干燥設(shè)備論文：梗絲干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研討
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本文作者：李少平、王秋領(lǐng)、范磊、胡宏帥、劉強(qiáng)、李浩亮、吳俊峰、劉洪涌 單位：河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠、河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心、江蘇智思機(jī)械集團(tuán)有限公司
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
梗絲低速氣流干燥設(shè)備與其他氣流干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成相似，主要由干燥器、氣料分離器、除塵器、熱風(fēng)動(dòng)力等部件組成，見(jiàn)圖1。其中，干燥器是氣流干燥設(shè)備的核心部件，直接決定著設(shè)備的性能。
1干燥器
目前在化工、食品、制藥等行業(yè)所采用的氣流干燥設(shè)備，以干燥器的形狀區(qū)分，主要有長(zhǎng)管、短管、脈沖、倒錐形和環(huán)形等［10］。其中，①長(zhǎng)管干燥器應(yīng)用最早且使用最廣泛，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是干燥管過(guò)長(zhǎng)，一般為10～20m，設(shè)備裝配空間高度較高。②短管干燥器多用于沙石類物料的干燥，不適宜于煙草物料。③脈沖氣流干燥采用管徑交替縮小與擴(kuò)大的方法，使物料運(yùn)動(dòng)交替加速或減速，這種干燥方式熱交換效率高，但局部風(fēng)速相對(duì)較高，容易造碎。④環(huán)形干燥器是將直管變成環(huán)形結(jié)構(gòu)，從而降低了干燥器的高度，但由于干燥管轉(zhuǎn)彎部分較多，故局部管壁易于粘料，對(duì)物料的造碎也較大。⑤倒錐形氣流干燥器氣流速度由下而上逐漸減小，不同懸浮速度的物料可分別在管內(nèi)不同的高度懸浮。含水率大的物料懸浮速度大，在干燥管內(nèi)移動(dòng)速度慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)；含水率小的物料懸浮速度小，在干燥管內(nèi)移動(dòng)速度快，干燥時(shí)間較短。因此這種干燥方式可以獲得較好的含水率均勻性，同時(shí)由于風(fēng)速變化使物料和熱風(fēng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱交換效率也較高。綜合考慮干燥器系統(tǒng)阻力、熱交換效率和梗絲造碎情況，且有利于實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速氣流干燥，因而選用了倒錐形干燥器。
2氣料分離器
氣料分離主要采用切向和旋風(fēng)兩種方式［11］?？紤]到梗絲密度較小，物料與熱風(fēng)分離難度較大，氣料分離器選用切向落料器比旋風(fēng)落料器可獲得更好的分離效果。
3除塵器
除塵器主要有旋風(fēng)和布袋兩種形式［11］。布袋除塵器除塵效率高，但占地面積大，清理保養(yǎng)難度大，不適合于高溫高濕氣體的除塵和在車間生產(chǎn)環(huán)境中使用；旋風(fēng)除塵器雖然除塵效率較低，但占地面積小，清理保養(yǎng)方便，對(duì)熱風(fēng)系統(tǒng)的阻力影響小，適合于高溫高濕氣體除塵和在車間生產(chǎn)環(huán)境中使用，因此除塵選用了旋風(fēng)除塵器。
4熱風(fēng)加熱器
熱風(fēng)加熱器主要有蒸汽熱交換器和熱風(fēng)爐兩種［11］。蒸汽熱交換器使用蒸汽為熱源，蒸汽是二次能源，能源利用率低，提供的熱風(fēng)溫度低（一般不超過(guò)170℃），受蒸汽質(zhì)量影響大，蒸汽熱交換器系統(tǒng)阻力大，容易積塵存在安全隱患；熱風(fēng)爐使用柴油或天燃?xì)庖淮文茉醋鳛槿剂?，能源利用率較高，可克服蒸汽熱交換器的不足，因此熱風(fēng)加熱器選用了熱風(fēng)爐。綜上所述，為了使加工的梗絲具有較好的膨脹效果（或填充值）和含水率均勻性，同時(shí)達(dá)到加工過(guò)程低風(fēng)速、低造碎的要求，確定的梗絲膨脹干燥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)
1工藝風(fēng)速
不同含水率梗絲在豎直管道內(nèi)最低懸浮速度的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。為實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速條件下的安全輸送，將倒錐形干燥管干燥入口（梗絲含水率36%）的氣流速度設(shè)定為7m/s，干燥出口（梗絲含水率13%）的氣流速度設(shè)定為3～4m/s。
2干燥管和進(jìn)料管
干燥管作為設(shè)備的關(guān)鍵部件，形狀為方形，在風(fēng)力輸送物料時(shí)，方形的四角風(fēng)速不穩(wěn)定［12］，容易堆積物料，因此在設(shè)計(jì)制造時(shí)將方形的四角制作成較大的圓角，并把內(nèi)壁打磨光滑。根據(jù)生產(chǎn)能力2000kg/h(按標(biāo)準(zhǔn)含水率12%)，來(lái)料含水率40%，出口含水率12.5%，計(jì)算出脫水量G=917kg/h，由脫水量G計(jì)算出所需要的熱量M=2.225×109J，由質(zhì)量和能量守恒定理可得出攜帶熱量M所需要的空氣Q（風(fēng)機(jī)風(fēng)量）約為36000m3/h。根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q及干燥管上部和下部風(fēng)速計(jì)算出干燥管上部和下部截面面積分別為3.2m2和1.4m2，干燥管尺寸見(jiàn)圖3。根據(jù)系統(tǒng)的風(fēng)量（36000m3/h）和風(fēng)速，以梗絲（含水率36%）3～4倍的懸浮速度(表1)計(jì)算出進(jìn)料管的截面積。