第四节 余热回收技术
烟气余热可以称为二次能源。众所周知，一次能源有煤炭、石油和各类燃气等，它们在工业应用中都会出现各种模式的余热，而在热能领域出现的能源浪费主要来源于排出的大量锅炉尾气。因此，合理使用烟气余热，提高能源利用水平，有很好的经济效益。燃煤锅炉的效率一般在70%左右，在浪费的热量中，烟气热量占绝大部分。通常情况下，谷物干燥机锅炉排出废气的温度在50℃左右，蒸汽、热水锅炉尾部排烟温度在200℃以上，导热油炉尾部排烟温度为280～350℃以上；利用相变技术将这部分热量回收，可用于提高锅炉进水温度、鼓风温度或直接产生蒸汽供生产及生活使用。
一、烟气余热回收的方式
烟气余热回收主要是通过换热将烟气携带的热量转换成可以利用的热量。
1.气-气余热回收器
气-气余热回收器是燃煤、燃气锅炉的专用设备，安装在锅炉烟口或烟道中，将烟气余热回收后加热空气，热风可用作锅炉助燃和干燥物料。其构造为：四周管箱，中间隔板将两侧通道隔开，换热单元是全翅片式热管。工作时，高温烟气从左侧通道向上流动冲刷热管，此时热管吸热，烟气放热温度下降。热管将吸收的热量导至右端，冷空气从右侧通道向下逆向冲刷热管，此时热管放热，空气吸热温度升高。余热回收器出口烟气温度不低于露点。
2.气-液余热回收器
气-液余热回收器也是安装在专用锅炉烟口处，回收烟气余热用于加热生活用水或锅炉补水的设备。烟道和水箱分置安装，烟气流经热管余热回收器烟道冲刷热管下端，热管吸热后将热量导至上端，热管上端放热将水加热。为了防止堵灰和腐蚀，余热回收器出口烟气温度一般控制在露点以上，即燃油、燃煤锅炉排烟温度不小于130℃，燃气锅炉排烟温度不小于100℃，可节约燃料4%～18%。
二、余热回收在干燥领域的应用
烟气余热在大部分干燥方式中都起到了“中流砥柱”的作用，结合烟气余热和干燥形式的供求关系，在粮食干燥领域将会发挥更大的作用。
1.余热回收粮食干燥系统
余热回收粮食干燥系统的组成如图1-32所示。整个系统分两部分，上面为干燥段，下面为冷却段。其中干燥段金属钢板外壳经过防锈处理，其外套有保温集热罩，可以将粮食与外界风进行隔离、保温集热。整机是双层筛网组成，形状是同心圆柱体，粮食在两层筛网板间流动，不能太厚。
图1-32 余热回收粮食干燥系统的组成
①干燥段。当具有一定湿度和粉尘浓度的热风从顶部排出，进入循环除湿滤尘装置中时，热风经过热源调频风机、温度通过智能温控调节装置进行控制，保证热气室温度与实际设定的温度相对应。当热气室内的温度比设定的低时，循环调节装置发出信号至风机，提高转速增大输出风量，热气室高温空气增加，温度升高；反之通过降低风机转速，调节温度。干燥段中间有换向器，可将干燥段上部靠近热风室侧的粮食转到废气室侧，来避免粮食干燥不均匀。
②冷却段。设下端风机，外界风经过下部冷却段预热，粮食得到冷却。预热风又通过风机回到热源，继续利用。
该系统最大优点是冷却段、干燥段的余热都可重复利用，降低了能耗。控制过程：控制部分即温度水分智能测试系统；其主要功能是测量出粮食的温度及水分含量，显示所测量的温度及水分含量。
2.双循环壁温可调式烟气余热回收装置
