生物行业热风干燥设备的尾气热能利用研究

陈林书 

（扬州日发干燥工程有限公司，江苏 仪征 211408）

        摘要：对生物发酵行业中热能消耗大的环节，即热风干燥类生产线进行热能利用率分析，可知喷雾类设备是28%～39%蒸发1 吨水消耗蒸汽约2.7～3.9 吨；流化床类设备是49％～53%单位耗汽约1.98～2.24 吨；内换热流化床是65％～70%单位耗汽约1.49～1.68 吨。研究采用直管翅片式尾气换热，可使喷雾类设备单位耗汽降到2.1～2.8 吨，节省蒸汽约22％～28%；使流化床类设备单位耗汽降到1.5～1.73 吨，节省约23％～24%；使内换热流化床设备单位耗汽降到1.31～1.47 吨，平均节省12.5%；另外多室流化床类生产线降速和冷却阶段的热尾气可回收利用，可节省蒸汽约5％～15%，提高了热能利用率。

关键词：生物发酵¹；热风干燥²；尾气热利用³；喷雾干燥⁴；流化床⁵；内加热流化床⁶；稳定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

        生物发酵¹工程的应用领域包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等，对资源、环境和人类健康等问题的解决具有重大意义。发酵工程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理），即上游、中游和下游工程。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术，包括固液分离技术、细胞破壁技术、蛋白质纯化技术以及产品的干燥、包装处理技术。干燥之前的物料普遍具有含水量大、热敏、黏稠、挥发及染菌等显著特征。目前广泛采用的干燥设备有喷雾⁴、流化技术等热风类干燥设备²和真空干燥设备，年产千吨级以上时通常采用热风类干燥设备，这类设备能耗大、产品质量不易控制、作业过程有起火爆炸风险、尾气环保压力大。生物发酵过程的节能减排、清洁生产和资源化利用在国家“十一五”和“十二五”规划中均被列为技术进步的重要领域。

        据统计，热风干燥类设备²，每蒸发1 吨水通常需要蒸汽1.5～3.9 吨、电能120～350 千瓦·时，对于年处理量上万吨、百万吨级的企业来说，能耗是巨大的。以年蒸发10万 吨水、消耗20万吨 蒸汽为例，如采用合理可行的节能减排技术来节省10%计算，就是2万吨汽，每吨汽100 元计是200万元，节省25%就是500万元（蒸发100万吨水时仅蒸汽可节省5000万元），而喷雾类设备⁴热能利用率才28%～39%、流化床⁵类设备热能利用率才49％～53%，内加热流化床⁶才65％～70%，均具有不少提升空间，这对于整体国民经济的意义十分重要。这类热风干燥设备的排气含粉尘量在5～50 mg/m³、热尾气具有含水率大（相对湿度常在15％～70%）、温度低（通常在50～100 ℃），导致尾气热能利用难度大、并经常会不稳定⁷、超出现有环保排放标准和有异味的不良特性，需要额外装置造价和运行费用非常大的环保装置。喷雾流化床造粒⁶特别适合L-赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、尿素、复合肥等行业中的发酵液、尾液调配料的喷雾干燥造粒、喷雾干燥结晶，大型连续流化床⁸在各行各业中目前广泛应用。

1  常用热风干燥形式热能利用率分析

1.1 喷雾类热风干燥的常用形式和热能利用率分析

      喷雾类干燥的特点是料液雾化成小液滴与热风瞬间接触干燥，时间在20-50秒之间，需要的干燥空间比较大、热损失大，对更严格的成品含水率和合适的成品温度难直接实现，此时在塔底可以配置上二级干燥、冷却，塔底干燥量比例通常小于1%，设计操作难度加大。具体常用工艺方框流程图如图1。

       每种物料的成品含水率都会有标准要求，成品含水率越低，喷雾塔的尾气排风温度需要越高，从而导致热损失越大、尾气带出的热量越多，综合热能利用率越低。

对于热敏性物料，进风温度和排风温度都会有上限要求，此时除了增加装置设计、操作难度，自然的热能利用率也会大大下降。

从这可以看出热能利用率提高有两个途径：增加保温降低塔体散热，但有时壳体为了防粘壁是不适合过度保温的；塔体散热利用，需要增加厂房封闭装置，带来投资的增高；尾气热能利用，其用于增高进风温度，以下主要对尾气热能利用方式和数据进行分析。

1.2 流化床类热风干燥的常用形式和热能利用率分析

      流化床类干燥的特点是在干燥器内热风穿透物料层（通常在300-3000mm之间），热质交换效率高，干燥时间从数秒到数小时均可实现，干燥空间只有喷雾类设备的20-50分之一，可以设计成多室流化床，适用于干燥的不同阶段：匀速阶段、降速阶度、冷却阶段。具体常用工艺方框流程图如图2。

