紙面石膏板干燥技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

陳紅霞 武發(fā)德 周建中 李帆 王霞（北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 102208）

紙面石膏板干燥技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

陳紅霞 武發(fā)德 周建中 李帆 王霞（北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 102208）

紙面石膏板干燥是與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗密切相關(guān)的重要環(huán)節(jié)。本文介紹了國內(nèi)外紙面石膏板干燥技術(shù)的現(xiàn)狀，并指出了紙面石膏板干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢。

紙面石膏板；干燥技術(shù)；能耗；發(fā)展趨勢

紙面石膏板是以石膏（包括天然石膏、化學(xué)石膏）和護(hù)面紙為主要原材料，摻加適量纖維、粘結(jié)劑、調(diào)凝劑、發(fā)泡劑和水等按照一定的比例，經(jīng)煅燒成熟石膏、混合、成型、凝固、切斷、干燥、切邊等工序制成的輕質(zhì)建筑板材。熟石膏水化所需的理論用水量為其重量的18.6%，而在石膏板成型時(shí)為了使石膏料漿具有良好的流動性，水膏比往往達(dá)到70%以上。這些多余的游離水分需要在干燥過程從板芯中蒸發(fā)出去。在水分蒸發(fā)的過程中，粘接劑（改性淀粉）隨著水分的蒸發(fā)遷移至護(hù)面紙與石膏芯表層界面之間，糊化后將護(hù)面紙與石膏芯牢固地粘接在一起。因此，干燥設(shè)備是石膏板生產(chǎn)線的重要設(shè)備及主要的能耗設(shè)備，直接關(guān)系到石膏板生產(chǎn)的成本和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著市場競爭的日益激烈和人們對產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)注度提高，降低石膏板生產(chǎn)的能耗和保證產(chǎn)品質(zhì)量成為各石膏板工廠追求的目標(biāo)。干燥技術(shù)、電氣控制、機(jī)械加工等相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步對紙面石膏板干燥設(shè)備的發(fā)展和完善起到了重大的推動作用，同時(shí)也為“保質(zhì)節(jié)能”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了可能。

1 木材干燥技術(shù)的發(fā)展概述

由于石膏濕板與木材的物料相似性，石膏板的干燥技術(shù)是在借鑒木材干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。從國外大部分專業(yè)石膏板干燥機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中也可以看出些端倪。當(dāng)今石膏板干燥機(jī)制造巨頭——格林策巴赫公司在發(fā)展初期就涉足了木材加工行業(yè)，而后才在玻璃和石膏板等建材行業(yè)發(fā)展；已被格林策巴赫公司于2002年收購的美國BMH AKI公司也設(shè)計(jì)制造石膏板干燥設(shè)備，但其主要產(chǎn)品是木材干燥設(shè)備；有著160年歷史的美國COE公司的產(chǎn)品涉及木材、石膏板等干燥設(shè)備，但其最具競爭力的產(chǎn)品還是在木材干燥方面?？梢?，石膏板干燥技術(shù)進(jìn)步離不開木材干燥技術(shù)的發(fā)展。

[1,2]目前，木材干燥工業(yè)形成了以常規(guī)蒸汽干燥為主，常規(guī)干燥，包括蒸汽、爐氣與熱水干燥，熱泵除濕干燥，真空干燥，微波干燥，高頻干燥和太陽能干燥等多種干燥方法同時(shí)發(fā)展的比較完整的產(chǎn)業(yè)體系。常規(guī)蒸汽干燥在我國木材干燥中占主導(dǎo)地位，約占80%以上，其次是以爐氣和熱水為熱源的常規(guī)干燥，以熱油作熱源的常規(guī)干燥應(yīng)用較少。[2]熱泵除濕干燥具有節(jié)能效果顯著、干燥質(zhì)量好、用電作能源不污染環(huán)境以及干燥技術(shù)比較成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為常規(guī)干燥之后處于第二位的干燥技術(shù)。真空干燥可實(shí)現(xiàn)較低溫度下的快速干燥，干燥質(zhì)量好，但設(shè)備投資較大，電耗高和設(shè)備裝材量少，在我國應(yīng)用很少。微波和高頻干燥都是以濕木材作電解質(zhì)，在微波或高頻的電磁場作用下，引起木材中水分子極化，同時(shí)由于電磁場的頻繁交變，使水分子高速頻繁擺動，摩擦生熱，從而加熱干燥木材。這兩種干燥方法都屬于體積加熱，溫度梯度小、干燥速度快、應(yīng)力小。[3]太陽能干燥通常是利用太陽能直接加熱空氣，依靠風(fēng)機(jī)使空氣在太陽能集熱器和干燥室材堆之間循環(huán)。太陽能干燥由于受氣候條件限制，常與其他干燥方式組合成為聯(lián)合干燥裝置。

從木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，研究的熱點(diǎn)主要在以下兩個(gè)方面：其一，研究各種干燥方法干燥過程中物性參數(shù)和過程參數(shù)，并建立數(shù)學(xué)模型；其二，兩種或多種干燥方法聯(lián)合應(yīng)用，以適應(yīng)對提高干燥質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保的要求。

