干燥机非稳态运行模拟分析——定量分析.pdf

收稿日期：2023-09-06作者简介：张海滨（1983），男，山东德州人，硕士，高级工程师，从事干燥工艺的设计和开发工作。联系方式：干燥机非稳态运行模拟分析定量分析张海滨，赵平杰，张庆磊，吴静，李晓光，张洪建（山东天力能源股份有限公司，山东 济南250013）摘要：根据计算模型，分析了蒸汽回转干燥机和流化床干燥机在进料含水率、进料温度和加热蒸汽压力三个失稳后的运行状况。结果表明，进料含水率从2%升高至4%，回转干燥机的产能降低39%、蒸汽单耗增加63%；流化床干燥机的产能降低43%、蒸汽单耗增加75%。进料温度从15 升高至75，回转干燥机的产能增加67%、蒸汽单耗减少45%；流化床干燥机产能增加97%，蒸汽单耗减少57%。加热蒸汽压力从0.4 MPa（G）升高到1.6 MPa（G），回转干燥机的产能提升77%，流化床干燥机产能提升74%。关键词：蒸汽回转干燥机；流化床干燥机；非稳态；参数波动；模拟中图分类号：TQ051.8+92文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）05-0050-05Simulation Analysis of Non-steady Operation ofDryer Quantitative AnalysisZHANG Haibin，ZHAO Pingjie，ZHANG Qinglei，WU Jing，LI Xiaoguang，ZHANG Hongjian（Shandong Tianli Energy Co.，Ltd，Jinan 250013，China）Abstract：According to the calculation model，the operation conditions of the steam rotarydryer and the fluidized bed dryer after the feed water content，feed temperature and heating steampressure are analyzed.The results showed that the feed water content increased from 2%to 4%，theproduction capacity of the rotary dryer decreased by 39%，and the steam consumption increased by63%.The production capacity of the fluidized bed dryer is reduced by 43%and the steam consumption per unit is increased by 75%.When the feed temperature is increased from 15 to 75，theproduction capacity of the rotary dryer is increased by 67%and the steam consumption is reducedby 45%.The capacity of the fluidized bed dryer was increased by 97%，and the steam consumptionwas reduced by 57%.The heating steam pressure increased from 0.4 MPa（G）to 1.6 MPa（G），andthe production capacity of the rotary dryer increased by 77%；Production capacity of fluidized beddryers increased by 74%.Key words：Steam rotary dryer；Fluidized bed dryer；Non-steady state；Parameter fluctuation；Simulation回转干燥和流化床干燥是应用最广的两种干燥技术1-3，均适用于多种粉体物料的干燥。由于结构差异，两种干燥机在热效率、能耗等方面有较多差异4。非稳态运行时，其差异更加明显5-7。文章承接 盐科学与化工 2024年第4期 干燥机非稳态运行模拟分析模型的建立，用上述论文中建立的计算模型，对干燥机进料含水率、进料温度和加热蒸汽压力波动对干燥系统的影响进行定量分析。