論高效快速烘干系統(tǒng)的機(jī)理及結(jié)構(gòu)性

1、論高效快速烘干系統(tǒng)的機(jī)理及結(jié)構(gòu)性合肥水泥研究設(shè)計院 楊剛1、前言 我國工業(yè)企業(yè)中，用于物料烘干的設(shè)備仍然以回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)為主。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，對物料適應(yīng)性強，易操作。但也存在熱效率低、設(shè)備笨重、出機(jī)物料水分不易控制等缺點。為克服這一缺陷，我們進(jìn)行了高效快速烘干的機(jī)理和設(shè)備結(jié)構(gòu)及其揚料裝置的研究，取得成功并已廣泛用于生產(chǎn)。2、高效快速烘干的理論依據(jù)及結(jié)構(gòu)特性2.1理論依據(jù) 物料的烘干過程是通過加熱、蒸發(fā)將水分從物料內(nèi)部移向表面，并汽化擴(kuò)散到周圍的氣流（空氣或煙氣）中，從而得到干燥。物料中所含水分的種類可分為：吸附于物料表面和粗毛細(xì)管內(nèi)的潤濕水分；滲透于物料內(nèi)部和被細(xì)毛細(xì)管吸咐的水分，以及

2、在物料礦物組成中呈物化方式結(jié)合的水分。物料中烘干機(jī)內(nèi)的烘干過程可根據(jù)其干燥速度變化分為三個階段：加熱階段、等速干燥階段、降速干燥階段。如何使物料在烘干過程中充分發(fā)揮各階段的有效作用，其關(guān)鍵是優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)物料的物化性能及所含水分的性質(zhì)，人為的設(shè)定和限制物料的運動狀態(tài)，停留時間和與干燥介質(zhì)接觸的外部環(huán)境。從而實現(xiàn)快速干燥這一構(gòu)想。要實現(xiàn)這一構(gòu)想，首先要解決影響干燥速度的兩大重要因素即干燥介質(zhì)向物料的傳熱速度和水蒸汽向干燥介質(zhì)的擴(kuò)散速度。這兩大要素只有與烘干機(jī)內(nèi)部特定的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)時，才能強化其吸收和傳導(dǎo)效率，達(dá)到快速烘干的目的。2.2結(jié)構(gòu)特性及烘干機(jī)理 研究設(shè)計中，將烘干機(jī)分為三個倉，各段的結(jié)

3、構(gòu)和作用各不同相同，可根據(jù)物料性能及地理氣候條件作適當(dāng)調(diào)整。 (1)進(jìn)料加熱烘干階段。它由阻料式進(jìn)料螺旋葉片和防粘式揚料板組成。由于物料剛進(jìn)入烘干機(jī)的溫度較低，與高溫干燥介質(zhì)接觸時，熱能傳給物料表面，使表面溫度不斷升高，水分開始蒸發(fā)。首先是在物料的表面形成一層水膜，這時極易出現(xiàn)粘料現(xiàn)象，如果盡可能多地使物料之間增加碰撞、摩擦，則可避免這種現(xiàn)象，隨著干燥速率速率的快速增加，物料迅速進(jìn)入第二烘干階段。 (2)等速烘干階段。此段是由不同結(jié)構(gòu)形式及排列組合而成的強化烘干段。因為當(dāng)物料的表面溫度等于干燥介質(zhì)的濕球溫度后，物料的溫度不再上升，傳給物料的熱量完全用來蒸發(fā)水分。這一階段是排除物料水分的重要階段

4、。此時，由于物料中含水量較大，物料內(nèi)部水分容易擴(kuò)散到表面，而擴(kuò)散的速度適應(yīng)于表面水分的汽化速度，因此，物料表面總是維持濕潤。等速干燥階段主要是排除物料中的非化學(xué)結(jié)合水，物料產(chǎn)生少量收縮現(xiàn)象。在物料的干燥過程中，提高干燥速率，則會縮短干燥所需的時間從而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。針對這一情況，在設(shè)置內(nèi)部揚料裝置時，采取密積交叉、定向返回，多點重疊等措施和手段來強化此階段的作用（如圖1）。同時對相關(guān)工藝參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整。以滿足其蒸發(fā)強度高，水分子移動速度快的特點。(3)降速干燥階段。物料所含水分低于某一限度時，內(nèi)部向表面補充的水分少，表面蒸發(fā)的水分多，表面不再維持濕潤，向外蒸發(fā)的水分逐漸減少。此階段的作用是