2 國內(nèi)石膏板干燥技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

目前國內(nèi)外石膏板廠大多使用輥道式干燥機(jī)，干燥機(jī)采用對流式熱風(fēng)干燥，形式有縱向和橫向?qū)α??？v向?qū)α骶褪菬釟饬鬟\(yùn)動方向與板的運(yùn)動方向是平行的；橫向?qū)α魇降臒釟饬鬟\(yùn)動方向與板的運(yùn)動方向垂直，每個(gè)區(qū)段都設(shè)有供熱和控制裝置。與縱向干燥相比，橫向干燥的熱效率高，干燥效果好，但熱工和機(jī)械設(shè)備數(shù)量較多，控制要求嚴(yán)格，因此造價(jià)比縱向相應(yīng)偏高。我國大部分石膏板廠采用縱向干燥機(jī)，極少數(shù)采用橫向干燥機(jī)。紙面石膏板干燥過程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。干燥過程可分為三個(gè)階段：加速干燥階段、等速干燥階段和降速干燥階段。[7]通過對紙面石膏板干燥過程的分段解析與模擬發(fā)現(xiàn)，加速干燥階段和等速干燥階段時(shí)間耗費(fèi)相對較短，水份蒸發(fā)量相對較大，可適當(dāng)加大能量的供給量，而在降速干燥階段，干燥時(shí)間較長，單位時(shí)間水份蒸發(fā)量較小，可適當(dāng)延長干燥時(shí)間，減少能量供給量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

近年來，還出現(xiàn)一種橫向和縱向結(jié)合的干燥機(jī)。[5]這種干燥機(jī)的特點(diǎn)是單室橫向循環(huán)干燥氣流和噴吹管直吹板面干燥。烘干段前段采用橫向循環(huán)氣流干燥，后段采用縱向循環(huán)氣流脫除剩余15%左右的水分。它結(jié)合了橫向干燥熱效率高和縱向干燥投資成本低的特點(diǎn)，不僅能降低生產(chǎn)能耗、縮短生產(chǎn)線的長度，而且還降低了投資成本（與單一的橫向干燥機(jī)相比）。

此外，按照供熱方式可分為直接熱風(fēng)式，間接熱風(fēng)式。[4]干燥機(jī)的熱源有多種供熱方案。如燃煤-熱煙氣-熱交換器加熱循環(huán)濕空氣，簡稱熱煙氣加熱；蒸汽加熱；循環(huán)有機(jī)油加熱和天然氣直接加熱。[6]中小型紙面石膏板生產(chǎn)線大多采用蒸汽鍋爐進(jìn)行干燥。燃煤蒸汽鍋爐熱效率一般不超過70%；蒸汽通過熱交換器轉(zhuǎn)換成熱空氣，轉(zhuǎn)換中有部分熱損失，再加上蒸汽輸送過程中的熱損失，整個(gè)系統(tǒng)熱效率僅為50%左右。

石膏板干燥機(jī)作為一個(gè)熱工設(shè)備，除了干燥技術(shù)方面外，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、殼體保溫、余熱利用也是保證其高效節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。[12]用內(nèi)置散熱設(shè)備替代外置熱風(fēng)烘干設(shè)備，省去熱風(fēng)轉(zhuǎn)換，提高熱效率。[13]采用絲杠調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)板與進(jìn)口夾角，調(diào)風(fēng)板可以可靠定位在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的任意位置，實(shí)現(xiàn)對熱風(fēng)流量的控制。彭曉晉[8]對北新二線的干燥機(jī)溫度控制設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)進(jìn)行了介紹；鐘偉等[9]介紹了紙面石膏板在干燥機(jī)內(nèi)部位置精準(zhǔn)計(jì)算方法，以便中控室操作人員清晰直觀地了解石膏板在干燥機(jī)內(nèi)的位置；周建中等[10]發(fā)明了一種熱風(fēng)類干燥機(jī)的模糊控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)。合理的殼體保溫能使干燥機(jī)降低熱損失?？砂床煌瑴囟葏^(qū)域采用不同的保溫厚度，還可采用多節(jié)一扇門來減少鋼立柱的外露金屬表面的熱損失。從干燥機(jī)排出的熱濕氣體溫度在130℃以上，含有大量的顯熱和潛熱，因此干燥機(jī)余熱回收利用可降低干燥能耗。[11]在石膏板干燥機(jī)每個(gè)區(qū)的循環(huán)風(fēng)道上新開一個(gè)排濕孔，排濕孔上連接間接式換熱裝置，換熱裝置的余氣排放口上連接調(diào)速軸流風(fēng)機(jī)、冷凝水排放口上連接有汲水器；換熱裝置的進(jìn)水口連接在自來水管道上、出水口連接在熱水管上。通過這些措施可實(shí)現(xiàn)石膏板干燥機(jī)的余熱利用。目前余熱回收利用系統(tǒng)在各條大型石膏板生產(chǎn)線上已廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)能耗明顯降低。表1所示北新建材紙面石膏板生產(chǎn)線的干燥方式及特點(diǎn)。

