于国庆，宋 超，张龙龙 (青岛德固特节能装备股份有限公司，青岛 胶州 266300)
摘 要：炭黑干燥是炭黑生产中必不可少的一环。本文主要介绍间接换热式干燥机，首先对间接换热式干燥机的结
构进行数值模拟分析，分析干燥机转筒内抄板和外销钉对换热的影响。其次分析间接干燥机的优点：降低干燥机筒体内
部和排气袋滤器的腐蚀;保证干燥后的炭黑清洁度，提高了成品炭黑的品质;降低脱硫脱硝的成本。最后提出两种间接干
燥机的节能模型，弥补间接干燥机尾气燃烧量大，排烟温度高的缺点。
关键词：炭黑;间接干燥机;结构分析;节能模型
1 前 言
转筒干燥机是一类广泛应用于冶金、建材、化 工等领域的大型回转干燥设备。其优点是，生产 能力大，可连续操作;结构简单，操作方便;故障
少，维修费用低;适用范围广，流体阻力小;操作 弹性大，干燥物料可以有较大的波动范围，不会影 响产品质量;清扫容易。其缺点是，设备庞大;安
装、拆卸困难;热损失较大，热效率低[1]。
目前转筒干燥机按照物料和载热体的接触方 式主要分为三种，即直接换热式干燥机、间接换热 式干燥机和混合式干燥机[2]。国内炭黑行业大多数
采用混合换热式干燥机，原理是尾气燃烧炉产生 的高温燃余气先进入干燥机火箱，然后通过滚筒 上的烟气采集口进入干燥机滚筒内部直接与湿炭
黑接触，对炭黑进行直接接触干燥。混合干燥机 的介质流动方式如图1所示。这种干燥方式，能够 减少炭黑尾气的消耗。但由于炭黑生产工艺与炭
黑特性的原因，采用混合换热式干燥机会增加干 燥机筒体和抄板的腐蚀;干燥后的燃余气中水分 高达50%以上，并且温度较低，在废气袋滤器出口 的 SCR
脱硝效率低;同时由于燃余气直接与炭黑 接触，其中会有杂质污染炭黑，造成炭黑清洁度降 低。因此，国外许多炭黑厂采用间接换热式干燥
机，其原理是尾气燃烧炉产生的高温燃余气直接 对干燥机滚筒进行烘烤，只进行外部干燥，实现对 湿法造粒炭黑干燥的过程。燃余气体不进入干燥
机滚筒内部，直接从火箱上部排出。间接换热式 干燥机介质流动方式如图 2 所示。
2 结构分析
间接干燥机系统如图3所示，间接干燥机主要 由转筒和火箱两部分组成。火箱为烟气提供通道 并起到保温作用;烟气通过转筒传递热量给物料
进行干燥。其中最主要的部分为内部转筒，转筒 的结构直接影响换热的效率。为了提高换热效率， 通常在转筒上增加抄板和销钉等结构。抄板固定
在转筒内部，在转筒转动时可以将物料扬起，使得 换热更加均匀;销钉布置于转筒外部，增加高温烟 气与转筒的接触面积，如图4所示。因此本节主要
研究转筒的结构对换热的影响。
为了研究转筒结构对换热效果的影响，主要 利用数值模拟进行定性分析，对结构进行分析。由 于间接干燥机的设备比较复杂，整机尺寸与零部
件(销钉、抄板等)差异大，很难进行整机模拟， 因此进行分块研究，主要对抄板和销钉分别进行 模拟。
2.1 抄板结构和性能研究
物料在滚筒内部的运动主要分为两个方面， 其一是沿着转筒轴向的物料输运过程，其二是物 料在转筒径向截面上的转动过程。物料在转筒径
向截面上的转动过程主要由抄板进行推动，抄板 均匀布置在转筒内壁。布置于间接干燥器转筒内 壁上的抄板在换热方面主要有两个作用，第一，将
物料扬起，使得换热更加均匀;第二，抄板做为换 热结构增加了物料与筒壁的接触面积。在物料运 动方面，抄板能够防止颗粒固结，推动颗粒的运
动。根据抄板的上述功能，可以将抄板简化成为 带有内热源的炭黑颗粒干燥问题。
间接干燥机选用的抄板为直板型和两段型抄 板。主要对抄板的运行状态和传热状态进行分析。 采用离散元单元计算软件EDEM进行计算，通过网
络上来源的API，可以添加炭黑颗粒与壁面的换热 条件，可以同时进行炭黑粒子运动轨迹的计算和 温度变化的计算。计算过程中采用的计算参数如 表 1 所示。