在我国北方大量使用燃煤锅炉供热来干燥大宗粮食，燃煤锅炉的排烟导致热量损失。传统锅炉的设计中，综合考虑烟气的低温腐蚀和燃煤成本等问题，燃煤锅炉的空气预热器排烟温度一般在140～150℃，对于水分、硫分多的燃料还要选取更高一些的排烟温度。这在过去煤炭价格较低，不强制烟气脱硫的情况下是合理的。但是，由于资源日趋紧张以及用户的燃料费用大幅提高，提高热风炉的效率需求日趋迫切。双循环壁温可调式烟气余热回收装置通过控制换热器的最低壁温高于烟气酸露点的方法来避免受热面发生低温腐蚀，同时根据管内介质传热系数高的特点，利用管外强化传热技术，可将排烟温度有效降至100～110℃。不但最大限度地回收利用了烟气余热，还从根本上解决了低温腐蚀难题。
双循环壁温可调式烟气余热回收装置通过优化设计，将烟气吸热段和放热段有机地构造成一个关联的整体；通过阀门控制装置的调节，控制吸热段的最低壁面温度处于烟气酸露点以上。该装置在热风炉节能改造中，大幅度降低了烟气的排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生可观的经济效益；在降低排烟温度的同时，保持换热器等换热元件的金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，大幅度降低了设备的维护成本；实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使双循环壁温可调式烟气余热回收装置具有相当大的调节能力，适应供热锅炉的燃料品种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定。烟气余热回收原理如图1-33所示。
图1-33 烟气余热回收原理
该装置技术特点如下：
①受热面采用高频焊接螺旋翅片管，翅片结构的作用是使基管在烟气中具有较好的耐磨性。
②采用直列布置，与烟气接触面均匀一致，避免截面烟气流动的不均匀性。
③运行简单，全部采用自动控制，除需调整壁面温度外，无需人员值守。
④维护简便，只需在停炉时检查壁面有无腐蚀，根据检查情况在下个周期调高或降低壁面温度即可。
3.小型余热回收式负压干燥塔
针对粮食干燥机干燥过程中热量散失严重、尾气污染环境的问题，结合寒地粮食恒流干燥工艺，设计并制造出实现余热回收利用、尾气处理排放及回收于一体的负压式干燥塔。本装置重点研究了余热回收过程中热量循环路径设计、尾气处理装置管道布局，确保了干燥流程低能耗、无污染运行，解决了能量散失严重问题。
（1）基本结构
小型余热回收式负压干燥塔如图1-34所示。干燥塔主要由干燥主机体、热源装置（电加热）、气流导流装置、尾气集尘过滤自动排湿装置、尾气导流装置、气流混合装置、机架及保温外壳等组成。固定于地面的机架中间位置安装干燥主机，干燥主机的下方安装排粮仓和排粮辊，干燥主机的左下方外侧安装有进气腔室；干燥主机与进气腔室相通气，粮食干燥加工的尾气能够进入进气腔室。进气腔室内安装有第三气流导向板，进气腔室的左侧安装有尾气回流风机；尾气回流风机的左上方设置有冷热风混流装置，冷热风混流装置的下方设置有热源固定机架，该热源固定机架上固定有加热源；热源固定机架和尾气回流风机之间设置有第一气流导向板，冷热风混流装置的上方设置有热风导流板，该热风导流板固定在导流板支架上；导流板支架下方位于冷热风混流装置的右侧具有通道，该通道的右侧为加热腔室；加热腔室的上方设置保温壳，加热腔室的下方设置有第二气流导向板，加热腔室与干燥主机的左上方相通气。
图1-34 小型余热回收式负压干燥塔
