论高效快速烘干系统的机理及结构性

论高效快速烘干系统的机理及结构性合肥水泥研究设计院杨刚1、前言我国工业企业中，用于物料烘干的设备仍然以回转式烘干机为主。该设备结构简单，使用可靠，对物料适应性强，易操作。但也存在热效率低、设备笨重、出机物料水分不易控制等缺点。为克服这一缺陷，我们进行了高效快速烘干的机理和设备结构及其扬料装置的研究，取得成功并已广泛用于生产。2、高效快速烘干的理论依据及结构特性2.1理论依据物料的烘干过程是通过加热、蒸发将水分从物料内部移向表面，并汽化扩散到周围的气流（空气或烟气）中，从而得到干燥。物料中所含水分的种类可分为：吸附于物料表面和粗毛细管内的润湿水分；渗透于物料内部和被细毛细管吸咐的水分，以及在物料矿物组成中呈物化方式结合的水分。物料中烘干机内的烘干过程可根据其干燥速度变化分为三个阶段：加热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段。如何使物料在烘干过程中充分发挥各阶段的有效作用，其关键是优化机械结构，根据物料的物化性能及所含水分的性质，人为的设定和限制物料的运动状态，停留时间和与干燥介质接触的外部环境。从而实现快速干燥这一构想。要实现这一构想，首先要解决影响干燥速度的两大重要因素即干燥介质向物料的传热速度和水蒸汽向干燥介质的扩散速度。这两大要素只有与烘干机内部特定的结构相适应时，才能强化其吸收和传导效率，达到快速烘干的目的。2.2结构特性及烘干机理研究设计中，将烘干机分为三个仓，各段的结构和作用各不同相同，可根据物料性能及地理气候条件作适当调整。(1)进料加热烘干阶段。它由阻料式进料螺旋叶片和防粘式扬料板组成。由于物料刚进入烘干机的温度较低，与高温干燥介质接触时，热能传给物料表面，使表面温度不断升高，水分开始蒸发。首先是在物料的表面形成一层水膜，这时极易出现粘料现象，如果尽可能多地使物料之间增加碰撞、摩擦，则可避免这种现象，随着干燥速率速率的快速增加，物料迅速进入第二烘干阶段。(2)等速烘干阶段。此段是由不同结构形式及排列组合而成的强化烘干段。因为当物料的表面温度等于干燥介质的湿球温度后，物料的温度不再上升，传给物料的热量完全用来蒸发水分。这一阶段是排除物料水分的重要阶段。此时，由于物料中含水量较大，物料内部水分容易扩散到表面，而扩散的速度适应于表面水分的汽化速度，因此，物料表面总是维持湿润。等速干燥阶段主要是排除物料中的非化学结合水，物料产生少量收缩现象。在物料的干燥过程中，提高干燥速率，则会缩短干燥所需的时间从而达到提高产量的目的。针对这一情况，在设置内部扬料装置时，采取密积交叉、定向返回，多点重叠等措施和手段来强化此阶段的作用（如图1）。同时对相关工艺参数作适当调整。以满足其蒸发强度高，水分子移动速度快的特点。(3)降速干燥阶段。物料所含水分低于某一限度时，内部向表面补充的水分少，表面蒸发的水分多，表面不再维持湿润，向外蒸发的水分逐渐减少。此阶段的作用是强化表面水分蒸发速度，进一步使物料表面升温，使热量不断向内部传递，蒸发汽化的部分由表面移到内部，水分在内部汽化成水蒸气后，使物料内的孔隙率增加，水分迅速移向表面逸出。随着料温的升高，内部残留水分将得到蒸发。降速烘干段主要是排除物料的吸咐水分，此阶段是保证干燥质量，提高干燥速率的重要部分。该段扬料装置的配制，采用分层扬料，互不交叉并且适当扩大部分“风洞”的面积，突出体现保持足够扩散空间，稳定保证蒸发水分所需的温度，提供加速水分子移动速度率所必须的相对速度和负压环境。根据物料烘干机模拟设计的新型组合式扬料装置，从结构上充分体现了物料烘干过程中各种工艺参数的相互关系。、各种工艺参数的关系3.1物料水分及停留时间与结构的关系被烘干的物料分为粘性物料（如粘土，铁粉）和非粘性物料（如矿渣、煤、石灰石、煤矿石等）。所采用的扬料装置的结构形式及布置方法应有所不同。首先就缩短物料停压在扬料板及筒体上的时间，相对延长滞空时间。