屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究方向

盧海峰 張小衛(wèi)

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

屋脊式干燥塔具有熱效率高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干燥物料適用范圍廣及設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。 作為一種較新型干燥設(shè)備，目前，對(duì)屋脊式干燥塔的研究基本還停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，只能通過已投產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況調(diào)整設(shè)計(jì)思路。 筆者介紹了屋脊式干燥塔的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，提出了該設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，并針對(duì)其特點(diǎn)，指出了屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)研究的新方向。

1 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)

屋脊式干燥塔是由多層類似于屋脊?fàn)畹墓茏渝e(cuò)落布置形成的立式封閉箱體干燥設(shè)備。 干燥塔由若干個(gè)獨(dú)立的干燥段組成，每個(gè)干燥段一般由4～8 層屋脊式管子組成，相鄰干燥段之間設(shè)有料封段，防止熱介質(zhì)互竄。 如屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)和氣流走向示意圖（圖1）所示，熱介質(zhì)與物料為逆流接觸換熱，即熱介質(zhì)由塔底部進(jìn)入，然后逐級(jí)被過濾加熱后進(jìn)入下一級(jí)，直至走完整個(gè)流程后從塔頂部排出，進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)。 干燥段內(nèi)，排布上下錯(cuò)落相鄰的屋脊式管子，一根為熱介質(zhì)入口，稱之為進(jìn)氣管，通過熱介質(zhì)壓力進(jìn)入立式箱體內(nèi)對(duì)物料進(jìn)行干燥， 一根為熱介質(zhì)出口，稱之為排氣管，在排氣口負(fù)壓作用下將攜帶水分的熱介質(zhì)排出箱體外，經(jīng)過過濾、再加熱后進(jìn)入下一個(gè)干燥段內(nèi)循環(huán)使用。 熱介質(zhì)入口端進(jìn)氣管敞開、排氣管封閉，熱介質(zhì)出口端排氣管敞開、進(jìn)氣管封閉，實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)管箱中熱介質(zhì)進(jìn)入和排出的功能。

1.2 屋脊式干燥塔工作原理

屋脊式干燥塔的工作原理是將含有水分的物料從塔入口通過物料均布器均勻分布到塔內(nèi)部，直至物料充滿整個(gè)干燥塔，達(dá)到干燥要求后，通過塔底部的密封旋轉(zhuǎn)卸料閥排出后由氣力輸送送至后續(xù)加工單元，此時(shí)即形成一個(gè)連續(xù)的干燥過程，即進(jìn)入干燥塔的物料和干燥后排出的物料達(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。 加熱介質(zhì)通過換熱器加熱后由塔底部進(jìn)入屋脊式干燥管，然后在熱介質(zhì)的壓力下從管子上的若干個(gè)小孔進(jìn)入被干燥物料內(nèi)，與物料直接接觸換熱，降溫后的熱介質(zhì)通過相鄰的屋脊式干燥管上的若干個(gè)小孔，在下一級(jí)單元抽風(fēng)機(jī)的作用下排出，然后經(jīng)過過濾、加熱后再循環(huán)至下一級(jí)，以此類推逐級(jí)完成干燥后從塔頂排出。 相鄰每個(gè)單元之間設(shè)有料封段，防止熱介質(zhì)互竄造成熱介質(zhì)偏流。 屋脊式干燥塔底部設(shè)有密封旋轉(zhuǎn)卸料閥，旋轉(zhuǎn)閥具有變頻調(diào)節(jié)功能，能夠調(diào)整物料干燥停留時(shí)間和干燥后的水分，直至滿足要求，屋脊式干燥塔每個(gè)單元的料封段設(shè)置測(cè)溫元件，便于熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)干燥后物料水分的要求。

2 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

通過分析屋脊式干燥塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理可知，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證干燥連續(xù)性和干燥性能的基礎(chǔ)。

圖1 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)和氣流走向示意圖

設(shè)備應(yīng)具有高度靈活性，根據(jù)物料特性或特殊要求易于設(shè)計(jì)新設(shè)備或改造舊設(shè)備；物料自上而下通過重力作用緩慢流動(dòng)，因此，氣流管路不應(yīng)阻礙物料下行；由于塔內(nèi)氣流管道會(huì)影響內(nèi)部物料流動(dòng)方向， 氣流管道應(yīng)起到均布物流作用；氣流管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮物料粘性和休止角度，防止物料粘壁或堆積，從而影響干燥效果或物料品質(zhì)；氣流經(jīng)進(jìn)氣管一側(cè)進(jìn)入塔內(nèi)，進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證塔內(nèi)氣流均勻分布；氣流排氣管應(yīng)考慮氣體有足夠停留時(shí)間的情況下均勻排出塔內(nèi)，以確保新氣源順暢進(jìn)入干燥塔。

2.2 屋脊式干燥管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 串聯(lián)立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)由進(jìn)料段、干燥段和出料段3 個(gè)基本模塊組成，進(jìn)料段和出料段可根據(jù)物料特性設(shè)計(jì)其高度，干燥段可由若干個(gè)干燥分段串聯(lián)而成。 設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)相近的物料特性，可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同的干燥段，再根據(jù)不同的含水量要求確定干燥段段數(shù)即可，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程。 若舊設(shè)備需要提升干燥性能，也可分段優(yōu)化干燥段或增加干燥段。

2.2.2 屋脊式氣流管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屋脊式氣流管截面示意圖如圖2 所示，其三維模型如圖3 所示。 氣流管截面設(shè)計(jì)類似于三角形屋脊?fàn)疃妹?，物料自上而下流?dòng)沿氣流管頂端滑下，可在改變物料流動(dòng)方向的同時(shí)不阻礙其流動(dòng)。

