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一、空心槳葉干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)特征
空心槳葉干燥機(jī)由帶夾套的端面呈W型殼體、上蓋、帶有槳葉片的中空軸、殼體兩端端蓋、通有熱介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管以及齒輪、鏈輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。
空心槳葉干燥機(jī)的核心部件是空心軸(可分為單軸、雙軸、四軸)和焊在軸上的空心攪拌槳葉,污泥干化工藝中一般選擇雙軸。槳葉形狀為楔形的空心半圓,內(nèi)部可以通入加熱介質(zhì),除了起攪拌作用外,也是設(shè)備的主要傳熱體。槳葉的兩個(gè)主要傳熱側(cè)面呈斜面,物料與斜面接觸時(shí),隨著葉片旋轉(zhuǎn),顆粒很快就從斜面滑開(kāi),使傳熱表面不斷獲得更新。
空心槳葉干燥機(jī)為連續(xù)運(yùn)行設(shè)備。兩主軸配置時(shí),旋轉(zhuǎn)方向相反,主軸轉(zhuǎn)速較低,線速度低于2m/s。主軸、槳葉以及W形槽均為中空,中間可通入熱流體加熱。
干燥機(jī)的上部穹頂不加熱,用于開(kāi)設(shè)檢查窗,連接風(fēng)道、管線等。在頂蓋的中部設(shè)置抽氣口,以微負(fù)壓方式抽取蒸發(fā)的水蒸氣。換熱方式為熱傳導(dǎo),僅在抽取負(fù)壓時(shí)流入少量的環(huán)境空氣,氣體與物料運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殄e(cuò)流。物料在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng),工藝環(huán)路為開(kāi)環(huán),不再將處理過(guò)的廢氣返回。
由于主軸既為轉(zhuǎn)動(dòng)部件,又是主要的換熱面,考慮設(shè)備密封及機(jī)械形變,工藝要求其工質(zhì)溫度一般不能超過(guò)200度。由于蒸汽釋放潛熱而導(dǎo)熱油僅釋放顯熱,使用工藝一般選擇蒸汽工質(zhì),此時(shí)所需輸送熱流體的熱流道為^小,易于布置。典型的飽和蒸汽溫度為150-200度,壓力5~7巴,^高可達(dá)14巴。
二、空心槳葉干燥機(jī)在污泥干化處理方面各項(xiàng)技術(shù)因素分析
1、干燥機(jī)傾斜布置
空心槳葉干燥機(jī)的布置為臥式,一般帶有一定傾斜角度,它由一側(cè)進(jìn)料,另一側(cè)出料,物料在干燥機(jī)內(nèi)的前移主要靠重力移動(dòng),這是由于槳葉本身的斜面不具有軸向推動(dòng)作用,位于槳葉頂端的刮板與槳葉呈90度布置,也僅起到徑向抄起和攪拌的作用,也不構(gòu)成軸向推進(jìn),因此物料的向前推進(jìn)需要依靠干燥機(jī)的傾斜角度來(lái)完成。
現(xiàn)在,經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的干燥機(jī),可以通過(guò)調(diào)整槳葉斜面角度,產(chǎn)生軸向推動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的推移,并利用轉(zhuǎn)速調(diào)整干燥時(shí)間。
2、溢流堰的設(shè)置
由于槳葉的阻隔作用,物料在干燥機(jī)內(nèi)從加料口向出料口的移動(dòng)呈現(xiàn)柱塞流形式,停留時(shí)間的分布^狹窄,要使產(chǎn)品獲得足夠的時(shí)間處理,并使換熱表面得到充分利用,須使物料充滿干燥機(jī),即料位應(yīng)“浸沒(méi)”槳葉的上緣高度。在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí),須關(guān)閉位于干燥機(jī)末端的出口,以實(shí)現(xiàn)“蓄水”效應(yīng),同時(shí)還需設(shè)置能夠阻擋物料、維持高料位的溢流堰,理論上溢流堰應(yīng)使物料略高于槳葉高度。溢流堰位于干燥器尾部,干泥下料口的上方,它應(yīng)具有類似“提升閘”的機(jī)械結(jié)構(gòu),以維持工藝所需的料位高度。