1干燥系统初始参数以氯化钠干燥产能50 t/h的干燥机为例，干燥盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第5期2024年5月5090进料温度/回转产能流化床产能产能/（t/h）908070605040308070605040302010蒸汽单耗/（kg/t）1009080706050402.02.53.03.54.0进料含水率/%回转蒸汽单耗流化床蒸汽单耗产能/（t/h）807570656055504540352.02.53.03.54.0进料含水率/%回转产能流化床产能系统初始参数见表1。2参数失稳影响的定量分析2.1进料含水率1的变动及影响进料含水率变化改变原料的性质，对干燥机的影响主要是产能和蒸汽消耗。根据两种干燥机的特征，进料含水率变动后，两种干燥机分别做如下调整。（1）根据进料含水率的变化，调整干燥机的进料量，使干燥机的处理量和干燥能力匹配。（2）进料量调整后，相应调整回转干燥机的蒸汽供汽量和干燥风量，使运行参数稳定。（3）进料量调整后，流化床干燥机仍处于满负荷状态，其干燥风量不变，蒸汽供汽量不用调整。按照以上调整过程模拟进料含水率变化对相关参数的影响，其结果见图1和图2。从图1和图2看出，干燥机的产能随着进料含水率的升高而减少；蒸汽单耗随着进料含水率的升高而增加。进料含水率从2%升高至4%，回转干燥机的产能降低39%，流化床干燥机的产能降低43%。进料含水率从2%升高至4%，回转干燥机的蒸汽单耗增加了30 kg/t，增加63%；流化床干燥机的蒸汽单耗增加了 43.2 kg/t，增加 75%。以上数据说明流化床干燥机的产能和蒸汽单耗受进料含水率的影响高于回转干燥机。2.2进料温度1的变动及影响进料温度变化改变物料预热的热负荷，对干燥机的影响同样是产能和蒸汽消耗。根据两种干燥机的特征，进料温度变动后，分别做如下调整。（1）根据进料温度的变化，调整干燥机的进料量，使干燥机的处理量和干燥能力匹配。（2）进料量调整后，相应调整回转干燥机的蒸汽供汽量和干燥风量，使运行参数稳定。（3）进料量调整后，流化床干燥机仍处于满负荷状态，其干燥风量不变，蒸汽供汽量不用调整。按照以上调整过程模拟进料温度变化对相关参数的影响，其结果见图3和图4。张海滨，等：干燥机非稳态运行模拟分析定量分析表1干燥系统初始参数Tab.1Initial parameters of drying system序号1234567891011121314参数名称产能M2/（t/h）进料量M1/（t/h）加热蒸汽压力PS/MPa（G）进料含水率1/%出料含水率2/%进料温度1/回转出料温度2/回转蒸汽流量S/（kg/h）回转干燥风量G/（kg/h）回转出风温度t2/流化床出料温度2/流化床蒸汽流量S/（kg/h）流化床干燥风量G/（kg/h）流化床出风温度t2/数值5051.441.03.00.250852 8906 90090753 94032 70085图1不同进料含水率的产能Fig.1Capacity at different feed humidity图2不同进料含水率的蒸汽单耗Fig.2Steam consumption at different feed humidity图3不同进料温度的产能Fig.3Capacity at different feed temperatures51盐科学与化工第53卷第5期2024年5月1.6蒸汽压力/MPa（G）回转蒸汽单耗流化床蒸汽单耗蒸汽单耗/（kg/t）858075706560551.41.21.00.80.60.41.6蒸汽压力/MPa（G）回转产能流化床产能产能/（t/h）7570656055504540351.41.21.00.80.60.4从图3和图4看出，干燥机的产能随着进料温度的升高而增大；蒸汽单耗随着进料温度的升高而减少。进料温度从15 升高至75，回转干燥机的产能增加67%，流化床干燥机的产能增加97%。进料温度从15 升高至75，回转干燥机的蒸汽单耗减少了35.8 kg/t，减少45%；流化床干燥机的蒸汽单耗减少了 63.5 kg/t，减少 57%。以上数据说明流化床干燥机的产能和蒸汽单耗受进料温度的影响高于回转干燥机。2.3加热蒸汽压力PS的变动及影响加热蒸汽压力的变化改变热源的性质，对干燥机的影响主要在三个方面。（1）蒸汽温度不同产生不同的换热温差，改变干燥机换热元件的热负荷。（2）蒸汽温度不同使空气预热器预热后的热风温度出现差异，改变热风提供的热负荷。（3）不同规格蒸汽潜热有少量差别，同样热负荷时，蒸汽耗量有差别。根据干燥机的特征，加热蒸汽规格变动后，两种干燥机分别做如下调整。（1）根据热负荷的变化，调整干燥机的进料量，使干燥机的处理量和干燥能力匹配。