过热蒸汽冲击干燥技术

• 纸张干燥 •

过热蒸汽冲击干燥技术

侯顺利

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

摘　要：介绍了过热蒸汽冲击干燥的原理、特点及其对纸张性能的影响。过热蒸汽冲击干燥是一种还处于实验室研究阶段的新型纸张干燥方法，它的干燥速度高，节能潜力显著，发展前景看好。关键字：逆转点；蒸汽干燥；过热蒸汽；冲击干燥

中图分类号：TS755　　　文献标识码：A 　　　文章编号：0254-508X(2008)03-0062-04

作者简介：侯顺利先生，副教授；主要从事制浆造纸设备方面的研究。

Superheated Steam Impingement Drying Technology

HOU Shun-li

（Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi Province,710021）

(E-mail:[email protected])

Abstract: Superheated steam impingement drying is a new drying method, its principle, features and effect on the paper quality are presented. This new drying method is prospective due to its high drying rate and energy saving potential. Key words: inversion point; steam drying; superheated steam; impingement drying; paper drying

过热蒸汽干燥技术是一种新兴的节能干燥方法。目前，过热蒸汽干燥已经应用于木材、纺织品、饲料加工、纸浆模塑、商品浆的工业化干燥。20世纪50年代出现了第1个将过热蒸汽干燥技术应用于纸张干燥的专利，20世纪80年代国外开始对这方面进行比较深入的理论和实验研究，但至今还没有在纸张干燥方面的实际应用[1]。

1　过热蒸汽冲击干燥的基本原理1.1　传统空气冲击干燥的原理与过程

空气冲击干燥，就是常说的热风冲击干燥或冲击干燥。空气冲击干燥就是将高温空气通过喷嘴以极高的速度喷到纸张的表面，高速气流对纸张表面产生极大的冲击作用，消除了纸张表面的滞流层，使干燥过程以对流传热为主，具有极高的传热效率和蒸发速度。冲击干燥在生产薄页纸的杨克纸机上应用最早而且最普遍，后来又广泛应用于涂布机。现在冲击干燥已经越来越多地应用到了高速文化纸机和包装纸机上，在这种纸机上应用的冲击干燥分为直接冲击干燥和间接冲击干燥。

直接冲击干燥就是热风直接冲击到纸张的表面，干燥效率高，但引纸操作及损纸处理比较困难。直接

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冲击干燥可以直接冲击上排真空辊外的纸张上表面，也可以直接冲击下排真空辊外的纸张下表面。现在最典型的应用就是在大直径(φ3.6 m)的下排真空辊外吹热风(如图1) ，冲击后的空气及水蒸气大部分被反射回来进入再循环系统，有少部分空气会穿透纸张而进入到真空辊内。

图1　典型的冲击干燥装置

间接冲击干燥就是热风穿过干网间接地冲击到纸张表面上，干网材料的耐热性限制了热风的温度，同时干网还会吸收部分热量，冲击强度也被削弱，因此

收稿日期：2007-0 -17(修改稿)

China Pulp & Paper　

Vol.27, No.3, 2008

干燥效率相对较低。但是，间接冲击干燥不会影响引纸操作及损纸处理，因而布置形式比较灵活，可以对着上排或下排烘缸外的纸张吹热风，同时可以采用较大的冲击包角。

1.2　过热蒸汽冲击干燥基本原理1.2.1　干燥过程

用过热蒸汽代替热风对纸张进行的冲击干燥就是过热蒸汽冲击干燥。与传统干燥相似，过热蒸汽冲击干燥对纸张的干燥过程也分为3个阶段。第1阶段为升速干燥阶段，在干燥速度迅速上升的同时，纸张温度也快速上升到100℃。第2阶段为恒速干燥阶段，纸张的温度维持在100℃。第3阶段为降速阶段，当纸张中的游离水分下降时，纸张温度开始上升，干燥速度快速下降。1.2.2　传递机理

无论是空气、过热蒸汽还是湿空气，当它们作为干燥介质时都是利用不饱和性吸收水分而达到干燥的目的。对于热风、过热蒸汽和湿空气这3种干燥介质的对流干燥来说，在其他条件相同时， 干燥介质的比热越大，对流换热系数越大，干燥介质与被干物料的温度差越大，干燥的温度驱动力(在恒速下即干湿球温度差) 越大，则换热量也越大 [2]。