3、加熱軸類型
設(shè)備的加熱介質(zhì)既可以用蒸汽,也可以用導(dǎo)熱油或熱水,但熱載體相態(tài)不同,中空軸結(jié)構(gòu)也不同。用蒸汽加熱時(shí)熱軸管徑小,結(jié)構(gòu)會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單;用熱水或?qū)嵊图訜釙r(shí),熱軸結(jié)構(gòu)則較復(fù)雜,需要考慮管內(nèi)液體流速;管徑越粗,旋轉(zhuǎn)接頭及密封的難度也越大。
向中空槳葉供給熱量,若采用蒸汽工質(zhì)時(shí),因其釋放潛熱的特點(diǎn),進(jìn)出管線直徑較小。若采用導(dǎo)熱油時(shí),為獲得足夠的熱體流量,這些管線的直徑可能變得較大,這對(duì)主軸來(lái)說(shuō)則可能降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于主軸本身具備多項(xiàng)功能(支撐槳葉、輸送熱流體、傳熱換熱等),它需要克服物料的粘滯力、物料與槳葉間摩擦、以及物料本身對(duì)主軸表面的磨損等,主軸所需克服的應(yīng)力較大。設(shè)計(jì)時(shí),既要保證其機(jī)械強(qiáng)度,又要保證其換熱性能,同時(shí)還應(yīng)兼顧材料強(qiáng)度等,這些可能相互矛盾的條件將使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜,如為了提高換熱面積,需增加槳葉數(shù)量和直徑,但這將導(dǎo)致主軸的應(yīng)力增加。如要提高主軸強(qiáng)度,需要增加主軸直徑,但這又會(huì)相應(yīng)減少槳葉的換熱面積。
針對(duì)不同的加熱介質(zhì),主軸類型的選擇和結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的,如原來(lái)采用蒸汽作為工質(zhì)的干燥機(jī),當(dāng)改用導(dǎo)熱油作為熱介質(zhì)時(shí),其熱流通道將完全不同,傳熱能力也有很大變化,所以不能簡(jiǎn)單復(fù)制和利用原來(lái)的工藝參數(shù)。
4、停留時(shí)間
理論上污泥干化的停留時(shí)間可通過(guò)加料速率、轉(zhuǎn)速、存料量等調(diào)節(jié),可在幾^種到幾小時(shí)之間任意選定,其中溢流堰是調(diào)節(jié)干燥機(jī)內(nèi)污泥滯留量的主要手段。
為使換熱面積得到充分利用,干燥機(jī)內(nèi)污泥滯留量要求較高,料位應(yīng)當(dāng)超過(guò)槳葉的上緣高度,即一般所說(shuō)的“有效容積”需100%加以利用。如果按蒸汽罩在內(nèi)的整個(gè)干燥機(jī)筒體容積計(jì)算,有效容積可能要占到干燥機(jī)總?cè)莘e的70~80%。干燥機(jī)內(nèi)物料存留率高,將使得污泥在干燥器內(nèi)的實(shí)際停留時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng),可達(dá)3-7個(gè)小時(shí)。
5、干泥返混