為了使熱風(fēng)從進(jìn)料管輸送到干燥管的截面風(fēng)速均勻，根據(jù)文獻(xiàn)［13］的要求，確定進(jìn)料管的長(zhǎng)度為4～5m，進(jìn)料管尺寸見(jiàn)圖4。為有效解決風(fēng)速低易使物料在干燥管底部沉積問(wèn)題，將進(jìn)料管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2層。進(jìn)料管上層通過(guò)熱風(fēng)輸送物料，下層只輸送熱風(fēng)，使物料在進(jìn)入干燥管時(shí)，下層的熱風(fēng)能對(duì)物料起到托起作用，同時(shí)在進(jìn)料管前端設(shè)置上下層熱風(fēng)分配風(fēng)門。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)下層的熱風(fēng)量約為總風(fēng)量的2/3時(shí)，物料在干燥管底部不會(huì)出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。
3勻料輥
考慮到干燥管截面積較大，梗絲在進(jìn)入干燥管后不能充分散開(kāi)，部分梗絲會(huì)在慣性作用下直接沿著干燥管的對(duì)面管壁運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致物料分布不均勻，脫水不均衡，影響出口含水率的穩(wěn)定。因此，在干燥管下部設(shè)計(jì)安裝一個(gè)勻料裝置(即勻料輥)，見(jiàn)圖5。由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的勻料輥為三棱形，安裝于進(jìn)料管和倒錐形干燥管的結(jié)合處，使進(jìn)入干燥管的物料在干燥管各截面上均勻分布，從而提高固氣混合物的傳熱傳質(zhì)效率，保證梗絲干燥脫水的均勻性。
4設(shè)備表面處理
與高含水率梗絲接觸的部件表面，如文氏管內(nèi)腔、進(jìn)料氣鎖和汽料分離器內(nèi)壁、勻料輥表面等均采用特氟龍?zhí)幚恚苑乐垢吆饰锪显谄浔砻嬲辰Y(jié)。2.5控制因素和工藝流程梗絲低速氣流干燥設(shè)備控制因素主要由風(fēng)溫、風(fēng)量（干燥時(shí)間）、排潮量、梗絲含水率（脫水量）等組成。干燥熱風(fēng)循環(huán)使用，干燥后回風(fēng)的一部分（占總風(fēng)量的20%～30%）通過(guò)排潮管道排出干燥系統(tǒng)；回風(fēng)的大部分（占總風(fēng)量的70%～80%）分成2路，由熱風(fēng)分配閥門調(diào)節(jié)，一路進(jìn)入熱風(fēng)爐加熱，另一路直接進(jìn)入混合箱與加熱后的熱風(fēng)混合后形成工藝熱風(fēng)。熱風(fēng)爐的出風(fēng)溫度控制在200～250℃，控制精度±3℃；干燥管上部的風(fēng)速為3.2～3.4m/s，工作風(fēng)溫控制在170～230℃，控制精度±1℃。通過(guò)調(diào)整熱風(fēng)風(fēng)機(jī)的頻率控制風(fēng)量，風(fēng)機(jī)頻率控制在30～50Hz；系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為36000～58000m3/h，控制范圍為42000～48000m3/h。干燥系統(tǒng)的排潮量通過(guò)調(diào)整排潮管道內(nèi)風(fēng)門的角執(zhí)行器進(jìn)行控制。排潮風(fēng)門開(kāi)度可在0～100%之間調(diào)節(jié)，為了節(jié)省能源，在設(shè)備預(yù)熱階段時(shí)排潮風(fēng)門關(guān)閉，在正常生產(chǎn)時(shí)排潮風(fēng)門的開(kāi)度控制在30%～70%。梗絲出口含水率的控制是根據(jù)工藝要求設(shè)定，按照進(jìn)料流量和含水率計(jì)算出脫水量，在干燥系統(tǒng)風(fēng)量、排潮量一定的情況下，通過(guò)調(diào)整工作風(fēng)溫進(jìn)行控制，出口含水率控制范圍為設(shè)定值±0.5%。系統(tǒng)的工藝流程為：膨化后的梗絲由進(jìn)料氣鎖送入進(jìn)料管，進(jìn)料管沿氣流方向傾斜安裝，在熱風(fēng)作用下將梗絲輸送到倒錐形干燥管內(nèi)，經(jīng)勻料輥分散后達(dá)到懸浮狀態(tài)，并沿風(fēng)速方向向上運(yùn)動(dòng)，因干燥管采用倒錐形設(shè)計(jì)，風(fēng)速向上逐漸減小。而梗絲在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地干燥脫水，含水率逐漸降低，含水率小的梗絲運(yùn)動(dòng)速度快，干燥時(shí)間短；反之，速度慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)。梗絲通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)自行調(diào)節(jié)干燥含水率，從而提高干燥后的含水率均勻性。在懸浮干燥過(guò)程中，梗絲中的梗頭、梗簽、團(tuán)塊等重物被風(fēng)選分離，下落到干燥管底部并排出。
應(yīng)用效果
梗絲低速氣流干燥設(shè)備目前已在許昌卷煙廠得到了生產(chǎn)應(yīng)用，與原使用的流化床干燥工藝相比，發(fā)揮了氣流干燥填充值高、含水率均勻性好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，克服了現(xiàn)有氣流式干燥設(shè)備存在的不足。由表2和表3可見(jiàn)，改進(jìn)后梗絲整絲率提高約5百分點(diǎn)，碎絲率降低約1百分點(diǎn)，梗絲干燥出口斷面含水率極差減小1.5百分點(diǎn)；“黃金葉（帝豪）”和“紅旗渠（銀河之光）”兩個(gè)品牌卷煙的感官質(zhì)量分別提高了0.5分和1.1分，主流煙氣指標(biāo)均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。