对于两段型抄板，如图 5 所示其板宽度为 100mm，两段板长分别为 100 mm，200mm，其夹 角为 120°，沿圆周切向共布置 18
个抄板。对于直 板型抄板，如图6所示，采用一段式直板，长度为 100mm，在同一圆周上共布置 48 个。
炭黑颗粒从转筒的中心进入，垂直下落。随 着转筒的转动，颗粒被抄板带动，并且带到高处洒 落，其运动过程如图7和图8所示。从图中可以发
现，随着滚筒的滚动，抄板带动炭黑颗粒进行转 动，同时到一定的角度依次洒出，形成一种类似于 瀑布的颗粒流。在滚筒的匀速运动过程中，颗粒
与抄板之间的运动过程是一个稳态过程。同时， 由于添加了筒壁与颗粒之间的换热，可以发现随 着时间的发展，颗粒是不断升温的。
通过两种不同抄板中炭黑颗粒运动形态图可 以得出：抄板将炭黑颗粒带动到高处进行散落，洒 落从一定角度开始，到截止角结束，各块抄板之间
的工作状态相对独立，但是两段型抄板洒落角和 截止角都要大于直板型抄板;在运动过程中炭黑 颗粒温度不断升高，与筒壁之间发生换热。
对比两种不同形态的抄板布置方式，定义颗 粒的平均温度，可以得到平均温度随时间变化曲 线图如图 9 和图 10 所示。
从图中可以发现，两段式抄板的温升要快于 直板式抄板的温升，其中在相同的时间下，两段式 温升在10度左右，而直板式温升在4度左右。这是
由于两段型抄板中截止角大，炭黑跟随滚筒运动 相对时间较长，因此，两段型抄板具有更好的换热性能。但是为了减少炭黑干燥后期炭黑颗粒的破
碎，需要在干燥后期增加直板式抄板来减小颗粒 的洒落角和截止角。
2.2 销钉的布置和流场分析
间接干燥机中，销钉分布在转筒的外部，主要 作用是增加换热面积和增加烟气湍流强度，增强 换热。我们利用场协同理论来分析外销钉对换热
的影响。场协同认为温度场和速度场的协调可以 增强换热量。
公式(1)为能量守恒方程，等号左侧第一项 为随体导数项，第二项为对流项，等号右边第一项 为导热项，第二项为内热源项。通过对于方程的
分析可以知道，内热源项会使温度分布呈现出抛 物线状，而内热源的增大有利于增强导热。而过 增元老师高屋建瓴的指出，对流项在某种程度上
可以看作一种内热源，而其值的大小取决于速度 场和温度梯度场的夹角。当速度场的方向和温度 梯度场的方向一致时，换热不仅通过热传导进行，
而且可以通过流体的流动进行。通过分析可知， 流体的流动(对流换热)是一种更加有效的换热方 式。我们定义一个因子来表示速度场与温度梯度 场的协同程度，因子
φ。其中 φ 的表达式如公式 2所示。场协同因子实际上代表着单位体积里速度 场与温度梯度场的协同程度。所以涡旋的形成有 利于热量的传递。
通过fluent软件对转筒带销钉进行流场分析。 为了减少计算量，建立模型中减少了销钉的排数 和每一圈销钉的个数。在计算中只计算两排销钉 (每排 18
个)对于转筒的流场中的影响。设置转 筒转动角速度为1rad/s，其在销钉截面处温度分布 如图 11 所示，速度分布如图 12 所示。
由图 11 可以看出，温度场在销钉处呈现随销 钉转动的形态，在销钉周围形成较大的扰动区，根
据场协同理论，转动使得流场复杂度增加，其换热图11.12能力也在增加;通过对于销钉附近的速度场进行 分析，如图12所示，可以明显的发现，由于转筒的
转动销钉使得火箱间隙中的气体形成了涡旋。在 销钉前进路线上，由于销钉的挤压导致前方气体 压力增加，后方气体的压力减小，而上层空气的压
力基本保持不变，所以形成了上下的对流。涡旋 增加了转筒的换热能力。
最后模拟转筒是否带销钉和角速度的不同对 换热量的影响，结果如图13所示。由图13中可以 发现， “△”标志的不带销钉的圆筒，其系统的
换热量与转动角速度呈线性关系，并且直线通过 静止点;而“*”标志的带销钉的圆筒来说，其系
