科研開發(fā)
論高效快速烘干機理及結(jié)構(gòu)特性
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)的擴散速度。這兩大要素只有與烘干機內(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)特性及烘干機理
研究設(shè)計中，將烘干機分為三個倉，各段的結(jié)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。此時，由于物料中含水量較大，物料內(nèi)部水分容易擴散到表面，而擴散的速度適應(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)擴大部分“風(fēng)洞”的面積，突出體現(xiàn)保持足夠擴散空間，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。
3 、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圓筒所需時間 t 的計算式為：
當(dāng)回轉(zhuǎn)烘干機的傾斜角，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在產(chǎn)量增加 50-80% 的同時，筒體長度縮短 20% ，而物料在機內(nèi)的停留時間比舊型烘干機還增加 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。
3.2 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。
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)量擴散和宏觀的質(zhì)量傳遞。其中質(zhì)量的擴散取決于水蒸汽的壓差和擴散面積，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置能使烘干機內(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 。
3.3 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，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，物料出機水分低于 2% ，并且在烘干機內(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散時在筒 體橫截面上的占有率。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 ? 2.2×14m礦渣烘干機實測數(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 ? 1.5×12m烘干機實施揚料板技改前后的熱平衡測試結(jié)果。
4系統(tǒng)主要設(shè)備的選型
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： 500~1000 ℃，烘干機轉(zhuǎn)速： 0~8rpm ，烘干機內(nèi)風(fēng)速： 6~8m/s ，出機廢氣溫度： 80~100 ℃ ，系統(tǒng)負(fù)壓： 200~230mmH 2 O 。
4.2 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，按表 6 選擇收塵工藝及設(shè)備。
5、結(jié)語
隨著水泥干法生產(chǎn)的不斷擴大，對物料水份的要求越來越嚴(yán)格。不少立窯廠在實際生產(chǎn)中還存著認(rèn)識上的“誤區(qū)”，認(rèn)為原材料烘干問題不大，一些廠甚至不設(shè)烘干系統(tǒng)，僅靠自然晾曬來維持生產(chǎn)。致使生料質(zhì)量較差，不僅給粉磨帶來困難，在很大程度上也制約了立窯水泥生產(chǎn)的發(fā)展。通過我們多年的實踐，認(rèn)為烘干技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，解決好它與整個生產(chǎn)過程的關(guān)系，同樣需要從工藝裝備以及操作管理等方面進(jìn)行技術(shù)與資金投入，同樣會取得增產(chǎn)節(jié)能效益。
