲◎直接利用烟气利用废物的燃烧热液体燃料烟道气间接热风○○小大最小小△◎最普通的热源，利用率高气体燃料烟道气间接热风○○中大中大○◎燃料费较高热风洁净度好，烟道气的利用价值高蒸汽（热载体）空气加热传导热干燥◎◎大大小小◎◎由翅片加热器等所得到的热风，用作传导加热干燥的热源电电热红外线◎○大大大大◎◎近于直接火、是电热管的间接热风利用辐射热表33200型喷雾干燥器用不同燃料的成本比较燃料煤粉天然气柴油数量金额/元数量金额/元数量金额/元耗燃料/日12t24008100M361565.7t12540装机容量130kW104070kW56075kW600用工数/日915061006100易损件费用/日80510其他费用/日17117合计费用/年（300日）110610020466003980100以煤粉为基数的成本比11.853.603燃烧装置研究与应用现状3.1煤燃烧装置根据燃烧方式不同可将燃煤装置分为层燃炉、悬燃炉和沸腾炉。由于加煤方式不同，层燃炉可分为手烧炉（上祠式固定炉排炉）和机械加煤炉。机械加煤炉可分为螺旋下饲式燃烧炉、链条炉、抽板顶升式燃烧炉、往复炉排炉等炉型。煤的层状燃烧装置比较成熟。为了改善煤的燃烧性能，开发了悬燃炉和沸腾炉。悬燃炉是将煤磨制成很小的颗粒，通过煤粉喷嘴与空气混合后一起送到炉膛内燃烧的一种燃烧装置。因为煤以粉状进行燃烧，故与空气的接触面积大，改善了燃料与空气的混合条件，可以在较短的时间内燃尽。因此，悬燃炉燃烧效率高，热强度大，负荷调节方便。悬燃炉是当今大、中容量锅炉普遍采用的一种燃烧方式。煤粉热风装置核心部件是煤粉喷嘴。粉煤燃烧器的结构一般都较简单。根据煤粉喷嘴结构的不同主要有扩散式燃烧器和预燃式燃烧器两大类。扩散式燃烧器有旋风式喷嘴、涡流式喷嘴、双管式4粉煤喷嘴、煤气、粉煤两用燃烧器、电加热多级点火燃烧器、速差射流型喷嘴等多种形式。预燃式燃烧器有带根部二次风预燃式直接点火燃烧器、中心火炬式煤粉直接点火燃烧器、抛物线内筒式直接点火燃烧器、等离子直接点火燃烧器等多种形式。沸腾炉燃烧是将层燃和悬燃结合起来的一种燃烧方式。运行时，煤先被破碎成8～12mm以下的颗粒再送进炉膛，高速空气从炉底通过配风板上的风帽，把燃料层吹起来。由于炉膛形状为锥型，下小上大，上部风速比下部风速小。燃料在炉膛的下部被气流带起，在炉膛的上部由于气流速度减小而又重新落下，形成了煤粒上下翻动的沸腾层。煤粒在沸腾段上下运动并相互碰撞，加强了与空气的混合，强化了燃烧过程。由于悬燃炉和沸腾炉投资大，主要应用于大型燃烧系统，热风炉很少使用。3.2生物质燃料燃烧装置生物质燃料燃烧装置主要有层状燃烧装置、流化燃烧装置和扩散燃烧装置三类。层状燃烧装置可以采用块煤同样形式的层状燃装置。国内也有一些企业将燃煤炉改造成燃生物质燃料的实例[1]。但是用层状燃炉燃烧生物质燃料，燃料通过料斗送到炉排上时，不可能像煤那样均匀分布，容易在炉排上形成料层疏密不均，从而形成布风不匀。薄层处空气短路，不能用来充分燃烧；而厚层处，需要大量空气用于燃烧。由于这里阻力较大，因而空气量较燃烧所需的空气量少。因此生物质燃料层状燃烧控制比较困难。但生物质层状燃烧风炉与其它热风炉相比较，造价低，燃料费用低，如表4所示。粉碎后生物质燃料呈线条状、多边形、角形等形状，当量直径相差大，受到气流作用容易破碎和变形，在流化床中不能单独进行流化。通常加入廉价惰性物料，如沙子、白云石等，使其与生物质构成双组分混合物，从而解决了生物质难以流化的问题。扩散燃烧方法是利用机械动力或风力将粉碎后的生物质燃料(稻壳、细碎秸秆等)分散，然后在空气中燃烧。这种炉子由于在燃烧室中生物质燃料和空气接触较为充分，所以燃烧完全，温度也较稳定。主要形式有多室燃烧装置、同心涡旋燃烧装置、两级涡旋燃烧装置和倾斜炉排涡旋燃烧装置。表4燃生物质热风炉和其它燃料热风炉的比较型号发热量/万kcal燃料造价元/万kcal燃料费元/万kcal电费元/万kcalCL-40柴禾炉42.6秸秆187.80.0090.11ML-40煤气发生炉40煤625.00.280.23TL-70热风炉70煤1028.60.260.21160万kcal油炉160柴油2500.60.113.3液体燃料燃烧装置液体燃烧装置中关键部件是燃烧嘴，油烧嘴的形式主要分为蒸发式和雾化式。工业上用的大部分是雾化式烧嘴。按雾化方法大致可分为：机械喷嘴，高压雾化喷嘴、低压雾化喷嘴与复合喷嘴四类。其中高压喷嘴和低压喷嘴在工业加热方面应用较广。油烧嘴的特性及用途见表5所示。燃烧器系统主要包括：油贮槽、油过滤器、流量计、喷油嘴、供油泵、油压调节阀及油配管等。表5油烧嘴的特性及用途低压空气式高压气流（雾化）式油压式旋转式烧嘴连动型非连动型内混合型外混合型回油型非回油型燃油量/l·h-11.5~1204~18010~500010~60050~1000050~1000010~300油压/kg·cm-20.4~10.1~0.32~90.2~15~405~700.5~10雾化压力1~35/kg·cm-2/mmH2O400~2000400~2000雾化介质量Nm3·kg-1kg·kg-12~31~3A0.2A0.26——空气S0.25S0.33要求粘度/°E一般5~10或≤8，有的3~5一般5~10或≤15，有的4~6一般≤7，有的2~3.5一般≤8，有的2~5雾化介质