举例分析不带内换热器的流化床，98%赖氨酸盐酸盐烘干如下：

2  热风干燥类装置可采用的热能利用方式

2.1装置本身散热的采集利用

      喷塔因为比表面积比较大，塔体散热占到了热风进排风温度差的25%～37%，条件允许时进行利用，效益比较可观；流化床类设备，因为床体本身经过保温之后，散热通常只占到热风进排风温度差的2%～5%，因为设备体积不大，也可以进行利用，让采风经过主机区，最终送到系统鼓风机进口。这两者和包括蒸汽冷凝水的利用均为常用技术方案。

2.2降速干燥阶段、物料冷却阶段的热量利用

      喷雾类设备降速干燥阶段通常在塔体内已经一步完成，就算存在二级干燥时，因为风量比较小，正常会合并到总引风管内，不进行利用。

      流化床类设备当分成多室结构时，在恒速干燥阶段通常完成了95%以上的干燥量，那么降速干燥阶段的排气含水率比较小、但温度比较高、进风140 ℃可达到110 ℃，物料冷却阶段通常会配置除湿机、进风口含水量特别低、排风通常温度在40 ℃左右，这两种室的排风完全可以直接经过风管道、通入恒速干燥室进行利用，根据总体所占风量比例不等，约可节省总热量供应5%～15%。

2.3系统排风带出的热量利用

3  热风干燥类装置可采用的热能利用方式

3.1板式换热器

       板式空气预热器多用1.5～4 mm的波浪形的薄钢板制成，将钢板焊接成成长方形的盒子，将若干盒子拼成一组，热尾气从盒子内通过，每个盒子外 侧构成外通道，换热器内若干盒外通道构成新鲜空气通道，为了提高换热系数，通常板上加工成若干半圆形的凹凸，热尾气与新鲜空气通常呈十字交叉方式进行间接换热和交互传递能量，因为薄钢板为波浪形和凹凸面，从而获得较好的传热效率，但同时因为气体多次折流原因，也造成气体通过阻力过大的缺点，并且板式空气预热器由于耗用刚材较多、结构不紧凑、焊缝多且易渗漏，现在很少采用；适用于尾气温度达到200 ℃以上，因为翅片容易氧化和腐蚀时，才会优先使用板式换热器。

       以在70赖氨酸硫酸盐造粒机上应用举例：在造粒机排风量为100 000 kg/h、新鲜风量为90 000 kg/h时，造价100万的板式换热器，热尾气从90 ℃降到70 ℃，新鲜空气从23 ℃升到55 ℃，热尾气通道气体阻力差为800 Pa，新鲜空气通道阻力差为750Pa，阻力差过大，节省的蒸汽价值相当一部份抵消了风机电能的消耗，并对原系统运行造成了很大干扰，而且因为波浪凹凸面的存在，造成两种气体通道的清理和清洗不方便。

3.2管式换热器

      管式空气预热器的主要传热部件是薄壁钢管。管式空气预热器多呈立方形，钢管彼此之间垂直交错排列，两端焊接在上下管板上。管式空气预热器在管箱内装有中间管板，烟气顺着钢管上下通过预热器，空气则横向通过预热器，完成热量传导。

      管式空气预热器的优点是密封性好、传热效率高、易于制造和加工，因此多应用在电站锅炉和工业锅炉中。管式空气预热器的缺点是体积大，造价高。

3.3相变式热管换热器

      相变换热器是在多根并联或相对独立的密闭管构件内利用相变介质汽化-液化交替潜热传递热量，相变下段的液态工质吸收热量汽化为饱和蒸汽，蒸汽在一定的压差下上升到相变上段，放出热量，然后凝结成液体，饱和液体经汽水分离器或沿管壁回到相变下段，并再次汽化，往复循环，完成了把热量从高端向低端的单向导热，因为管内都是汽化-液化，所以换热系数比较高，但存在两级换热才能达到目的、此时的换热系数已经降低一半、换热面积要求大了一倍，为了更高的换热面积，通常在列管外表设计有翅片。

      热管内随时间延长会产生不凝气体导致整体换热效率下降，热管会逐渐老化以至失效，工作时热尾气的温度不适合过低以避免产生酸露腐蚀，一旦产生结露性灰垢，即使增加吹灰器或冲洗装置，也很难处理，除非进行拆除，所以维护成本大。