随着气体组成中蒸汽含量的增加，湿球温度上升，使干燥过程中温度驱动力减弱， 对干燥速度有影响，但影响的程度随温度升高逐渐降低，因为在气体组成中随蒸汽含量增加，尽管干球温度有较大的提高，其湿球温度基本不变化。另一方面混合气体的定压比热随水蒸气的含量上升而迅速上升，达到纯过热蒸汽时，介质的比热约为纯干空气的2倍(实验表明在250℃和150℃时都是如此) 。混合气体的比热随其组分中蒸汽含量增加的这种变化， 弥补了温度驱动力随蒸汽含量逐渐降低的不足 [2]。

过热蒸汽干燥时，由于热气流中只有一种气体(水蒸气) 存在，纸张表面没有空气滞流层，所以水分的移动不是靠蒸汽分压差产生的扩散，而是通过压力差产生的体积流，其传质阻力非常小，对流换热系数增大[3]。

1.2.3　逆转点温度

随着干燥介质喷射温度的升高，干燥速度相应也会升高。实验证明，当温度升高时，过热蒸汽比空气的干燥速度升高得更快。当过热蒸汽和空气这两种介质的干燥速度相同时。此时的温度也称逆转点温度[3]。在逆转点温度以上时，过热蒸汽的干燥速度较高。当过热蒸汽和空气的质量流速相同时，通常逆转点温度

《中国造纸》2008 年第 27 卷第 3 期

图2　空气与过热蒸汽在恒速干燥阶段

的干燥速度

的范围是160~230℃。图2显示了恒速干燥阶段的干燥速度，逆转点温度约为180℃[1]。

对于过热蒸汽和热风这两种性质不同的干燥介质，由于其基本热力学特性的不同，在不同的蒸发温度下会反映出不同的蒸发速率变化规律。恒速干燥阶段，在较低的介质温度下， 热风干燥时物料和介质的温度差比过热蒸汽干燥时大许多，使得在较低温度时，热风的干燥速度比过热蒸汽要快；随着温度的升高，这种温差大的优势明显下降；过热蒸汽的对流换热系数随温度的升高较热风增长得要快，抵偿了温差小的劣势；而蒸发单位水分需用的热量，过热蒸汽比同样条件下的热风所需的热量要小(因为过热蒸汽干燥时， 蒸发温度为水的沸点温度，热风干燥时蒸发温度为湿球温度，干空气的湿球温度比水的沸点温度要低，使水的汽化潜热降低) 。正是这三方面的结合使得逆转点存在[4] 。

1.3　过热蒸汽冲击干燥系统

过热蒸汽冲击干燥可以采用与传统热风冲击干燥类似的装置，由于采用了不同的干燥介质，就需要有不同的气体加热系统和热回收系统。可以采用图1所示的大直径下排真空辊外吹过热蒸汽的冲击干燥装置，也可以在具有密闭汽罩的多缸部的普通烘缸外吹

幅

图3　过热蒸汽冲击干燥系统

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过热蒸汽的方法(详见文献[5])。图3为文献[5]建议的过热蒸汽冲击干燥系统，即在传统大烘缸上增设过热蒸汽穿透罩。这个方案的主要优点是易于与传统干燥部组合，而且在现有机器上使用大直径烘缸可减少过热蒸汽烘缸的数量。在多缸干燥部内，按需要设置过热蒸汽冲击干燥装置的数量。饱和蒸汽在过热器内被燃气间接加热变成过热蒸汽后，进入穿透罩，高速吹向纸张表面进行冲击干燥，尾气经鼓风机加压后再进入过热器加热，如此循环。由于蒸发产生的蒸汽会使系统内的蒸汽总量不断增加，因此必须排出生成的蒸汽以供其他部位使用。相应的主要技术参数为：烘缸直径3600 mm，1个穿透罩送风口，包角230°，喷孔直径5 mm，汽罩与纸张的距离20 mm，开孔率1.5％，过热蒸汽的温度300℃，喷射速率 0 m/s。 2　过热蒸汽冲击干燥的特点与节能效果