干燥主机的右上方外侧设置有尾气回收主仓体并相通气，干燥主机的右外侧中间位置设置有尾气回收副仓体并相通气；尾气回收主仓体和尾气回收副仓体之间不相通气；尾气回收主仓体的右上方安装有负压轴流风机，负压轴流风机的上方设置有带滤芯的排气管道，带滤芯排气管道的上方设置有湿气排气阀门；尾气回收主仓体的下方设置有灰尘收集仓，位于干燥主机的右下方外侧设置有冷空气进气口并通气。
就冷热风混流装置而言，该装置竖直方向上具有若干个出气口，用于冷空气和热空气混合状态下的出气；出气口下方右侧具有楔形进气口，该楔形进气口用于冷空气向冷热风混流装置内进行横向流入。冷热风混流装置具有两个出气孔。在冷热风混流装置上方安装有风机，在风机的作用下，冷空气从楔形进气口处进入，热空气从出气口下方进入，通过风机混流，形成均匀空气。与现有技术相比，余热回收式负压干燥塔能够实现余热回收利用、尾气处理排放及回收于一体，确保低能耗、无污染运行，解决了能量散失严重问题。
（2）工作过程与原理
余热回收式负压干燥工艺原理如图1-35所示。首先，由电加热器进行空气加热，然后在顶部负压风机的吸引力作用下，主流热风经过导流板和导流罩，均布进入干燥主机，与塔内自上而下流动的粮流进行质热交换，带走粮食中的水分。上层粮食干燥后排出大量尾气并携带杂质，进入尾气处理装置，由于超过一定湿度（40%），经吸附颗粒后通过滤芯排出机外。下层粮食干燥后，载湿尾气的湿度未达到相应湿度且含较高热能，经尾气回收副仓体与热源侧尾气回流风机的联合作用，进入回流气体仓，经过冷热风混流装置与热源加热空气混合，再次进入干燥机主机运行。能够实现整机干燥过程中低能耗、低噪声的绿色运转。
图1-35 余热回收式负压干燥工艺原理
1—机架；2—热源固定机架；3—余热气流导向板；4—尾气回流风机；5—冷热风混流装置；6—气流导向板；7—热风导流板；8—导流板支架；9—保温壳体；10—干燥主机；11—湿气排气阀门；12—带滤芯排气管道；13—负压轴流风机（尾气排放）；14—尾气回收主仓体；15—尾气回收副仓体；16—冷空气进气口；17—灰尘收集仓；18—排粮段；19—排粮辊；20—回流气体仓
4.大型粮食干燥机的余热回收工艺
在绿色、低碳、环保理念的倡导下，粮食干燥机供热热能的高效利用是实现节能环保的必由之路。尤其在寒冷北方地区，粮食干燥作业大部分在冬季，干燥机在具体设计上需要从干燥废气回收利用、热风炉烟气余热回收再利用、设备保温效果、调整烟道走向、设置分层给煤装置等多方面同时入手，才能提升粮食干燥机节能环保的效果。一般连续式粮食干燥机在运行中产生的废气有两种，一种是干燥段尾部废气，另一种是冷却段废气。结合黑龙江八一农垦大学与佳木斯天盛机械科技开发有限公司联合研制的变温连续式干燥机的工艺结构，利用低温干燥废气和冷却段废气进行余热回收利用。为提升回收再利用率，需要对变温粮食干燥机产生的废气温度、湿度等指标进行检测。检测结果表明，低温干燥段尾部排出废气的温度为40～45℃，相对湿度为30%～40%；冷却段排出的气体温度为20～30℃，相对湿度为20%～40%。本研究的废气余热回收再利用方法是将余热再利用处理工艺和预热空气进行助燃工艺结合，将冷却段废气配置回加热炉，提升加热炉的升温速度和热工性能，既能有效满足工艺需求，还具有良好的节能效果。同时，将低温干燥段废气引回热风炉除湿加热后，混合输送至干燥机初始加热烘干段。余热回收干燥工艺如图1-36所示。
图1-36 余热回收干燥工艺
（1）废气回收利用设计