理論上,由于主軸上的空心槳葉互相嚙合,具有自清潔作用,空心槳葉干燥機(jī)可進(jìn)行污泥半干化和全干化操作,而無(wú)需進(jìn)行干泥返混。但實(shí)際上,通過(guò)槳葉互相嚙合而形成的物料剪切實(shí)現(xiàn)自清潔仍需要一定的前提條件,這就是設(shè)備中的嚙合精度足夠高,機(jī)械間隙足夠小,以及物料間的剪切力足以克服產(chǎn)品在換熱表面上的附著力。我們?cè)诜治隹招臉~干燥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí),不難注意到其機(jī)械結(jié)構(gòu)之間是存在較大間隙的,完全靠機(jī)械咬合清理死區(qū)是不可能的,這意味著真正實(shí)現(xiàn)空心槳葉熱表面自清潔和更新的手段是物料之間的相互摩擦,即金屬表面與物料之間以及物料與物料之間的剪切力。實(shí)現(xiàn)物料之間相互摩擦可采用加大物料填充密度的方法,維持料位高度,可提高物料間的相互接觸機(jī)會(huì),配合槳葉葉片的擠壓,可實(shí)現(xiàn)對(duì)某些換熱面的自清理。
由于濕泥本身特性的原因,在干化過(guò)程中有成團(tuán)、成球和搭橋的傾向,純粹靠提高料位是無(wú)法克服的,因?yàn)闈衲囝w粒之間的剪切力可能造成濕泥在無(wú)法更新的間隙中“壓實(shí)”,而不會(huì)使其在顆粒間產(chǎn)生疏松和流動(dòng)性,只有干泥因其顆粒表面已完全失水,具有在短時(shí)間內(nèi)復(fù)水性不佳的特性,顆粒間隙大,遇到機(jī)械剪切力,才有滑離金屬表面的可能性。因此實(shí)際工程上,空心槳葉干化均考慮了干泥返混,其做法是對(duì)干泥進(jìn)行篩分,細(xì)小干化污泥與濕泥進(jìn)行預(yù)混合。
從換熱效率的角度考慮,干泥返混應(yīng)該是必要手段之一。根據(jù)污泥失水狀況,空心槳葉干燥機(jī)的蒸發(fā)速率具有明顯的峰谷變化。在含固率低于25%時(shí),污泥在加熱狀態(tài)下有明顯的液態(tài)性質(zhì),換熱條件較佳,但物料易形成附著層而導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)度的降低,且污泥因高分子聚合物的作用,具備自身形成團(tuán)塊的傾向,與換熱面的接觸率降低;在含固率25%-75%之間時(shí),污泥可能具有表面黏性,結(jié)團(tuán)傾向明顯,換熱效果較差。當(dāng)含固率大于75%時(shí)蒸發(fā)速率回升,這是由于干細(xì)疏松的顆粒與換熱面重新獲得了較好的接觸。空心槳葉干燥工藝一般根據(jù)干燥目的,采取回流部分干燥污泥的做法(干泥返混),使干泥起一定的“潤(rùn)滑”作用,獲得較好的流動(dòng)性,避免黏著,其回流量?jī)H為出口干泥的小部分。空心槳葉干燥機(jī)返混干泥的比例要求不高,一般可能在40%左右(遠(yuǎn)低于一般要求的65%,如轉(zhuǎn)鼓機(jī)),此干泥粉末的存在,已足以在熱表面起到“潤(rùn)滑”和“清理”的作用。
6、干燥機(jī)內(nèi)不清空
凡需要干泥返混的污泥干化工藝,對(duì)于濕泥的進(jìn)料均有嚴(yán)格的要求,濕泥進(jìn)料前須在干燥機(jī)已有大量干“床料”的條件下才能進(jìn)行,這樣才能避免濕泥一進(jìn)去就糊住換熱面、產(chǎn)生結(jié)垢。因此,典型的做法是,在干燥系統(tǒng)停車時(shí),應(yīng)維持返料系統(tǒng)繼續(xù)工作,停止進(jìn)料裝置,干燥產(chǎn)品實(shí)行全返料,同時(shí)系統(tǒng)降溫,系統(tǒng)溫度低于60℃時(shí)才全線停車,干燥機(jī)內(nèi)不進(jìn)行清料,開(kāi)車時(shí)直接帶料啟動(dòng),這意味停機(jī)時(shí),干燥機(jī)內(nèi)充滿了干泥。在關(guān)機(jī)過(guò)程和開(kāi)機(jī)過(guò)程中始終存在高粉塵、低濕度的特點(diǎn),但此時(shí)需要關(guān)注干化安全等問(wèn)題。
7、槳葉頂端刮板