3 國外石膏板干燥技術(shù)的最新研究熱點(diǎn)

國外石膏板干燥在干燥方式上，除了熱風(fēng)干燥外，還有干燥板材的熱風(fēng)-微波設(shè)備[14]，如圖1所示。此設(shè)備可以干燥膠合板，石膏板，纖維板等大塊板材，采用對流干燥和高頻干燥。對流干燥，可分為幾層干燥板材，從底部吹熱風(fēng)，設(shè)備6干燥時(shí)溫度控制很重要，干燥板材時(shí)溫度約是240℃，出板時(shí)熱風(fēng)溫度約為80℃，它可冷卻板材。裝置9可以將板材一塊一塊的輸送到設(shè)備高頻干燥箱10中。該干燥機(jī)充分利用熱風(fēng)對流干燥和微波干燥的優(yōu)點(diǎn)，降低干燥能耗。

圖1 熱風(fēng)干燥-高頻微波干燥石膏板原理圖

與國內(nèi)石膏板廠幾乎都采用縱向干燥機(jī)的狀況不同，橫向干燥機(jī)在國外應(yīng)用比較普遍。格林策巴赫公司有20多年制造橫向噴射氣流干燥機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。而且國外的干燥機(jī)制造商對于干燥機(jī)應(yīng)用中的包括機(jī)械設(shè)備、電氣控制以及干燥過程等方面的細(xì)節(jié)研究較多。[15]格林策巴赫公司發(fā)明了一種體積小、熱交換率高、便于組裝的熱交換器。[16]AKI公司發(fā)明了一種能使石膏板邊部均勻干燥的裝置，解決了干燥時(shí)石膏板邊部易過火的問題。

國外在干燥機(jī)控制方面的研究優(yōu)勢明顯。對于在干燥機(jī)中的石膏板傳輸探測系統(tǒng)，AKI公司有堵板探測裝置的專利[17]，拉法基公司有板偏探測電路的專利[18]。對于石膏板干燥機(jī)的過程控制方面，BPB公司[19]和WESTRO公司[20]有針對干燥過程控制系統(tǒng)的專利。國外針對石膏板干燥過程中比較關(guān)鍵的兩個(gè)因素——溫度和濕度控制的研究和應(yīng)用也較多。[21]英國石膏公司用成熟的商用QMS(質(zhì)量檢測軟件)在線監(jiān)測石膏板干燥過程中溫度和濕度的變化，提高了生產(chǎn)效率。IMPS-4000濕度自動探測系統(tǒng)是目前比較成熟的石膏板濕度檢測和分析系統(tǒng)，它能在線測量各層石膏板不同位置的濕度。使用Raytek TIP-450紅外成像儀可以提供實(shí)時(shí)的石膏板表面成像和平均溫度的歷史趨勢，有助于精確管理干燥工藝。

近年來，由于經(jīng)濟(jì)萎縮導(dǎo)致建筑業(yè)不景氣，國外的石膏板需求量增長不大。因此石膏板制造商更關(guān)注降低能耗和提高質(zhì)量，對于干燥過程的研究有助于干燥機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)和控制生產(chǎn)，有利于降低產(chǎn)品能耗和提高產(chǎn)品質(zhì)量。D.Neuman[22]將干燥過程中的可接受的濕度變化量定義為設(shè)備引起的濕度變化和操作引起的濕度變化，并提出實(shí)現(xiàn)最小化濕度變化的措施，對以單一產(chǎn)品為主的生產(chǎn)線和品種多樣化的生產(chǎn)線干燥機(jī)設(shè)計(jì)給出了建議。T.Defraeye等[23]對石膏板熱風(fēng)對流干燥過程進(jìn)行建模分析，為干燥機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

4 結(jié) 語

與其他應(yīng)用領(lǐng)域的干燥技術(shù)發(fā)展趨勢一樣，降低能耗、提高熱利用效率也是石膏板干燥技術(shù)的發(fā)展方向?？傮w來說，國內(nèi)石膏板干燥機(jī)設(shè)計(jì)水平較高，但是在設(shè)備制造精度、電氣控制、殼體保溫等方面較國外的干燥機(jī)有差距；而且國內(nèi)對干燥過程的理論分析研究開展也較少。除了干燥技術(shù)本身的發(fā)展能促進(jìn)石膏板干燥過程的節(jié)能降耗，其他技術(shù)發(fā)展也將推動干燥過程的節(jié)能降耗。近年來國外石膏板紛紛使用聚羧酸系減水劑降低水膏比，以減少干燥機(jī)所需蒸發(fā)的水量；保溫技術(shù)的發(fā)展能減少干燥過程中的熱損失；控制技術(shù)越來越精確化也有利于干燥過程降低能耗。

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Status and development trend of plasterboard drying technology

Drying is the most process in plasterboard production,which is closely related to product quality and energy consumption.This paper presents the current status and development trend of plasterboard drying technology at home and aboard.

Plasterboard;Drying technology;Energy consumption;Development trend

TQ177.3

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1003-8965(2017)04-0029-03