转碟干化的工艺特征与安全评价

转碟干化的工艺特征与安全评价（一）(2011-01-2408:11:10)一、转碟干化工艺源流DiscDryer是根据其典型机械构造形式而命名的一种干燥器，中文有译为转碟、转盘、板式、盘式、卧式圆盘、超圆盘的。因英文disc可译为“碟”或“盘”，考虑到它形似传说中的“飞碟”，边缘薄中心厚的特征，特别是为了与比利时西格斯(Seghers)的立式圆盘机(multi-tray)的“盘”进行区别，这里采用“转碟”的译名似乎最为贴切。这种干燥器最早由瑞典StordBartz公司在1956年发明。1987年挪威Aker集团收购StordBartz后建立了StordInternational公司。1997年丹麦的AtlasIndustries和挪威StordInternational合并而成Atlas-Stord公司，它就是目前世界上该技术的主要提供商。2006年Atlas-Stord又被丹麦Haarsleva/s收购，但该干燥工艺一直仍以AtlasStord为商业名称。Stord的干燥器早期一直在挪威Stord岛的自有工厂里制造，当订单多时，才委托给挪威的FjellIndustrier一部分。当其自有工厂关闭后，Fjell就成为挪威境内的唯一生产基地，Stord还将其机床等都搬到了Fjell。当AtlasStord总部于1997年从挪威的Bergen迁到丹麦的哥本哈根后，开始将旧图纸委托波兰和罗马尼亚的制造厂制造。AtlasStord搬迁后缺少可设计和改善现有设备的技术人员，这些服务人员的绝大部分选择留在挪威，因此他们大部分进入了Fjell。Fjell与AtlasStord的合作关系最晚延迟到了1999年，即迁址后两年。此后Stord所需的服务人员只从波兰或罗马尼亚的厂家抽调。AtlasStord迁址后仍主要从事设计和销售工作。Stord分别于1972、1975、1987、2001、2003、2007年注册了几个专利，通过这些专利在转碟机内部构造、制造工序和细节方面的创新，实现了技术的垄断和把握。可能是由于专利到期的缘故，近年来过去的代工者也进入了污泥干化领域，直接销售这种设备，如挪威的Fjell、德国Ponndorf、GerhardRauh等。Fjell在所有技术文件中均不讳言是采用的Stord专利技术。在亚洲，较活跃的技术提供商是日本三菱。韩国的壮宇机械、中国的天通控股股份有限公司和江苏南大紫金科技集团均声称从三菱得到授权，制造此类型设备。但参考日本三菱所属TamagawaMachineryDivision的沿革历史，笔者查找了所有相关名称下的美国专利，包括Mitsubishi、DaiichiSeihyoCo.,Ltd.、TamagawaKikaiKinzokuCo.,Ltd.、MitsubishiShindohCo.,Ltd.、TamagawaKikaiCo.,Ltd.、TamagawaMachineryCo.,Ltd、MitsubishiMaterialsCorporation.、MitsubishiMaterialsTechnoCorporation等，均无此类型的干燥器技术。这些公司在在欧美申请的专利有数百项之多，保护自有知识产权是其传统，但唯独没有转碟式干燥器的专利。查看早期Stord的销售业绩，我发现这种转碟机在污泥方面的应用早在1982年就卖到了日本，但在日本市场总共只卖了5台，销售对象均为日本机构，且都是超小型设备。日本由机构出面，在政府支持下大规模拷贝欧美技术，这早已不是什么秘密。将所谓三菱设备与Stord制造设备的图片进行比较，我也看不出三菱有何独到的地方。不难猜想，三菱技术的来源其实很可能仍是Stord。转碟机最早和最成功的运用是鱼粉干燥，全球绝大部分的鱼粉都是采用这种机械干燥的。它占地小，换热面积大，非常适合于安装在远洋渔船上。挪威的这种机械被同为远洋渔业大国的日本所注意到并刻意仿制，显然有着重要经济意义。