微波干燥機(jī)監(jiān)測(cè)方式的改進(jìn)與優(yōu)化

吳金偉，吳慧軍

（中國(guó)石化催化劑有限公司長(zhǎng)嶺分公司，湖南岳陽(yáng) 414000）

0 引言

20 世紀(jì)60 年代，國(guó)外有關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)微波技術(shù)在物質(zhì)干燥領(lǐng)域的理論和應(yīng)用進(jìn)行大量研究，近幾十年來(lái)這項(xiàng)技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展。國(guó)內(nèi)規(guī)定工業(yè)微波干燥的頻率主要為2450 MHz 和915 MHz，目前微波技術(shù)多用于化工、食品、農(nóng)副產(chǎn)品、木材類、建材類、造紙、保溫板建材等行業(yè)的干燥，也用于食品、農(nóng)副產(chǎn)品等的殺菌，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

近年來(lái)，微波技術(shù)在石油化工催化劑生產(chǎn)行業(yè)得到應(yīng)用，不僅可用于催化劑或分子篩等化工原料的干燥，對(duì)于某些特定分子篩焙燒的應(yīng)用也取得成功。由于微波具有加熱速度快、效率高、操作強(qiáng)度低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，微波技術(shù)在催化劑生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣。

1 微波干燥原理

微波干燥方式與由表及里的傳統(tǒng)加熱不同，微波加熱是將微波能量通過(guò)空間或媒質(zhì)以電磁波的形式傳導(dǎo)給物料內(nèi)部原子或分子，激發(fā)分子高頻振蕩而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生熱量，物料在電磁場(chǎng)中的介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)升溫，因而微波干燥具有干燥速度快、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、干燥均勻、清潔衛(wèi)生、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

微波干燥的熱源來(lái)自于微波發(fā)射管，即磁控管。當(dāng)微波照射到含水物料時(shí)，由于水分子是極性分子，極性分子的物質(zhì)會(huì)吸收微波，且在微波場(chǎng)中隨著微波的頻率而快速變換取向，來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，使分子間相互碰撞摩擦，吸收微波的能量而使溫度升高，隨之汽化蒸發(fā)，再由除濕風(fēng)機(jī)將箱體內(nèi)水蒸氣抽走，最終達(dá)到干燥物料的目的。

物質(zhì)吸收微波功率的表達(dá)式見(jiàn)式1。

式中 P——為介質(zhì)吸收微波功率，W

F——為微波頻率，Hz

E——有效電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m

V——物料的體積，m3

人們對(duì)都市生態(tài)認(rèn)知上的不足和偏差是導(dǎo)致都市生態(tài)破壞行為的主要原因，對(duì)此，必須適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)這方面的宣傳工作，利用新媒體時(shí)代信息傳播渠道多樣化的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)廣播電視、雜志期刊、電腦手機(jī)等多種渠道對(duì)都市生態(tài)方面的知識(shí)和跋扈方法進(jìn)行宣傳，使人們形成都市生態(tài)保護(hù)意識(shí)。同時(shí)，市政工程管理單位要從全局出發(fā)做好市政規(guī)劃，并對(duì)市政工程實(shí)施中的都市生態(tài)破壞行為進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督。

ε0——真空介電常數(shù)，8.85×10-12

εr——介電常數(shù)

tan δ——介質(zhì)損耗角正切值

由公式1 可以看出，物質(zhì)在微波場(chǎng)中，其單位體積的熱能轉(zhuǎn)換與微波電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，同時(shí)與微波頻率及物質(zhì)的介電特性（介電常數(shù)和介質(zhì)損耗）等因素也密切相關(guān)。當(dāng)微波頻率和物料確定以后，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗以及頻率是不變的，物質(zhì)吸收的能量主要取決于微波場(chǎng)強(qiáng)。有效微波場(chǎng)強(qiáng)必須與所需功率相匹配，否則可能會(huì)出現(xiàn)物料干燥不透或微波干燥機(jī)超溫等問(wèn)題。

2 微波干燥機(jī)存在問(wèn)題及原因分析

中國(guó)石化催化劑長(zhǎng)嶺分公司于2014 年引進(jìn)MDF-N240 型連續(xù)微波干燥機(jī)應(yīng)用于分子篩等化工原料的干燥，達(dá)到了較好的效果。該設(shè)備采用隧道式結(jié)構(gòu)，由微波發(fā)生及冷卻機(jī)構(gòu)、PLC自動(dòng)化控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸帶自動(dòng)糾偏系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

該設(shè)備箱體采用不銹鋼板制造，外部保溫，具有較強(qiáng)的隔熱保溫性能與抗腐蝕性能，物料通過(guò)傳送帶連續(xù)輸送，勻速通過(guò)微波干燥箱，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)并到達(dá)干燥效果。該設(shè)備微波發(fā)射頻率為2450 MHz，系統(tǒng)采用PLC 控制，操作簡(jiǎn)單，具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、節(jié)省能耗、工作環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但由于進(jìn)料物料含水量的不穩(wěn)定性，容易造成干燥箱內(nèi)物料過(guò)熱燃燒、損壞設(shè)備、降低磁控管使用壽命等現(xiàn)象。

2.1 故障現(xiàn)象

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于進(jìn)料物料的含水量高，且含水量不穩(wěn)定（含水量為70±15%），物料的干燥時(shí)間波動(dòng)較大，造成含水量降低的物料通過(guò)干燥箱時(shí)微波功率過(guò)剩，導(dǎo)致微波主要元件（磁控管）使用壽命受到影響。