圖2 屋脊式氣流管截面示意圖

圖3 屋脊式氣流管截面三維模型

2.2.3 屋脊式氣流管排布方式

屋脊式氣流管采用多層錯(cuò)落式排布，即首層是進(jìn)氣管， 通過一定間隔排布在方形塔內(nèi)， 第2層為排氣管， 相較首層進(jìn)氣管錯(cuò)落一定間隔排布。 排布方式如氣流管排布截面圖所示（圖4）。

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截面第1 層為進(jìn)氣管，按固定間隔在塔內(nèi)同一平面均勻排布，物料沿屋脊壁面均勻下落至第2 層排氣管， 排氣管按上層兩個(gè)進(jìn)氣管間隔位置錯(cuò)落布管，管子間隔與進(jìn)氣管間隔相同，物料沿屋脊壁均勻下落至下一層，按此方式交替布管。

圖4 氣流管排布截面圖

氣流管排布間隔非常重要，既要保證足夠多的氣流管向塔內(nèi)通入足量的熱介質(zhì)，又要保證物流的流通性能，因此排布間隔需要根據(jù)要求反復(fù)核算。 錯(cuò)落式排布保證上層物料沿屋脊壁流下時(shí)可直接流向下層氣流管壁面，多次改變物料向下流動(dòng)方向，增大物料與熱介質(zhì)接觸面積與接觸幾率。

2.2.4 屋脊角度設(shè)計(jì)

屋脊式氣流管的屋脊角度直接影響氣流管尺寸和塔內(nèi)氣流管數(shù)量， 按目前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，屋脊最佳角度一般為40～60°。 若角度過小，不僅氣流管尺寸會(huì)增大，而且根據(jù)物料沿屋脊壁流動(dòng)特性，塔內(nèi)需設(shè)置更多的氣流管，這樣勢(shì)必會(huì)影響塔體內(nèi)容積和物料的流動(dòng)性能； 若角度過大，不僅使塔內(nèi)氣流管數(shù)量過少，直接影響熱介質(zhì)進(jìn)入和排出的效率，而且物料極易發(fā)生堆積和粘壁效應(yīng)。

2.2.5 屋脊式進(jìn)、排氣方式設(shè)計(jì)

屋脊式排氣管采用排氣端敞開、進(jìn)氣端封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式， 排氣管底部為三角排布的小圓孔，參與完熱交換的熱介質(zhì)通過底面小圓孔均勻流出。

根據(jù)圖5 分析屋脊塔內(nèi)氣流流動(dòng)方向，可知?dú)怏w排出方式對(duì)氣流均勻分布影響較大，通過對(duì)排氣管結(jié)構(gòu)分析，對(duì)氣流分布影響最大的因素是排氣孔開孔率，目前經(jīng)驗(yàn)值一般為35%左右。

圖5 屋脊塔內(nèi)氣流流動(dòng)方向

2.3 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

通過分析屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比槳葉式干燥機(jī)、滾筒式干燥機(jī)、流化床干燥器、轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)等其他干燥設(shè)備，屋脊式干燥塔具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 直接接觸式干燥方式，蒸發(fā)水分被熱介質(zhì)直接帶走， 干燥效率較高的同時(shí)熱損耗較低，非常適合含水量要求極低的干燥工況；

b. 由于依靠重力輸送物料且內(nèi)部錯(cuò)落排布屋脊式氣流管，物料不易粘壁、堆積和碎化，同時(shí)氣流管還具有一定均布物料的作用，物料干燥后含水量均一度較好，此種結(jié)構(gòu)尤其適合干燥絮片狀濕物料；

c. 停留時(shí)間可通過下料旋轉(zhuǎn)閥控制，操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)塔底物料含水量與干燥要求含水量差值自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)閥門開度，確保成本含水量處于合格范圍以內(nèi)；

d. 整體設(shè)備由進(jìn)料段、干燥段和出料段串聯(lián)而成，設(shè)備可根據(jù)物料特性、干燥水分要求及停留時(shí)間等參數(shù)定制其串聯(lián)數(shù)量，可定制化程度高的同時(shí)大幅度降低設(shè)計(jì)周期；

e. 設(shè)備整體采用靜密封方式， 密封性能極佳，干燥器內(nèi)氧含量極低，尤其適用于對(duì)氧含量敏感性高的材料；

f. 能耗和維護(hù)成本低廉，經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)。

3 屋脊式干燥塔研究方向

屋脊式干燥塔作為熱介質(zhì)與物料直接接觸式靜密封干燥結(jié)構(gòu)，相較傳動(dòng)干燥設(shè)備，具有諸多優(yōu)勢(shì)。 目前來(lái)看，可從以下幾點(diǎn)研究方向入手，推動(dòng)該設(shè)備的市場(chǎng)應(yīng)用：

a. 根據(jù)物料性質(zhì)， 研究最佳屋脊角度和間距；

b. 利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化屋脊式氣流管結(jié)構(gòu)，如模擬排氣管最佳開孔率、優(yōu)化排氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化排氣管開孔方向等；

c. 根據(jù)干燥要求， 量化產(chǎn)品規(guī)格和串聯(lián)量，使之成為非標(biāo)設(shè)備中的系列化產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

屋脊式干燥塔作為一種新型干燥設(shè)備，可針對(duì)其設(shè)備特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或改進(jìn)以增進(jìn)其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)配合方式解鎖多種物料的干燥分析數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的物料，建立一整套標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，降低成本的同時(shí)提升干燥效率和物料品質(zhì)才能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。