统换热量随角速度的变化的线性直线不经过静止点，这意味着对于有销钉的圆筒来说，是否转动对 于系统换热量有着本质的差异。转动会使得换热
量有极大的提升。而转动之后的规律都是相似的， 其换热量总是与系统的角速度成线性关系。因此 可以得出增加销钉结构，能够提高干燥机的换热 能力。
3 间接干燥机的优点
3.1 间接干燥机出口烟气处理费用低
国家对烟气排放有严格要求，炭黑行业也不 例外。干燥机出口的烟气必须进行脱硫脱硝处理 才能外排。常规混合式式干燥机，燃余气(烟气)
和炭黑析出气混合，然后通过排气袋虑器过滤后， 进入脱硫脱硝系统。混合气中含水量高达 50% 以 上且温度较低约为200℃。这样造成SCR脱硝效率
低，由于混合气量大，在脱硫过程中，相应的喷水 量又会增加。
间接换热式干燥机，烟气与炭黑析出气并未 混合，因此出口烟气含水量仅为27%左右，烟气温 度约为400~500℃左右。烟气温度在SCR脱硝工艺
最佳温度区间，脱硝效率高。由于烟气量相对较 小，相应的脱硫喷水量相应减少。因此，采用间接 换热式干燥机后，相应的脱硫脱硝运行成本低。
湿炭黑中的水未进入到烟气中，烟气总气量 少，脱硫设备、引风机等设备的规格尺寸可以相应 减小，设备运行所耗电量、原料量都减少，总运行
费用大大降低。
3.2 间接干燥机内部腐蚀小，干燥后炭黑清洁 度高
间接干燥机烟气不进入转筒内部，转筒内部 主要以水蒸气为主，酸性气体含量较少，因此转筒 内部的腐蚀大大降低，干燥机使用寿命增加。同
时，烟气未与湿炭黑析出的水蒸气混合，烟气酸露 点提高，降低对火箱和转筒外部壳体销钉的酸腐 蚀。间接换热也可以有效地避免炭黑对烟气中硫
的吸附，保证炭黑的清洁度，使炭黑的物理性能更 加优良。
3.3 排气袋滤器箱体和滤袋寿命长
湿炭黑中析出气大部分是水蒸气，含有少量 酸性气体，对排气袋滤器腐蚀较小，排气袋滤器箱 体和滤袋的使用寿命提高。湿炭黑析出气不与烟
气混合，因此进入排气袋滤器中的总气量少，所用 滤袋面积也相应减少，降低了设备初期投资。
4 间接换热式干燥机的节能模型
间接换热式干燥机排烟温度较高，直接排放 浪费能源。干燥机出口未加任何热量回收设备时， 间接换热式干燥机相比于混合换热式干燥机换热
效率低，尾气燃烧量相比于混合干燥机多消耗 30%。因此本文提出两种间接换热式干燥机的节能 模型，如图 14 和图 15 所示，回收烟气热量，减少
能量浪费。
节能模型1：设计尾气量为10000Nm3 /h，干燥 机日处理量为110t，干燥机出口烟气经过SCR脱硝 后进入余热锅炉，余热锅炉收集烟气热量，使得烟
气温度由 500℃降低为 220℃，产生饱和蒸汽。
节能模型 2：炭黑处理量与模型 1 相同，但是 利用尾气预热器和空气预热器回收烟气热量，将 尾气和燃烧空气进行预热，减少尾气消耗量;增加
烟气再循环降低 NOx 的产生。具体参数见图 15。
两种节能模型，弥补排烟气温度高的缺点，回 收热量，节能减排。
5 总 结
本文对间接换热式干燥机进行结构分析，数 值模拟。对于干燥机转筒内部两种抄板，两段型 抄板换热能力强，直板型抄板能够减少干燥后期
炭黑颗粒的破碎。转筒外增加销钉能够增强流场 的扰动并且提高换热能力。间接换热式干燥机具有烟气处理费用低、干燥机转筒内部腐蚀小、炭黑
清洁度高和排气袋滤器箱体和滤袋寿命长的优 点。同时为了弥补间接干燥机的尾气燃烧量大， 排烟温度高的缺点，本文提出了增加余热锅炉或
空气预热器和尾气预热器的回收烟气热量的节能 方案。
综上所述，间接换热式干燥机具有很强的市 场竞争力与良好的应用前景。
参考文献
[1] 黄志刚, 毛志怀. 转筒干燥器的现状及发展趋势[J]. 食 品科学, 2003(08):168-170.
[2] 贺华波, 李红林, 刘军, et al. 新型间接式干燥机的开发 研究[J]. 机械, 2004, 31(1):44-46