本研究是将低温干燥段低湿度余热废气和冷却段废气分别回收至供热系统。低温干燥段废气引回到热风炉与主换热器之间的空气预热器，与烟气换热器产生的高温气体混合后，由1号风机输送至干燥机顶层加热烘干段。一部分冷却段废气由鼓风机配置回加热炉内进行助燃，提升燃烧室的升温速度和热工性能；另一部分冷却段废气被引入烟桥换热器预热空气，提升换热效率。实践证明：该余热回收工艺既能有效满足工艺需求，还具有良好的节能效果。
（2）热风炉烟气余热回收再利用
连续式粮食干燥机的热风炉烟气带走的热量是整个粮食干燥热量的主要部分。温度测量结果表明，热风炉烟气的温度普遍在120～150℃，而连续式粮食干燥机如果持续工作24h，可释放出（40～45）×104m3烟气。实现对热风炉烟气余热的回收再利用，可大幅度节约煤炭消耗量。因此，在具体设计时，可以在热风炉的引风机和烟道之间设置烟桥换热器，安装位置设在热风炉和换热器顶盖之间，利用回收的烟气余热对进入主换热器的新鲜空气进行预热，并配置小型风机辅助进风。或者采用无底火多风道悬浮式煤粉燃烧装置，可大幅度提升煤粉和空气的接触面积，提升进氧量，促使煤粉充分燃烧，减少对环境的污染，粉尘也可以回收再利用，不会造成大气污染。
（3）改进烟道走向
目前很多粮食干燥机在运行中，烟气除尘主要以沉降法为主。就连续式粮食干燥机而言，需要设置3～5个沉降室才能满足实际需求，烟气需要经过换热器、沉降室、地下烟道才能排放到空气中。为实现节能环保效果，可根据粮食干燥机运行的实际情况，适当增加烟道截面积，确保产生的烟尘能全部沉降，才能在提升除尘效率的同时减少烟尘排放量。如果粮食干燥机附近空间足够大，则还可以调整烟道走向；针对更换换热器的干燥系统，则可适当增加沉降室的深度，可有效提升干燥系统清炉的效率，既能有效保证粮食干燥机运行的连续性，还能提升节能环保效果。
（4）合理设置分层给煤装置
在连续式粮食干燥机中热风炉主要为链条炉排，既能满足燃煤，也能使用生物质燃料。在使用燃煤燃料的过程中要求煤块粒径不能超过40mm，而小于3mm的煤块要超过煤块总量的30%。但在具体应用中，仍然有很多煤粉通过炉排片进入风道中，难以实现充分燃烧。如采用分层给煤装置，则可以有效解决这一问题，通过分层给煤，既能确保较大颗粒的煤块更加贴近炉排，又能确保粒径较小的煤块附着在大煤块上方，增加煤炭燃烧的透气性，降低风阻。大量应用实例表明，此方法不但可以有效改善燃煤条件，而且还能提升煤炭的燃烧效率，降低漏煤量，提升连续式粮食干燥机的热效率。
5.隧道式干燥余热回收技术
为了优化隧道式干燥工艺参数和满足农场对优质燕麦快速干燥的要求，“保质干燥工艺”“气流翻铺干燥工艺”和“余热回收技术”等关键技术的应用使隧道式干燥余热回收工艺具有节能40%左右、干后燕麦干制品质量好和无污染等优点，成为一种崭新的节能干燥技术。
（1）干燥工艺流程
整个隧道式干燥采用连续作业形式，顺流干燥具有热利用率高、均匀性好等特点。第一干燥段采用顺流干燥，此段的废气含水率较高，故不予回收。第二干燥段采用的是顺、逆流混合干燥和气流翻铺的工艺，此段的物料水分较低，其废气应予以回收，提高热效率。隧道式干燥机余热回收工艺流程如图1-37所示。
图1-37 隧道式干燥机余热回收工艺流程
（2）结构原理及技术参数
①基本结构。隧道式干燥机由前干燥段（顺流）、后干燥段（混流）、驱动与张紧装置、水平带式干燥床、调速装置、余热回收装置及电控部分组成。5HC型隧道式干燥机结构示意图如图1-38所示。
图1-38 5HC型隧道式干燥机结构示意图
1—进气口；2—前干燥段；3—上罩；4—可调支架；5—后干燥段；6—余热回收装置；7—水平带式干燥床；8—保温层；9—调速装置；10—驱动与张紧装置