（2）进料量调整后，相应调整回转干燥机的蒸汽供汽量和干燥风量，使运行参数稳定。（3）进料量调整后，流化床干燥机仍处于满负荷状态，干燥风量不变，因蒸汽规格差异，适当调整换热元件部分的蒸汽供汽量。按照以上调整过程模拟加热蒸汽压力变化对相关参数的影响，其结果见图5图11。由图5可以看出，干燥机的产能随加热蒸汽压力的升高而提高。蒸汽压力从0.4 MPa（G）升高到1.6 MPa（G），回转干燥机的产能提升 77%左右，流化床干燥机的产能提升74%左右。两种干燥机的产能随蒸汽压力变化的速率略有差异，回转干燥机产能随蒸汽压力变化的速率略高于流化床干燥机。说明回转干燥机的产能对加热蒸汽压力较敏感，受影响程度高于流化床干燥机。根据图6揭示的规律，回转干燥机的蒸汽单耗随加热蒸汽压力的升高而增加，而流化床干燥机的蒸汽单耗随加热蒸汽压力的升高而减少。蒸汽压力从0.4 MPa（G）升高到1.6 MPa（G），回转干燥机的蒸汽单耗增加了5.2 kg/t，增加9.5%；流化床干燥机的蒸汽单耗减少了6.0 kg/t，减少7.2%。为了探究产生上述差异的原因，对不同蒸汽压力下，尾气耗散热量占总热量的比例和干燥机热效率的变化进行了分析，结果见图7和图8。由图7和图8可以看出，流化床干燥机尾气耗散的热量占比随加热蒸汽压力的升高而减少，热效率随加热蒸汽的升高而提高。回转干燥机尾气耗散的热量占比和热效率基本为定值，不随加热蒸汽压力的变化而改变。蒸汽压力从0.4 MPa（G）升高蒸汽单耗/（kg/t）12011010090807060504010进料温度/回转蒸汽单耗流化床蒸汽单耗图4不同进料温度的蒸汽单耗Fig.4Steam consumption at different feed temperatures2030405060708090图5不同蒸汽压力下的产能Fig.5Capacity at different steam pressures图6不同蒸汽压力下的蒸汽单耗Fig.6Steam consumption at different steam pressures52到1.6 MPa（G），回转干燥机尾气耗散的热量约为总热量的6.8%，热效率约为88.5%，几乎保持不变；流化床干燥机尾气耗散的热量从41.6%降低至31.1%，热效率从52.7%升高至62.3%，均有显著改变。干燥机利用的热量主要来自蒸汽的潜热。饱和蒸汽在不同压力下的潜热有差异，压力越高，潜热越少，不同蒸汽压力下的潜热详见表2。因此，在相同热负荷下，蒸汽压力越高，所需蒸汽量越大。根据表 2，蒸汽压力从 0.4 MPa（G）升高到1.6 MPa（G），蒸汽潜热减少 8.8%。由此可以解释图2中蒸汽单耗的变化规律。回转干燥机的热效率不随加热蒸汽压力而变化，在不同的加热蒸汽压力下，单位重量物料干燥所需的热量保持不变。但是，蒸汽的潜热随蒸汽压力的升高而减少。所以回转干燥机的蒸汽单耗随加热蒸汽压力的升高而增加。随着加热蒸汽压力升高，流化床干燥机的热效率提高，单位重量物料干燥所需的热量减少，其热效率提高的速率超过了蒸汽潜热减少的速率。因此，流化床干燥机的蒸汽单耗随加热蒸汽压力的升高而减少。在不同的加热蒸汽压力下，换热元件和干燥风的热负荷均有所不同，空气预热器和换热管的供热份额也会发生变化。根据模拟结果，其变化规律见图9和图10。从图9和图10可以看出，随着蒸汽压力增加，流化床干燥机预热器供热量占比减少，换热管供热量1.6蒸汽压力/MPa（G）回转尾气耗散热量流化床尾气耗散热量尾气耗散热量/%4035302520151051.41.21.00.80.60.4图7不同蒸汽压力下的尾气耗散热量Fig.7Exhaust heat dissipation at different steam pressures1.6蒸汽压力/MPa（G）回转热效率流化床热效率热效率/%9085807570656055501.41.21.00.80.60.4图8不同蒸汽压力下的热效率Fig.8Thermal efficiency at different steam pressures表2不同蒸汽压力的温度和潜热Tab.2Temperature and latent heat of different steam pressures序号12345678910111213蒸汽压力/MPa（G）0.