任何機(jī)械都是有公差間隙的,主軸嚙合的空心槳葉干燥機(jī)也不例外。濕泥在一定含固率下具有黏性,在這些間隙之間可能造成黏壁,在熱表面上的任何黏結(jié),將降低換熱效率。為避免污泥垢層的加厚,常采用機(jī)械刮削的方式,需要利用槳葉頂端的刮板起到刮削污泥的作用。從刮板的作用可知,隨著長(zhǎng)期運(yùn)行,刮板對(duì)且僅對(duì)落在槳葉與W形槽換熱面之間的物料有抄起作用,同時(shí)也對(duì)附著在W型槽壁上的物料有刮取作用,無(wú)論抄起還是刮取,由于刮板的運(yùn)動(dòng)速度大約為2~5米/秒,在抄起或刮取的過(guò)程中,此速度下刮板外緣的污泥的運(yùn)動(dòng)方向有兩個(gè),一個(gè)是向外擠壓(磨W形槽),另一個(gè)是向后運(yùn)動(dòng)(磨刮板)。
8、金屬表面硬化處理
磨損可能是空心槳葉干燥機(jī)所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。污泥中含有磨蝕性顆粒,空心槳葉干燥機(jī)屬于典型的傳導(dǎo)接觸型換熱,金屬與磨粒的反復(fù)、長(zhǎng)期接觸,金屬磨蝕是不可避免的。涂層和硬化可減輕磨蝕的速度,但受限于被磨蝕的金屬表面同時(shí)也是換熱面(如W形槽、槳葉、主軸等),所能采取的硬化措施不多(噴涂碳化硅等),在加熱條件下耐磨層的附著力、實(shí)際硬度等都不甚理想,只能起到減緩磨蝕的作用。
因干泥顆粒對(duì)金屬表面的磨蝕作用較為突出,一般常對(duì)后半段(15~25%)的槳葉進(jìn)行熱處理保護(hù),但對(duì)于有干泥返混的工藝,其磨蝕則是全程的。磨蝕傾向的存在,無(wú)疑將影響干燥機(jī)的材質(zhì)選定。
空心槳葉干燥機(jī)的換熱金屬面中,W形槽因與刮板間隙^小,在熱表面更新過(guò)程中有明顯的擠壓作用。當(dāng)存在這種擠壓縫隙時(shí),一般磨蝕強(qiáng)烈的是相對(duì)較“軟”的金屬面,這就意味著需要保護(hù)作為換熱面的W形槽,刮板可以不做硬化,但不做硬化的刮板壽命也將^有限。
9、機(jī)械死角
機(jī)械死角是空心槳葉干燥機(jī)必需解決的設(shè)計(jì)難題之一,它可分為三類:1)無(wú)表面機(jī)械清理的金屬外緣;2)有表面清理但存在不可觸及的公差;3)因磨蝕造成的不可觸及公差加大。
楔形槳葉本身的旋轉(zhuǎn)方向是一定的,即兩個(gè)主軸均向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn),此時(shí)楔形槳葉的窄側(cè)在前,刮板在后,槳葉從窄而寬的換熱面上均無(wú)機(jī)械清理,需要靠物料自身的剪切力更新。刮板大于楔形部分^寬換熱面的部分將始終刮帶污泥,并在W形槽上形成擠壓。此外,刮板與主軸僅在某一點(diǎn)(即扇形缺口的中心部位)上有“切線相交”(其實(shí)是接近,清理作用微乎其微),主軸在絕大部分情況下表面沒(méi)有機(jī)械清理。上述均屬于無(wú)表面機(jī)械清理的金屬外緣,它占總換熱面積的70~80%。
有機(jī)械清理的換熱表面,按照楔形槳葉的排布規(guī)則,存在以下因不可觸及公差所造成的死角:第一排和末排槳葉的刮板與加熱主軸外側(cè)的空隙,介于干燥機(jī)槳葉與主軸填料密封之間。軸向刮板間的空隙,此間隙可明顯觀察到。
由于前述磨蝕問(wèn)題,造成特別是徑向刮板空隙的增大,即刮板因磨蝕而變薄,刮板與W形槽換熱面的不可觸及公差加大。此時(shí)刮板所起的刮取作用減低,在物料之間的剪切力不足以克服濕泥在換熱面上的附著力時(shí),在換熱面上的堆料和結(jié)垢就會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)形成一定厚度時(shí),將導(dǎo)致軸跳、震動(dòng)和噪聲等。
無(wú)法清理的換熱表面均可稱之為“機(jī)械死角”。綜合以上因素,空心槳葉干燥機(jī)無(wú)法進(jìn)行機(jī)械清理的部位占了換熱面積的大部分,因此對(duì)于這種工藝來(lái)說(shuō),核心問(wèn)題在于如何避免產(chǎn)品的黏性。
10、傳熱系數(shù)