②工作原理。隧道式干燥机采用水平钢丝网带输送式结构，工作时，驱动辊带动特制的输送链耙，燕麦经过喂入辊进入干燥段，由卧式热风炉产生的热空气也进入第一干燥段，热气流与燕麦输送方向相同，将大部分水分（自由水和部分结合水）去除；在第二干燥段，热气流与燕麦输送方向相同和相反，采用顺、逆流混合干燥去除大部分结合水。同时，利用离心风机将此段回收的废气送回第二干燥段，回收的高速气流使燕麦铺翻转，达到均匀干燥的目的。干燥的燕麦由出料辊排出干燥机并收集，干燥后的燕麦选别后包装封存。
③主要技术参数。5HC型隧道式干燥机的技术参数如表1-7所示。
表1-7 5HC型隧道式干燥机的技术参数
（3）余热回收翻铺装置的设计
余热回收翻铺装置的设计是燕麦保质干燥工艺中的重要环节。根据翻铺工艺要求，使燕麦处在1～1.5倍悬浮速度的余热回收气流中进行翻铺作业，使热空气与含水量不均匀的燕麦全面接触，在短时间内达到干燥均匀一致的目的。余热回收翻铺机构采用混流干燥段的嵌入式结合的结构（图1-39）。在干燥机的混流干燥段中部位置设置一台引风机，将混流段排出的热空气引入热风道内，经过导风板的疏导和均风作用，以正压形式从翻铺风口进入翻铺室，使燕麦上下层进行交错翻转，穿过燕麦层进入上层干燥段。最后由顺流干燥段的后排风口将废气排出机外。将气流翻铺工艺与余热回收相结合，充分利用余热气流进行翻铺作业，余热回收量达60%以上。由于燕麦干燥的温度较高，当热介质温度为120℃时，保质干燥机顺流干燥段的排气温度在72℃，相对湿度达92%；混流干燥段的排气温度在90℃，相对湿度达56%。如不回收排出热气流，单位热耗将显著增加。因此，利用混流干燥段的排气进行翻铺作业，既可以节能，又可以使燕麦水分缓慢汽化，提高燕麦的干燥品质。气流翻铺工艺具有干燥时间短、处理量大、适应性广、干燥均匀性好等特点。
图1-39 余热回收翻铺装置结构示意图
1—驱动辊；2—导流板；3—热风道；4—燕麦层；5—翻铺室；6—余热回收风道；7—离心风机；8—调速电动机
（4）余热回收翻铺装置的应用
余热回收翻铺装置位于5HC型隧道式干燥机的后半段，长度为6m。余热回收段箱体采用岩棉保温层，可以减少能量损失，并且可以自由拆卸，方便运输。燕麦干燥速度的快慢可以通过调速电动机控制的输送机构实现无级调节，用户可以根据对燕麦含水率的要求来调节干燥机的降水幅度。具有完善的热风温度控制及干燥温度的监控装置，可以确保燕麦干燥品质。2013年黑龙江省北大荒农垦局嫩北农场种植的燕麦在隧道式干燥机上进行了生产性试验，所应用的余热回收翻铺装置如图1-40所示。翻铺气流工作速度为5.5m/s，输送速度为0.03m/s。
图1-40 余热回收翻铺装置
（5）生产性能测试
黑龙江省农机鉴定站对5HC型隧道式干燥机进行了性能测试，并同时投入烘干生产。黑龙江省科技厅和省农业机械鉴定站专家对干燥机的性能指标进行了连续12h的测定。测定的项目有热风炉供热量及风温、烘前燕麦与烘干燕麦的品质、单位耗热量及干燥机能耗等，测试结果如表1-8所示。
表1-8 5HC型隧道式干燥机性能测试结果
测试结果和实际干燥作业考核表明：5HC型隧道式干燥机完全满足设计要求，适于燕麦等多种杂粮和果蔬产品的干燥需求，使燕麦水分从33%～37%迅速降到14%以下，达到安全储藏要求，而且生产的燕麦色泽好、品质高，干燥工艺参数设计合理，总体已达到国际先进水平。