      相变介质使用水时100 ℃时，无法使用在生物发酵行业的热风干燥类设备（因为热尾气温度通常小于100 ℃），只能使用在锅炉类应用场合时比较适合（热尾气温度高几百度、并且含水率比较低、粉尘基本无粘性），目前研发出的低沸点介质通常在40～45 ℃范围，当热尾气温度达到此范围时，作用将会为零，这就决定了热尾气在环境温度30 ℃以上时，作用也会非常小、加上相对高的造价，导致其应用前景有限。

      相变式热管式换热器，湿热含粉尘尾气通道走的也是翅片区域，翅片区域换热时相对湿度会大大提高、基至达到饱和状态，生物发酵行业的物料临界吸湿相对湿度在20%～40%范围比较多，产生的冷凝水和吸附的粉尘会粘附在翅片上，会造成清洗不便、无法清洗、换热效率大大下降、无法长期使用的结果，要避免此现象，就要对湿热尾气的含粉率和清洗操作作出严格的要求，但在生物发酵行业是很难实现的。

3.4回转式换热器

      回转式空气预热器是再生式空气预热器常见的形式，它是利用烟气和空气交替地通过金属受热面来加热空气，以转子回转式空气预热器举例，转子式受热面，它被分为许多仓格，里面装有蓄热板，蓄热板吸收燃气热量并蓄积起来，等到转至空气那面，再将袭击的热量释放给空气，自身温度降低，受热面不断旋转，热量便会不断从烟气传送给空气，空气得到加热，烟气冷却，这是回转式空气预热器的工作原理。

      回转式空气预热器的主要优点是体积小、重量轻、传热元件允许有较大磨损，因此特别适合大型锅炉使用，缺点是结构复杂，且消耗电力，漏风量较大（漏风会导致湿热含粉尘尾气中的水和粉尘进入新鲜空气中，从而不适合生物发酵行业的热风干燥系统）。

3.5直管翅片式换热器

      此种形式是在管式换热器、相变式换热器基础上进行结合、改进，每根管上加工成翅片形式，每米管的换热面积可加大8～15倍，虽然换热系数会下降到1/3～1/5，但换热器的总体积可以缩小到1/2～1/5，对于投资而言具备更好经济性。

       经大生产投用，额外的优点是在使用时，因为单位管面积上的换热器比管式换热器提高了2～5 倍，因在生物发酵行业干燥时会蒸发大量的水份，热尾气的相对湿度通常在15%～70%之间，经过降温后，整体尾气平均值就算没有达到饱和温度，但在管内壁处经常具备了湿空气饱和条件，管内壁上在夏天也会出现水汽的冷凝现象，从而大大提高换热系数（起到相变的原理），新鲜空气随着季节温度下降，管内壁的冷凝现象越明显，换热效果越好。

4  热风干燥类装置使用直管翅片式换热器应用数据分析

4.1喷雾类热风干燥

4.2流化床类热风干燥

4.3带内换热器的流化床类热风干燥

5  结  论

       针对对生物发酵行业中热能耗用比较大的环节，通过多种可行方式、特别是直管式翅片换热器的技术应用，可以大大提高总热能利用率，产生较好的社会和经济效益，在进风120～160 ℃时，喷雾类设备热能利用率可从28%～39%、蒸发1吨水单位耗蒸汽2.7～3.9 吨，单位耗汽降到2.1～2.8 吨、节省22%～28%、热能利用率提高到40%～50%以上；流化床类设备热能利用率49%～53%、单位耗汽1.98～2.24 吨，单位耗汽降到1.5～1.73 吨，节省23%～24%，热能利用率提高到63%～67%以上；内换热流化床热能利用率65%～70%，单位耗汽由1.49～1.68 吨，降到1.31～1.47 吨，平均节省12.5%，热能利用率提高到74%～80%；另外流化床类生产线降速和冷却阶段的热风可回用，可节省热能5%～15%以上，使流化床类设备综合节能28%～40%、内加热流化床综合节省17.5%～27.5%。结合东北地区冬天天气较冷原因，在环境温度－30 ℃，尾气高于30 ℃时就可实现蒸汽换热器内大于零度、防止冻坏的效果；进出风通道阻力差低，只有50～300 Pa，低于板式换热器；充分利用了尾气中的水份冷凝释放出的潜热；区别于造价高昂的其余热能利用技术，让尾气换热技术可成为所有热风干燥设备的参考技术、具有了更高的性价比可能性和巨大的社会经济效益；因为换热后尾气温度降低、含水下降，也间接的降低了后续环保投资和压力。在各种技术分工、发展迅速的今天，单一技术已不能适应需求，综合各种技术、针对性的开发，专有工艺包是以后的发展方向，热能利用率继续提高是符合社会和经济意义的。

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