5、強化表面水分蒸發(fā)速度，進(jìn)一步使物料表面升溫，使熱量不斷向內(nèi)部傳遞，蒸發(fā)汽化的部分由表面移到內(nèi)部，水分在內(nèi)部汽化成水蒸氣后，使物料內(nèi)的孔隙率增加，水分迅速移向表面逸出。隨著料溫的升高，內(nèi)部殘留水分將得到蒸發(fā)。降速烘干段主要是排除物料的吸咐水分，此階段是保證干燥質(zhì)量，提高干燥速率的重要部分。該段揚料裝置的配制，采用分層揚料，互不交叉并且適當(dāng)擴(kuò)大部分“風(fēng)洞”的面積，突出體現(xiàn)保持足夠擴(kuò)散空間，穩(wěn)定保證蒸發(fā)水分所需的溫度，提供加速水分子移動速度率所必須的相對速度和負(fù)壓環(huán)境。根據(jù)物料烘干機(jī)模擬設(shè)計的新型組合式揚料裝置，從結(jié)構(gòu)上充分體現(xiàn)了物料烘干過程中各種工藝參數(shù)的相互關(guān)系。 圖1 物料干燥速度曲線對比3、

6、各種工藝參數(shù)的關(guān)系3.1物料水分及停留時間與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 被烘干的物料分為粘性物料（如粘土，鐵粉）和非粘性物料（如礦渣、煤、石灰石、煤礦石等）。所采用的揚料裝置的結(jié)構(gòu)形式及布置方法應(yīng)有所不同。首先就縮短物料停壓在揚料板及筒體上的時間，相對延長滯空時間。美國礦業(yè)局提出的物料通過烘干機(jī)圓筒所需時間t的計算式為：t=式中：1烘干機(jī)長度，m; p烘干機(jī)斜度，%； d烘干機(jī)直徑，m; n轉(zhuǎn)數(shù)，r/min; H物料在干燥狀態(tài)下的休止角； F圓筒內(nèi)阻尼物料系數(shù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)烘干機(jī)的傾斜角，轉(zhuǎn)數(shù)，長徑比及物料種類一定時，物料在烘干機(jī)筒體內(nèi)的停留時間與方式主要取決于阻尼系數(shù)F，它與物料停留時間成正比關(guān)系，如何根據(jù)物料的

7、初水分和物化性能設(shè)置揚料形式和物料的運動狀態(tài)是保證物料烘干質(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。目前國內(nèi)外主要以加長筒體長度來達(dá)到延長物料在烘干機(jī)內(nèi)的停留時間目的，相比之下采用增大阻尼系數(shù)，實現(xiàn)新的物料運動方式即按物料在烘干機(jī)內(nèi)呈波浪形或螺旋形向前“蠕動”的運動方式來設(shè)定其結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用表明，現(xiàn)已定型的新型烘干機(jī)在產(chǎn)量增加50-80%的同時，筒體長度縮短20%，而物料在機(jī)內(nèi)的停留時間比舊型烘干機(jī)還增加50%（如表達(dá)式表所示）。從筒體橫斷面看其工作狀態(tài)，物料呈瀑布狀下落，出現(xiàn)多層薄而均的料幕。這無疑為物料為熱介質(zhì)更充分地?zé)峤粨Q創(chuàng)造了條件。表1烘干機(jī)揚料裝置的結(jié)構(gòu)形式與效果比較烘干機(jī)形式物料停留時間(min)揚料

8、裝置形狀阻尼系數(shù)物料終水分%臺時產(chǎn)量t/h1.512m(舊型)6弧型2441.512m(新型)11組合式32112.418m(舊型)9槽鋼24182.414m(新型)15多級組合41.5423.2熱內(nèi)溫度及蒸發(fā)強度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 物料理的烘干過程中，熱風(fēng)溫度越高與物料溫差越大，就越易于熱量的傳遞和水分的蒸發(fā)，從而使物料干燥加快，可獲得更好的傳熱效果。物料的烘干要不斷重復(fù)地完成一個循環(huán)過程。如圖2所示。傳熱干燥高溫?zé)犸L(fēng)潮濕的水蒸汽物料溫度升高物料水分蒸發(fā)傳質(zhì)圖2物料烘干的循環(huán)過程物料的烘干效果主要取決于高溫段熱風(fēng)的使用。由于高溫段熱氣體溫高、濕含量低，易于料溫的升高及水分的蒸發(fā)，此時物料內(nèi)部水分?jǐn)U