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6蒸汽温度/151.84158.83164.95170.41175.36179.89184.07187.96191.61195.05198.30201.38204.31蒸汽潜热/（kJ/kg）2 107.922 085.642 065.432 047.282 030.322 014.441 998.551 994.271 971.731 958.761 946.291 934.271 922.64张海滨，等：干燥机非稳态运行模拟分析定量分析1.6蒸汽压力/MPa（G）回转预热器供热流化床预热器供热空气预热器供热占比/%6050403020101.41.21.00.80.60.4图9不同蒸汽压力下预热器供热占比Fig.9Heating ratio of preheater at different steam pressure1.6蒸汽压力/MPa（G）回转换热管供热流化床换热管供热换热管供热占比/%9080706050401.41.21.00.80.60.4图10不同蒸汽压力下换热管供热占比Fig.10Heating ratio of heat exchanger at different steam pressure53盐科学与化工第53卷第5期2024年5月1.6蒸汽压力/MPa（G）回转干燥尾气量流化床干燥尾气量干燥尾气量/（kg/h）35 00030 00025 00020 00015 00010 0005 0001.41.21.00.80.60.4占比增加。与之相反，回转干燥机预热器供热量占比增加，换热管供热量占比减少。蒸汽压力从0.4 MPa（G）升高到1.6 MPa（G），流化床干燥机预热器供热量由 55.9%减少至 52.4%，换热管供热量由44.1%增加至 47.6%；回转干燥机预热器供热量由11.1%增加至16.1%，换热管供热量由88.9%减少至83.9%。为了解释以上结果出现的原因，在模拟结果中找出了两种干燥机尾气量随加热蒸汽变化的情况，结果见图11。从图11可以看出，流化床干燥机的风量基本为定值，不随蒸汽压力变化而变化。蒸汽压力改变后，可同时提高换热管部分的换热温差和热风的进风温度，使换热管部分的热负荷和热风的供热负荷都增大。蒸汽压力增加后，热风供热负荷的增加速率低于换热管热负荷的增加速率。因此，预热器供热量占比减少，换热管供热量占比增加。回转干燥机则不同，其干燥风量随携湿量需求而变化，可随着蒸汽压力的增加而增大。加热蒸汽压力增加后，其干燥风量和进风温度同时增加，使热风供热负荷的增加速率高于换热管热负荷的增加速率。所以其预热器供热量占比增加，换热管供热量占比减少。3小结通过模拟计算，分析了蒸汽回转和流化床干燥机非稳态状况下的运行规律，得到了以下结论。1）进料含水率从2%升高至4%，回转干燥机的产能降低39%、蒸汽单耗增加63%；流化床干燥机的产能降低43%、蒸汽单耗增加75%。说明干燥机的产能和能耗受进料含水率的影响较大，且流化床对进料含水率的敏感性高于回转干燥机。2）进料温度从15升高至75，回转干燥机的产能增加67%、蒸汽单耗减少45%；流化床干燥机产能增加97%，蒸汽单耗减少57%。说明干燥机的产能和能耗受进料温度的影响较大，且流化床对进料温度的敏感性高于回转干燥机。3）加热蒸汽压力从0.4MPa（G）升高到1.6MPa（G），回转干燥机的产能提升77%、蒸汽单耗增加9.5%、热效率保持 88.5%不变；流化床干燥机产能提升74%、蒸汽单耗减少 7.2%、热效率从 52.7%升高至62.3%。该结果说明干燥机产能受加热蒸汽压力的影响较大。回转干燥机热效率较高，不受蒸汽压力影响，但蒸汽压力的提高可显著提高流化床的热效率。参考文献1金国淼.化工设计设计全书干燥设备 M.北京：化学工业出版社，2002.2于才渊，王宝和，王喜忠.干燥装置设计手册 M.北京：化学工业出版社，2005.3中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册（第四版）M.北京：化学工业出版社.2012.4吴静，王宏耀，李选友.PTA干燥工艺的研究和干燥设备的试制J.通用机械，2006（6）：34-35.5吴静，王宏耀，李选友，等.间接换热式列管回转干燥机换热系数的确定及研究 J.山东科学，2007，20（4）：65-68.6彭丽华，邢召良.氯化钾内加热流化床干燥机理及工艺计算 J.盐业与化工，2012，41（6）：9-11.7张海滨，张庆磊，李慧燕，等.精制盐回转干燥工艺能耗分析 J.盐科学与化工，2022，51（5）：32-35.（编辑：丁捷）图11不同蒸汽压力下的干燥尾气量Fig.11Dry exhaust flow at different steam pressures2024年第31个“全国防治碘乏病日”活动主题：食盐加碘防疾病平衡营养健康行54