作为干燥介质，过热蒸汽与空气相比有许多优势，最主要的优势在于其节能的潜力，如果冲击后的尾汽能够得到充分利用的话，其净能耗或许非常低。它的另一个优势是操作安全，例如不会有着火或爆炸的危险。如果干燥温度超过“逆转温度”，过热蒸汽干燥的速度要高于空气干燥的速度[1]。2.1　过热蒸汽冲击干燥的节能原理

与传统热风冲击干燥相比，过热蒸汽冲击干燥是以水蒸气作为干燥介质，干燥器排出的废气也全部是水蒸气，所以干燥过程中只有一种气态成分存在，因此传质阻力非常小。排出的尾汽温度保持在100℃以上(230~250℃) ，回收比较容易，可利用冷凝、压缩等方法回收尾汽的潜热以便再利用，也可将尾汽直接回用于纸机的其他部位，因而热效率高。

另外，过热蒸汽的密度大约是空气密度的2/3，但过热蒸汽的比热大约是空气的1倍。也就是说，不管是质量相同时，还是体积相同时，总是过热蒸汽比空气的传热量要大，这意味着传递同样的热量时，使用过热蒸汽所消耗的风机功率较小。

目前广泛使用的空气冲击干燥的介质实际上是干空气与水蒸气的混合物，通常含水量为0.05~0.3 kg/kg干空气，相当于体积含量7％~30％，当该混合物的含水量在0.1 kg/kg干空气以下时，其比热与干空气的比热相近。当该混合物的含水量在10 kg/kg干空气以上时，其比热与蒸汽的比热相近。2.2　过热蒸汽冲击干燥的节能效果

表1显示了空气与过热蒸汽都以300℃的喷射温度进行冲击干燥时的详细数据对比[1]。方案1表明，

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当喷射速度均为 0 m/s时，过热蒸汽干燥的风机功率消耗比空气干燥减少了38％。方案2说明当质量流速相同时，使用过热蒸汽的干燥速度比使用空气高26％，但是风机功率消耗增加了2.5倍。方案3表明，当风机功率相同时，过热蒸汽的干燥速度提高了4％。方案4表明，当干燥速度相同时，风机功率消耗节约15％，加热干燥介质的功率节约16％。过热蒸汽干燥节能的潜力随着温度的增加而增加。当然，空气与过热蒸汽的全面对比应该包括尾汽利用在内的整个系统的能量平衡和质量平衡。

表1　当喷射温度为300

℃时空气与过热蒸汽的干燥数据

过热蒸汽

过程参数空气方案1方案2方案3方案4喷射速度/m·s-1 0 0144105100质量流速/kg·s-1122761228 85风机功率/kW [**************]5干燥速度/kg·m-2·h-[**************]6加热功率/kW [1**********]1 1 811 481总输入功率/kW 11 47

27713 61051 10086总功率节约/％-2217-12-16显著差异

风机功率干燥速度干燥速度风机功率-38％

26％

4％

-15％

3　过热蒸汽冲击干燥与烘缸干燥的比较

某试验纸机的干燥部原有φ1.5 m烘缸36只，试验中用2套含有φ3.6 m烘缸和穿透罩的过热蒸汽干燥装置替换其中的5只烘缸，结果产量提高了 ％。该过热蒸汽干燥装置的喷射温度为l60℃，喷射速度为28 m/s。研究表明，在高温和高速下，安装穿透罩的过热蒸汽干燥系统的蒸发率较高。在产量不变的情况下，可节约新鲜蒸汽(锅炉)5％~20％，这是回用尾汽的结果(用于通风气体的预热、蒸汽箱、白水的加热、碎纸机等) [5]。

如果把冲击干燥的尾汽经过净化、压缩后用于其他烘缸中，新鲜蒸汽的消耗及总的能耗成本都会进一

图4　过热蒸汽干燥与烘缸干燥的能耗对比

China Pulp & Paper　Vol.27, No.3, 2008

步下降。图4显示了当烘缸干燥所占的比例不同时，新鲜蒸汽(用于烘缸加热) 、天然气(用于过热蒸汽的加热) 和电能(用于过热蒸汽风机的传动、烘缸传动及运行风机传动) 的消耗情况[1]。