9、散的速度與表面的蒸發(fā)速度保持基本平衡。干燥介質(zhì)溫度越高、周圍環(huán)境蒸氣壓及濕含量越低，物料的干燥速度就越快。此階段揚料裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)充分利用傳熱的各種方式如傳導(dǎo)、輻射、對流等。其中主要是傳導(dǎo)和輻射。即：利用筒體及揚料板的溫度進(jìn)行直接傳導(dǎo)提高料溫，利用熱氣體進(jìn)行高溫輻射促進(jìn)表面水分蒸發(fā)，同時增大氣一固相的溫差，提高溫度梯度加快水分子的移動速度，以傳熱達(dá)到傳質(zhì)之目的。水分子的傳質(zhì)與傳熱類似，仍屬于物料與流動介質(zhì)之間的質(zhì)量傳遞，其過程如圖2。傳質(zhì)的過程包括水分子的質(zhì)量擴(kuò)散和宏觀的質(zhì)量傳遞。其中質(zhì)量的擴(kuò)散取決于水蒸汽的壓差和擴(kuò)散面積，而宏觀的質(zhì)量傳遞取決于干燥介質(zhì)的流動速度和漩渦程度，由于新型組合式揚料裝

10、置能使烘干機(jī)內(nèi)氣流呈螺旋形運動，從而使其氣流速度相對增大，漩渦程度同樣增強，宏觀的質(zhì)量傳遞加大而最終達(dá)到增強物料的蒸發(fā)強度，提高單位容積產(chǎn)量的目的。其溫度與蒸發(fā)量的關(guān)系見表2。表2 溫度與蒸發(fā)量的關(guān)系物料烘干機(jī)規(guī)格入機(jī)熱風(fēng)溫度水分蒸發(fā)量kg/h出機(jī)熱風(fēng)溫度溫度梯度%單位容積產(chǎn)量kg/h.m3粘土 2.214m100011002280801209289338鐵粉 2.214m8009003240801009089470礦渣 2.214m6007003600801008786564煤 2.214m4505002340608087847143.3氣體速度及廢氣含塵率與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 （1）氣體速度干燥介

11、質(zhì)的流速越高，對流傳熱量越大，有利于將熱風(fēng)爐內(nèi)產(chǎn)生的高溫氣體帶入烘干機(jī)，相對增加干燥介質(zhì)的溫度，可使熱氣體與物料之間的相對速度增加，降低溫?zé)釟怏w的蒸氣壓及濕含量。由于氣體負(fù)壓值與氣流速度成平方比關(guān)系，適當(dāng)?shù)靥岣邭怏w流速不僅降低了氣體中的濕含量，而且在物料周圍形成低負(fù)壓環(huán)境，促使物料換熱系數(shù)必然較小。由于揚料裝置的不合理易形成“風(fēng)洞”造成熱風(fēng)“短路”，所以只單純地加大排風(fēng)量提高氣體流速，易產(chǎn)生粉狀物料飛揚造成環(huán)境污染，且能耗增大。因此必須在提高氣流速度的同時，增加阻料均流裝置。 （2）廢氣含塵率 物料的含水量及運動狀態(tài)、氣流速度，物料的顆粒度及容重均對廢氣產(chǎn)生影響。特別是在熱風(fēng)流整流速度過快，物

12、料出機(jī)水分低于2%，并且在烘干機(jī)內(nèi)基本是沸騰狀態(tài)與熱干燥介質(zhì)進(jìn)行較高效率的熱交換時，廢氣中所含粉塵量將大幅度增加。如何合理地調(diào)配各種工藝參數(shù)的關(guān)系，關(guān)鍵在于采用正確的揚料方法和結(jié)構(gòu)。結(jié)合烘干機(jī)的用風(fēng)特點，不難看出其廢氣中粗顆粒粉塵所占比例較大，因此采用分段揚料，可使粗顆粒粉塵在適當(dāng)位置碰撞沉降而減少其含塵量（如表3）。3.4能耗與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 物料在烘干機(jī)內(nèi)烘干的過程既是能量傳遞又是平衡的過程。潮濕的物料進(jìn)入烘干機(jī)后，首先是大量地吸收熱量使其料溫急劇升高，表面水份不斷蒸發(fā)后即開始其能量的轉(zhuǎn)換。如何能使物料更充分地與熱介質(zhì)進(jìn)行熱傳遞，這取決于揚料裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)是否能增加物料拋撒擴(kuò)散時在筒 體橫截面上