美国矿业局提出的物料通过烘干机圆筒所需时间t的计算式为：t=(min)77.1FndpHl式中：1—烘干机长度，m;p—烘干机斜度，%；d—烘干机直径，m;n—转数，r/min;H—物料在干燥状态下的休止角；F—圆筒内阻尼物料系数。当回转烘干机的倾斜角，转数，长径比及物料种类一定时，物料在烘干机筒体内的停留时间与方式主要取决于阻尼系数F，它与物料停留时间成正比关系，如何根据物料的初水分和物化性能设置扬料形式和物料的运动状态是保证物料烘干质量与产量的关键所在。目前国内外主要以加长筒体长度来达到延长物料在烘干机内的停留时间目的，相比之下采用增大阻尼系数，实现新的物料运动方式即按物料在烘干机内呈波浪形或螺旋形向前“蠕动”的运动方式来设定其结构，实际应用表明，现已定型的新型烘干机在产量增加50-80%的同时，筒体长度缩短20%，而物料在机内的停留时间比旧型烘干机还增加50%（如表达式表所示）。从筒体横断面看其工作状态，物料呈瀑布状下落，出现多层薄而均的料幕。这无疑为物料为热介质更充分地热交换创造了条件。表1烘干机扬料装置的结构形式与效果比较烘干机形式物料停留时间(min)扬料装置形状阻尼系数物料终水分%台时产量t/hØ1.5×12m(旧型)6弧型244Ø1.5×12m(新型)11组合式3211Ø2.4×18m(旧型)9槽钢2418Ø2.4×14m(新型)15多级组合41.5423.2热内温度及蒸发强度与结构的关系物料理的烘干过程中，热风温度越高与物料温差越大，就越易于热量的传递和水分的蒸发，从而使物料干燥加快，可获得更好的传热效果。物料的烘干要不断重复地完成一个循环过程。如图2所示。图2物料烘干的循环过程物料的烘干效果主要取决于高温段热风的使用。由于高温段热气体温高、湿含量低，易于料温的升高及水分的蒸发，此时物料内部水分扩散的速度与表面的蒸发速度保持基本平衡。干燥介质温度越高、周围环境蒸气压及湿含量越低，物料的干燥速度就越快。此阶段扬料装置的结构应充分利用传热的各种方式如传导、辐射、对流等。其中主要是传导和辐射。即：利用筒体及扬料板的温度进行直接传导提高料温，利用热气体进行高温辐射促进表面水分蒸发，同时增大气一固相的温差，提高温度梯度加快水分子的移动速度，以传热达到传质之目的。水分子的传质与传热类似，仍属于物料与流动介质之间的质量传递，其过程如图2。传质的过程包括水分子的质量扩散和宏观的质量传递。其中质量的扩散取决于水蒸汽的压差和扩散面积，而宏观的质量传递取决于干燥介质的流动速度和漩涡程度，由于新型组合式扬料装置能使烘干机内气流呈螺旋形运动，从而使其气流速度相对增大，漩涡程度同样增强，宏观的质量传递加大而最终达到增强物料的蒸发强度，提高单位容积产量的目的。其温度与蒸发量的关系见表2。表2温度与蒸发量的关系物料烘干机规格入机热风温度℃水分蒸发量kg/h出机热风温度℃温度梯度%单位容积产量kg/h.m3粘土Ø2.2×14m1000~1100228080~12092~89338铁粉Ø2.2×14m800~900324080~10090~89470矿渣Ø2.2×14m600~700360080~10087~86564煤Ø2.2×14m450~500234060~8087~847143.3气体速度及废气含尘率与结构的关系（1）气体速度干燥介质的流速越高，对流传热量越大，有利于将热风炉内产生的高温气体带入烘干机，相对增加干燥介质的温度，可使热气体与物料之间的相对速度增加，降低温热气体的蒸气压及湿含量。由于气体负压值与气流速度成平方比关系，适当地提高气体流速不仅降低了气体中的湿含量，而且在物料周围形成低负压环境，促使物料换热系数必然较小。由于扬料装置的不合理易形成“风洞”造成热风“短路”，所以只单纯地加大排风量提高气体流速，易产生粉状物料飞扬造成环境污染，且能耗增大。因此必须在提高气流速度的同时，增加阻料均流装置。（2）废气含尘率干燥高温热风潮湿的水蒸汽传热传质物料温度升高物料水分蒸发物料的含水量及运动状态、气流速度，物料的颗粒度及容重均对废气产生影响。