微波干燥機(jī)的核心為磁控管和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，微波干燥機(jī)采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常使用紅外測(cè)溫或者接觸式儀表對(duì)箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量箱體內(nèi)溫度的變化調(diào)節(jié)箱體內(nèi)的微波量，進(jìn)而保證物料能夠在傳送過(guò)程中得到干燥。但這種測(cè)溫方式存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)料物料含水量降低，物料過(guò)早干燥，吸收微波能力下降，這時(shí)加熱機(jī)箱體內(nèi)微波功率密度大幅快速增加，而溫度往往反應(yīng)滯后，很可能出現(xiàn)因微波源功率調(diào)節(jié)不及時(shí)導(dǎo)致磁控管損壞、物料燃燒引起傳送帶燒損、饋入板或?qū)Рü軣┳冃蔚裙收?，?yán)重影響生產(chǎn)，甚至造成設(shè)備事故。

2.2 原因分析

圖1 微波干燥機(jī)結(jié)構(gòu)

（2）接觸式測(cè)溫儀表（如熱電偶）測(cè)量溫度比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要充分進(jìn)行熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，存在測(cè)溫延遲現(xiàn)象。

（3）微波干燥依賴于微波加熱。微波介電加熱的頻率是915 MHz 和2.45 GHz，最常用的頻率是2.45 GHz。與依靠傳導(dǎo)、對(duì)流的加熱方式不同，微波加熱是依靠介質(zhì)材料在微波場(chǎng)中的極化損耗產(chǎn)生的整體加熱，熱量產(chǎn)生于材料內(nèi)部而非來(lái)自外部加熱源，這種方式的加熱更快速、均勻，且無(wú)溫度梯度，無(wú)滯后效應(yīng)。當(dāng)物料進(jìn)料量減少或物料中水分已被蒸發(fā)完全時(shí)，箱體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)迅速增加，而此時(shí)箱體內(nèi)的溫度將會(huì)迅速增加，系統(tǒng)接收到超溫信號(hào)后才做出反應(yīng)，而此時(shí)物料傳送帶有可能已經(jīng)被燒壞。

（4）在物料干燥充分，而沒(méi)有超溫時(shí)，系統(tǒng)依然會(huì)輸入高功率微波，物料中的極性分子會(huì)繼續(xù)吸波生熱，而此時(shí)已無(wú)水分蒸發(fā)帶走熱量，使得物料燃燒起來(lái)，燒損傳送帶、饋入板、導(dǎo)波管等，同時(shí)因?yàn)閭魉蛶龘p，微波直射至爐腔的不銹鋼底板反射回微波源，會(huì)導(dǎo)致磁控管損壞。

綜上所述，傳統(tǒng)控制方式為測(cè)量微波干燥機(jī)箱體內(nèi)溫度，一方面目前微波場(chǎng)中的溫度尚無(wú)大家認(rèn)可的準(zhǔn)確的方法進(jìn)行測(cè)量，另一方面，控制溫度不能夠有效的避免微波輸入量過(guò)大的問(wèn)題，因此以控制溫度為手段，控制最終物料的含水量不是最有效的手段。

3 解決方案

根據(jù)物料的含水率、干燥完成后的含水率以及物料傳送時(shí)間，確定箱體內(nèi)的微波場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，對(duì)系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度控制進(jìn)行設(shè)置，使得箱體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

當(dāng)物料進(jìn)入箱體時(shí)，水分吸收微波，場(chǎng)強(qiáng)減小，此時(shí)通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)將信號(hào)進(jìn)行反饋，增大場(chǎng)強(qiáng)，使得保持箱體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)不變；當(dāng)物料中水分被蒸發(fā)后，物料吸收微波能力減小，箱體中場(chǎng)強(qiáng)增大，場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋后，減小場(chǎng)強(qiáng)輸入；當(dāng)異常狀況下，進(jìn)料量為零時(shí)，箱體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)迅速增強(qiáng)，場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)到信號(hào)后，逐漸關(guān)閉輸入量，直至完全關(guān)閉，從而保證傳送帶、饋入板等不會(huì)被損壞。

方案應(yīng)用于MDF-N240 型連續(xù)式高效微波干燥機(jī)，將原有箱體分割成兩部分，每部分腔體內(nèi)裝入一個(gè)微波場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)器，并接入到PLC 控制系統(tǒng)，改造完成后進(jìn)行帶料運(yùn)行，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行290 余天無(wú)故障，磁控管使用壽命顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MDF-N240 型連續(xù)式高效微波干燥機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制方式的優(yōu)化改進(jìn)，使用效果良好，設(shè)備故障率明顯降低，磁控管使用壽命大幅延長(zhǎng)，微波加熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到明顯的體現(xiàn)。經(jīng)改造后的設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

（1）運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)故障。未出現(xiàn)因微波饋入功率過(guò)剩而導(dǎo)致物料高溫燃燒而燒損傳送帶、饋入板、導(dǎo)波管等故障發(fā)生，達(dá)到了連續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)。

（2）實(shí)現(xiàn)空載自保功能。改造后，當(dāng)干燥機(jī)在空載狀態(tài)或者漿料斷流的情況下，可通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)反饋?zhàn)詣?dòng)關(guān)閉微波源，保護(hù)磁控管。

（3）節(jié)能效果明顯。改造后每噸分子篩漿料充分干燥的耗電量較改造前節(jié)?。?7～85）kW。