13、的占有率。只有使物料均勻地分布于筒體橫斷面上，才能使其在擴(kuò)散時形成對熱氣流的較大阻力。同時，提高物料在拋散過程中的滯空時間，對熱氣流的阻力越大，熱空氣對物料的包容時間就越長，則熱交換效應(yīng)越好。此時，物料停留在筒體內(nèi)的時間短，單位時間負(fù)荷輕，因而功耗相對小。安徽東關(guān)水泥廠2.214m礦渣烘干機(jī)實測數(shù)據(jù)見表4。 對于燃料的熱能利用也產(chǎn)生較大的變化，表5列出淮北市水泥廠1.512m烘干機(jī)實施揚料板技改前后的熱平衡測試結(jié)果。表3 2.214m烘干機(jī)不同揚料裝置對氣流和含塵量的影響揚料裝置出機(jī)物料水份%機(jī)內(nèi)風(fēng)速m/s出機(jī)物料溫度筒體高溫段長度m烘干機(jī)出口濃度mg/Nm3舊式揚料板431005800新新型

14、組合式揚料裝置28708600表4安徽東關(guān)水泥改造前后的生產(chǎn)比較烘干機(jī)型式烘干物料入機(jī)水份%出機(jī)水份%臺時產(chǎn)量t/h功耗kw單位電耗kwh/t單位重量t/h單位容積產(chǎn)量t/m3h2.214m（舊型）礦渣20315.8372.34560.192.214m新型礦渣20142370.88480.66表5 不同揚料裝置的熱平衡測試數(shù)據(jù)測試項目改造前%改造后%物料帶出熱量6.055.1物料水份蒸發(fā)耗熱34.457.7灰渣帶出熱量4.13.5排灰?guī)ё邿崃?112煙氣不完全燃燒熱2.61.4固體不完全燃燒熱30.5表面散熱26.4118.2其它損失熱2.441.6執(zhí)效率%40.4562.84系統(tǒng)主要設(shè)備的選

15、型4.1熱風(fēng)爐的選型烘干系統(tǒng)中熱風(fēng)爐是為烘干機(jī)提供穩(wěn)定熱源的主要設(shè)備。該設(shè)備的選擇不但影響烘干效率，也影響能耗。對此，我們在研制新型揚料裝置的同時，也設(shè)計開發(fā)了三種新型熱風(fēng)爐。它具有熱效率高，能燃用各種煤質(zhì)，悶火時間長，操作管理基本實現(xiàn)自動化和工人勞動強度低等優(yōu)點。其工藝參數(shù)如下： 熱風(fēng)溫度：5001000 烘干機(jī)轉(zhuǎn)速：08rpm烘干機(jī)內(nèi)風(fēng)速：68m/s出機(jī)廢氣溫度：80100 系統(tǒng)負(fù)壓：200230mmH2O4.2通風(fēng)除塵設(shè)備的選擇 烘干系統(tǒng)是水泥廠排放粉塵濃度較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其廢氣含塵濃度高、溫度大，并具有一定的腐蝕性。根據(jù)風(fēng)、料、溫度三者平衡的要求，通常按表6選擇收塵工藝及設(shè)備。表6烘干

16、系統(tǒng)的收塵工藝及設(shè)備選型工藝及設(shè)備入口濃度mg/Nm3出口濃度mg/Nm3抗結(jié)露情況維修量使用廠家情況一級抗結(jié)露袋式收塵器80080好少安徽東關(guān)水泥廠礦渣80mg/Nm3一級高效耐磨旋風(fēng)收塵器二級組合式電收塵器500150較好一般安徽鳳臺水泥廠粘土150mg/Nm3一級高效耐磨旋風(fēng)收塵器500300較好和安徽肥東縣水泥廠礦渣300mg/Nm3表7綜合技術(shù)指標(biāo)生產(chǎn)廠規(guī)格m烘干品種改造前/改造后爐型收塵形式排放濃度mg/Nm3初水分%終水分%產(chǎn)量t/h標(biāo)準(zhǔn)煤耗kg/t安徽肥東東海水泥廠1.512礦渣20/205/1.55/11.530/15沸騰爐高效旋風(fēng)300江蘇灣山水泥廠1.514粘土20/20

17、4/2.03.5/932/18沸騰爐高效旋風(fēng)組合電收塵150煙臺第三水泥廠1.512粘土20/206/2.04/1035/16沸騰爐抗結(jié)露袋式收塵80安徽廬江東顧山泥廠2.212礦渣/18/2.02513沸騰爐抗結(jié)露袋式收塵100安徽鳳臺縣水泥廠2.214粘土20/206/1.06/1432/18沸騰爐高效旋風(fēng)組合電收塵150廣東云浮騎源水泥廠2.214煤18/18/3.0/3211沸騰爐高效旋風(fēng)組合電收塵200安徽東關(guān)水泥廠2.414礦渣18/181.04212沸騰爐抗結(jié)露袋收塵80河北玉田縣水泥廠2.418礦渣30/301.53816沸騰爐抗結(jié)露袋收塵80福建武平農(nóng)墾水泥廠2.418粘土20/202.02818