转碟机于1990年代初引进到中国，最早也是用于鱼粉、酒糟等的处理。由于其换热效率等方面的种种优点，也立即被多家仿制。国内参与过仿制设计开发的单位有国内贸易部武汉科研设计院、中国轻工总会西安机械设计研究所、上海新纪元化工科技、上海医药设计院、上海化工研究院、宁波大学工学院、浙江大学化工机械研究所等，阵容不可谓不强大，但都不成功。有的甚至还注册了中国专利，如1988年上海华元干燥设备公司，1994年上海新纪元化工科技公司的沈善明等。由于制造上存在一定的技术难度，这些项目运行不久就都被废弃。与日本人不同的是，国人的拷贝是不成功的，否则不会有近来浙江天通和江苏南大紫金“引进日本技术”的必要了，但不成功的开发并不妨碍大家注册“专利”，还将拷贝不成功的心得形诸文字，刊登在各种专业杂志上。反观日本方面，三菱如果果真没有什么专利，而只是简单地“拥有”了这样一项“外来”技术的话，他们能够让我们中国人来支付“技术转让费”，这件事真是够耐人寻味的了。二、转碟工艺的基本机械特征转碟式干燥器是转碟干化工艺的核心。干燥器由转子和定子两部分构成。转子包括主轴、焊接在主轴上的碟片以及固定在碟片边缘的推料板等。定子由近似U形槽的金属外壳及其焊接在槽壁上的挡料板等组成。1、转子情况主轴中空，直径一般为碟片直径的1/4～1/3，根据主轴长度、物料特性以及由此带来的机械应力情况而定；物料粘性越强，主轴越粗。主轴内部用于布设热流体的进出管线，是两个独立的管路，用于工质的入和出。碟片内的流道设计是依靠转碟转动，使工质易于被收集。主轴本身不加热，仅采用金属碟片作为换热面。碟片本身的耐压强度是依靠类似迷宫装置的机械咬合或柱状铆焊实现的。碟片焊接在主轴上，标准间距为140mm（最低130mm），板厚度9～14mm，采用碳钢时一般选择12～14mm，采用不锈钢时因热导率问题，选择9～12mm钢材。考虑导热性质和成本的原因，厂家一般建议碟片材质为碳钢。碟片为中空，通入高温工质，排出低温工质或其冷凝液。碟片的两侧均用于与物料的接触换热。在碟片的外缘，以螺栓或焊接固定金属推料板，每个碟片上有两个，推料板与碟片可形成一定的夹角，用于物料的推动，可以有平向、斜向、反向推动作用以调节物料流动速度。转子采用三角支架固定在定子上，定子两侧的封头用螺栓固定。2、定子情况定子即干燥器的外壳为金属，一般采用19毫米碳钢或12毫米不锈钢制造，可设夹套，有保温。内壁焊接有挡料板，外形尺寸（厚×宽×长）一般为15×100×850mm，其中长度根据转碟直径有变化。数量为碟片数量减一，挡料板纵向深入到两个碟片之间，用于阻挡物料随转子转动，起搅拌物料的作用。定子上有开孔，包括正面观察孔、底部排料孔、底部清除孔等，用于观察、清洗、检查和维护。3、加热系统及其工质选择当工质为蒸汽时，加热系统由蒸汽锅炉、泵、旋转接头、金属软管、疏水器、截止阀、球阀、视孔、汽水分离筒等组成，向干燥器内供应蒸汽，排出冷凝水和蒸汽的混合物。当工质为导热油时，加热系统由导热油炉、燃烧器、循环泵、填注油泵、除气罐、旋转接头、金属软管、阀、电控系统等组成。工质有时也可以是热水，但这将大幅度降低干燥器的性能。工质的选择，饱和蒸汽或导热油，决定了设备在耐压方面的制造参数。由于系统为压力容器，工质的进出都是通过旋转接头进行的，存在动密封问题，压力和温度的选择对不同工质是不一样的。转碟机属于典型的传导型干燥器。对于传导型干燥来说，传热系数（U）、换热面积（A）和冷热流体的对数平均温差（ΔTm）均对换热效果有直接影响（换热量Q＝U×A×ΔTm）。上述数值越高，干燥强度越大。但从这种干燥器的实际应用参数看，换热面积是其提高干燥强度的最主要手段，温差（由工质温度所决定）和传热系数（受工质选择的影响）所能开发的空间有限。采用饱和蒸汽工质，设备的制造参数在承压方面要明显高于导热油。基于承压与金属厚度的限制，转碟机的蒸汽入口压力最高为9bar（设计值10bar），该压力下的蒸汽饱和温度约170度。出于项目成本考虑，一般建议蒸汽压力为6bar，实际工作压力5bar（饱和温度151度）。