如果把过热蒸汽冲击干燥的尾汽只用于烘缸，那么干燥成本的最低值在50％处(传统烘缸干燥所占比例) ，此时烘缸正好将所有冲击干燥的尾汽用完。如果过热蒸汽干燥份额再高一些，在该例子中由于尾汽的过剩导致干燥成本开始增加。100％的烘缸干燥的能耗是3.6 GJ/t纸，50％的烘缸干燥加50％过热蒸汽干燥的能耗是2.1 GJ/t纸。

4　过热蒸汽冲击干燥对纸张性质的影响

与空气冲击干燥相比，过热蒸汽冲击干燥对纸张性质的改变不大，不如压榨类干燥那样对纸张性质有特别显著的改善。由于较高的纸张温度以及没有氧气的存在，纸张的强度还是有一定的变化。研究表明，其抗张特性超过了空气干燥，且机械浆含量越高，纸张强度改善越显著。增加过热蒸汽温度会增加抗张特性和松厚度。过热蒸汽干燥过程中可控制湿纸温度高于100℃，使纤维中木素和半纤维素软化，可以改善纤维的相互接触、结合强度以及纸张强度。与传统干燥方法相比，可提高含机械浆的纸或纸板的物理强度0~20％[4]。对于热磨机械浆及化学热磨机械浆抄造的纸张，其抗张指数、耐破因子、抗张能量吸收因子及弹性模量增加20％~30％，对于牛皮纸，这些指数约增加10％~15％。伸长率、耐折度及撕裂度没有显著的改善[1]。5　发展前景

通过多次研究实验证明，过热蒸汽冲击干燥用于纸张干燥是完全可行的，而且具有干燥效率高、热能消耗低的特点。要充分发挥过热蒸汽冲击干燥的节能

• 消息 •

优势，必须研究完整的蒸汽热能平衡方案。尾汽的流量等于进入干燥部的过热蒸汽流量加上湿纸张蒸发的蒸汽流量。尾汽回用程度决定着节能的潜力。对尾汽净化后，优先将低压尾汽用于蒸汽箱、吹风箱、加热白水、漂白工段、厂房采暖等。对尾汽经过热泵或蒸汽压缩机增压后可用于烘缸。

过热蒸汽冲击干燥最适用于多缸纸机，最好采用如图1所示的具有大直径真空辊的直接冲击干燥装置，既保证了烘干部具有良好的运行性能，同时又具有较高的干燥效率。车速不是很高时，也可采用图3所示的方案。采用过热蒸汽冲击干燥装置的数量要视尾汽的回用方案而定，使热量整体平衡，才能实现最佳节能效果。从锅炉房来的饱和蒸汽，经过热器提高其温度后转化为过热蒸汽，供冲击干燥装置使用。冲击后的尾汽经过净化、压缩后供蒸汽箱、吹风箱及一部分烘缸等使用。

过热蒸汽冲击干燥可用于纸张涂布后的干燥，尾汽经压缩后供烘缸使用。对于杨克纸机，由于杨克缸中的汽压较高，尾汽回用时的增压成本较高，总体节能效果可能不会十分显著。

参　考　文　献

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CN86102860[P]. 1 86-04-25

(责任编辑：王　岩)

首轮上市公司环保核查结果揭晓

2007年至今，在环保总局已经受理环保核查的上市公司中，曾因发现比较突出的环保问题，需要进行调查或要求其整改，而首轮核查没有通过的（亦称暂缓审核）企业有10家。造纸行业中，山东晨鸣纸业集团未通过首轮环保审核。这些企业的主要问题包括：下属一些企业未严格执行“环评”批复、

《中国造纸》2008 年第 27 卷第 3 期

“三同时”未验收、未按有关规定淘汰落后生产工艺和设备、污染物超标超总量排放、危险废物处置不符合规定、环保治理设施或设施运行不符合相关要求、有群众环境投诉问题等。目前其中8家上市企业已经按照要求完成整改工作，环保总局已经通过其核查，还有两家也已基本完成核查工作。

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