特别是在热风流整流速度过快，物料出机水分低于2%，并且在烘干机内基本是沸腾状态与热干燥介质进行较高效率的热交换时，废气中所含粉尘量将大幅度增加。如何合理地调配各种工艺参数的关系，关键在于采用正确的扬料方法和结构。结合烘干机的用风特点，不难看出其废气中粗颗粒粉尘所占比例较大，因此采用分段扬料，可使粗颗粒粉尘在适当位置碰撞沉降而减少其含尘量（如表3）。3.4能耗与结构的关系物料在烘干机内烘干的过程既是能量传递又是平衡的过程。潮湿的物料进入烘干机后，首先是大量地吸收热量使其料温急剧升高，表面水份不断蒸发后即开始其能量的转换。如何能使物料更充分地与热介质进行热传递，这取决于扬料装置的结构进是否能增加物料抛撒扩散时在筒体横截面上的占有率。只有使物料均匀地分布于筒体横断面上，才能使其在扩散时形成对热气流的较大阻力。同时，提高物料在抛散过程中的滞空时间，对热气流的阻力越大，热空气对物料的包容时间就越长，则热交换效应越好。此时，物料停留在筒体内的时间短，单位时间负荷轻，因而功耗相对小。安徽东关水泥厂Ø2.2×14m矿渣烘干机实测数据见表4。对于燃料的热能利用也产生较大的变化，表5列出淮北市水泥厂Ø1.5×12m烘干机实施扬料板技改前后的热平衡测试结果。表3Ø2.2×14m烘干机不同扬料装置对气流和含尘量的影响扬料装置出机物料水份%机内风速m/s出机物料温度℃筒体高温段长度m烘干机出口浓度mg/Nm3旧式扬料板431005800新新型组合式扬料装置28708600表4安徽东关水泥改造前后的生产比较烘干机型式烘干物料入机水份%出机水份%台时产量t/h功耗kw单位电耗kwh/t单位重量t/h单位容积产量t/m3hØ2.2×14m（旧型）矿渣20315.8372.34560.19Ø2.2×14m新型矿渣20142370.88480.66表5不同扬料装置的热平衡测试数据测试项目改造前%改造后%物料带出热量6.055.1物料水份蒸发耗热34.457.7灰渣带出热量4.13.5排灰带走热量2112烟气不完全燃烧热2.61.4固体不完全燃烧热30.5表面散热26.4118.2其它损失热2.441.6执效率%40.4562.84系统主要设备的选型4.1热风炉的选型烘干系统中热风炉是为烘干机提供稳定热源的主要设备。该设备的选择不但影响烘干效率，也影响能耗。对此，我们在研制新型扬料装置的同时，也设计开发了三种新型热风炉。它具有热效率高，能燃用各种煤质，闷火时间长，操作管理基本实现自动化和工人劳动强度低等优点。其工艺参数如下：热风温度：500~1000℃烘干机转速：0~8rpm烘干机内风速：6~8m/s出机废气温度：80~100℃系统负压：200~230mmH2O4.2通风除尘设备的选择烘干系统是水泥厂排放粉尘浓度较高的生产环节，其废气含尘浓度高、温度大，并具有一定的腐蚀性。根据风、料、温度三者平衡的要求，通常按表6选择收尘工艺及设备。表6烘干系统的收尘工艺及设备选型工艺及设备入口浓度mg/Nm3出口浓度mg/Nm3抗结露情况维修量使用厂家情况一级抗结露袋式收尘器80080好少安徽东关水泥厂矿渣80mg/Nm3一级高效耐磨旋风收尘器二级组合式电收尘器500150较好一般安徽凤台水泥厂粘土150mg/Nm3一级高效耐磨旋风收尘器500300较好和安徽肥东县水泥厂矿渣300mg/Nm3表7综合技术指标生产厂规格m烘干品种改造前/改造后炉型收尘形式排放浓度mg/Nm3初水分%终水分%产量t/h标准煤耗kg/t安徽肥东东海水泥厂Ø1.5×12矿渣20/205/1.55/11.530/15沸腾炉高效旋风300江苏湾山水泥厂Ø1.5×14粘土20/204/2.03.5/932/18沸腾炉高效旋风组合电收尘150烟台第三水泥厂Ø1.5×12粘土20/206/2.04/1035/16沸腾炉抗结露袋式收尘80安徽庐江东顾山泥厂Ø2.2×12矿渣/18/2.0