空心槳葉干燥機(jī)由于槳葉垂直于主軸,刮板平行于主軸,槳葉兩端的換熱面無(wú)推動(dòng)而僅起換熱作用,物料的徑向混合充分,物料與換熱面的接觸頻率較高,停留時(shí)間長(zhǎng),理論上應(yīng)可實(shí)現(xiàn)較好的換熱,其綜合傳熱系數(shù)應(yīng)在80~300W/m2.K之間。在污泥干化應(yīng)用方面,由于不同的污泥黏性不同,干化產(chǎn)品含固率也影響到工藝過(guò)程(如能否進(jìn)行低干度半干化),實(shí)際項(xiàng)目中給出的傳熱系數(shù)可能相差較大。
11、傳熱面積
空心槳葉干燥機(jī)熱軸上的楔形槳葉和主軸是主要的加熱面,換熱面積占總換熱面積的70%以上。設(shè)計(jì)上對(duì)其制造精度、主軸類型和熱流道布置上有較高要求,一般認(rèn)為這種干燥機(jī)“結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度高”,大型干燥機(jī)的設(shè)計(jì)難度更大。國(guó)外已制造出單機(jī)換熱面積1.5~295平方米、理論^大蒸發(fā)能力12噸/小時(shí)的空心槳葉干燥機(jī),在污泥干化領(lǐng)域,目前^大裝機(jī)換熱面積約300平方米,蒸發(fā)能力不到5000公斤/小時(shí)。國(guó)內(nèi)目前的系列化設(shè)計(jì)^高110平方米,常用的空心槳葉干燥機(jī)換熱面積多為25~100平方米,^高達(dá)160平方米。
12、吹掃空氣量
空心槳葉干燥機(jī)屬于典型的傳導(dǎo)型干燥機(jī),其傳熱和蒸發(fā)是靠熱壁而不是靠氣體對(duì)流實(shí)現(xiàn)的,實(shí)際應(yīng)用中,由于干燥過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣需要及時(shí)排出干燥機(jī),且污泥干化產(chǎn)生惡臭,為防止臭氣溢出到環(huán)境,一般均需采用微負(fù)壓操作方式,存在使用“吹掃空氣”的必要性。抽取負(fù)壓必然會(huì)造成環(huán)境空氣從干燥機(jī)和回路的縫隙中(軸縫、濕泥入口、干泥出口、溢流堰密封處等)進(jìn)入回路,為防止吹掃空氣在干燥機(jī)內(nèi)造成水蒸氣冷凝,還需對(duì)此氣體進(jìn)行加熱。吹掃空氣量與工藝本身相關(guān),以水蒸發(fā)所需的環(huán)境干空氣量進(jìn)行衡量,一般在0.1~1.2kg/kg.H2O之間,此值的高度對(duì)干化系統(tǒng)的凈熱耗有重要影響,典型的空心槳葉干燥機(jī)一般考慮0.5kg/kg.H2O左右的干空氣量。
13、蒸發(fā)強(qiáng)度
傳導(dǎo)型干燥機(jī)的蒸發(fā)能力一般以每平方米、每小時(shí)的蒸發(fā)量來(lái)衡量,它在理論上可實(shí)現(xiàn)10~60kg/m2.h的蒸發(fā)量。但在污泥干化實(shí)踐中,設(shè)計(jì)值取值范圍一般在6~24kg/m2.h之間,以14~18 kg/m2.h的取值居多。參考其它傳導(dǎo)型干化(如轉(zhuǎn)碟機(jī)、圓盤機(jī)),典型值均在8~14 kg/m2.h之間,考慮空心槳葉干燥機(jī)的換熱條件與其它傳導(dǎo)型干燥器非常相似,較為可靠的實(shí)際蒸發(fā)強(qiáng)度應(yīng)該在8~14kg/m2.h之間。
14、產(chǎn)品出口溫度
由于污泥在干燥機(jī)內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng),污泥在離開(kāi)干燥器時(shí)的出口溫度較高,應(yīng)在90~100℃左右。
閃蒸干燥機(jī)、離心噴霧干燥機(jī)、盤式干燥機(jī)、槳葉干燥機(jī)、真空耙式干燥機(jī)、真空烘箱、臥式螺帶混合機(jī)、螺旋錐形混合機(jī)
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