采用导热油工质，在承压方面的要求低，仅3-4bar，但由于金属形变的原因，所应用的导热油温度不能太高，一般为160-200度。4、其它配套系统用于污泥干化的还有附属系统，如除尘冷凝、干泥返混、进料、出料冷却、工质冷却（导热油）、干燥器保护（连续称重、过载安全销）等。污泥从干燥器的一侧进入干燥器后，经过约60-240分钟的处理，从另一侧凭重力从底部排出（也有改进为侧置溢流堰的）。蒸发所形成的水蒸气通过抽取微负压，随漏入的环境空气一起离开干燥系统。湿空气的抽取口位于干燥器中部，即形成蒸发最强烈的位置。在全干化时，废气经旋风除尘后进行冷凝，半干化时则可直接冷凝。全干化或高干度半干化时需要进行干泥返混（后详）。由于产品在干燥器内处理时间长，出口干泥一般需要冷却才能储存。由于干燥器不清空，当采用导热油作为工质时，可能还需考虑一个导热油冷却系统。三、转碟工艺的机械模型污泥干化是一种工艺，不能以纯粹的机械设备看待。要理解一种干化工艺的优缺点，需要首先了解其机械特征可能造成的物流问题。而要了解物流，需建立一个机械模型。Stord干燥设备有不同的系列，早期用于污泥干化的主要有TST-10、TST-30、TST-40、TST-60、TST-70、TST80和TST-100等机型。近年来改用了新的系列型号，如TST-1736、TST-1750、TST-1950、TST-1936、TST-2250、TST-2264等。新系列数字的前两位意为转碟直径，17意味着1700mm，后两位数字为碟片数量。笔者根据两份完整的技术方案建立了转碟机机械模型。其中TST-1736为采用0.5MPa饱和蒸汽的半干化项目（从含固率20%至32%），TST-2264为采用200度导热油的全干化项目（从含固率20%至90%）。通过这两个不同模型的比较，可以发现很多重要的工艺问题。方案给出了处理量、蒸发量、入口含固率、出口含固率、湿泥堆密度、干泥堆密度、碟片数量、碟片直径、碟片中心距、干燥器外形尺寸等，模型就根据上述信息，在原外形尺寸图基础上，画出干燥器内部机械结构图，利用一点平面几何和三角的知识，建立各参照点的方程，分解推算。通过最终换热面积的校核，可以确认模型的准确性。以下是两个模型分别获得的基础数据：1、TST-1736机型【转子情况】该方案只有转子加热，有效换热面积143平方米，定子不设换热面，但查该公司样本，如果定子设换热面的话，可增加18平方米。此面积正好是圆形定子的一半。主轴直径应为600mm左右，碟片直径1700mm，钢材厚度12mm，单个碟片双侧的有效换热面积为4.0平方米，碟片数量36个，中心间距140mm。碟片为中心高、边缘低的飞碟形，表面弧度约3.35°，主轴上有大约7.5平方米的非换热面。转子总容积为3.7立方米。【槽型容积】干燥器内部长度约5.56米，包括蒸汽罩在内的总截面积4.2平方米，如果以碟片上缘为界限，槽型截面积为3.3平方米，容积18.1立方米，减去转子净容积，物料恰好漫过全部换热面时的有效容积为14.4立方米。研究干泥物流，主要与此值相关。【蒸汽罩容积】本方案中，蒸汽罩为圆形（干燥器侧视图为灯泡型），直径与定子相同，只是其圆心较定子提高了大约480mm。以物流漫过碟片上缘为界，蒸汽罩的净容积为5.4立方米。此值关系到干化的安全性。2、TST-2264机型【转子情况】该方案转子加热面积为391平方米，定子42平方米，总有效换热面积433平方米。定子加热面积相当于槽型约200°的投影。主轴直径应为1200mm左右，碟片直径2200mm，钢材厚度14mm，单个碟片双侧的有效换热面积为6.1平方米，碟片数量64个，中心距140mm。碟片为中心高、边缘低的碟形，碟片弧度约3°，主轴上有大约23.9平方米的非换热面。转子净容积为15.4立方米。【槽型容积】干燥器内部长度约9.4米，包括蒸汽罩在内的总截面积7.4平方米，如果以碟片上缘为界限，槽型截面积为4.1平方米，槽型容积