干燥設備論文：梗絲干燥系統的設計研討
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本文作者：李少平、王秋領、范磊、胡宏帥、劉強、李浩亮、吳俊峰、劉洪涌 單位：河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠、河南中煙工業有限責任公司技術中心、江蘇智思機械集團有限公司
系統結構
梗絲低速氣流干燥設備與其他氣流干燥設備的結構組成相似，主要由干燥器、氣料分離器、除塵器、熱風動力等部件組成，見圖1。其中，干燥器是氣流干燥設備的核心部件，直接決定著設備的性能。
1干燥器
目前在化工、食品、制藥等行業所采用的氣流干燥設備，以干燥器的形狀區分，主要有長管、短管、脈沖、倒錐形和環形等［10］。其中，①長管干燥器應用最早且使用最廣泛，優點是結構簡單，缺點是干燥管過長，一般為10～20m，設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大的方法，使物料運動交替加速或減速，這種干燥方式熱交換效率高，但局部風速相對較高，容易造碎。④環形干燥器是將直管變成環形結構，從而降低了干燥器的高度，但由于干燥管轉彎部分較多，故局部管壁易于粘料，對物料的造碎也較大。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不同的高度懸浮。含水率大的物料懸浮速度大，在干燥管內移動速度慢，干燥時間長；含水率小的物料懸浮速度小，在干燥管內移動速度快，干燥時間較短。因此這種干燥方式可以獲得較好的含水率均勻性，同時由于風速變化使物料和熱風產生相對運動，熱交換效率也較高。綜合考慮干燥器系統阻力、熱交換效率和梗絲造碎情況，且有利于實現低風速氣流干燥，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兩種方式［11］。考慮到梗絲密度較小，物料與熱風分離難度較大，氣料分離器選用切向落料器比旋風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，清理保養難度大，不適合于高溫高濕氣體的除塵和在車間生產環境中使用；旋風除塵器雖然除塵效率較低，但占地面積小，清理保養方便，對熱風系統的阻力影響小，適合于高溫高濕氣體除塵和在車間生產環境中使用，因此除塵選用了旋風除塵器。
4熱風加熱器
熱風加熱器主要有蒸汽熱交換器和熱風爐兩種［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，提供的熱風溫度低（一般不超過170℃），受蒸汽質量影響大，蒸汽熱交換器系統阻力大，容易積塵存在安全隱患；熱風爐使用柴油或天燃氣一次能源作為燃料，能源利用率較高，可克服蒸汽熱交換器的不足，因此熱風加熱器選用了熱風爐。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，同時達到加工過程低風速、低造碎的要求，確定的梗絲膨脹干燥系統整體結構見圖2。
技術實現
1工藝風速
不同含水率梗絲在豎直管道內最低懸浮速度的試驗結果見表1。為實現低風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%）的氣流速度設定為7m/s，干燥出口（梗絲含水率13%）的氣流速度設定為3～4m/s。
2干燥管和進料管
干燥管作為設備的關鍵部件，形狀為方形，在風力輸送物料時，方形的四角風速不穩定［12］，容易堆積物料，因此在設計制造時將方形的四角制作成較大的圓角，并把內壁打磨光滑。根據生產能力2000kg/h(按標準含水率12%)，來料含水率40%，出口含水率12.5%，計算出脫水量G=917kg/h，由脫水量G計算出所需要的熱量M=2.225×109J，由質量和能量守恒定理可得出攜帶熱量M所需要的空氣Q（風機風量）約為36000m3/h。根據風機風量Q及干燥管上部和下部風速計算出干燥管上部和下部截面面積分別為3.2m2和1.4m2，干燥管尺寸見圖3。根據系統的風量（36000m3/h）和風速，以梗絲（含水率36%）3～4倍的懸浮速度(表1)計算出進料管的截面積。為了使熱風從進料管輸送到干燥管的截面風速均勻，根據文獻［13］的要求，確定進料管的長度為4～5m，進料管尺寸見圖4。為有效解決風速低易使物料在干燥管底部沉積問題，將進料管結構設計為2層。進料管上層通過熱風輸送物料，下層只輸送熱風，使物料在進入干燥管時，下層的熱風能對物料起到托起作用，同時在進料管前端設置上下層熱風分配風門。根據試驗，當下層的熱風量約為總風量的2/3時，物料在干燥管底部不會出現沉積現象。
3勻料輥
考慮到干燥管截面積較大，梗絲在進入干燥管后不能充分散開，部分梗絲會在慣性作用下直接沿著干燥管的對面管壁運動，導致物料分布不均勻，脫水不均衡，影響出口含水率的穩定。因此，在干燥管下部設計安裝一個勻料裝置(即勻料輥)，見圖5。由減速機驅動的勻料輥為三棱形，安裝于進料管和倒錐形干燥管的結合處，使進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效率，保證梗絲干燥脫水的均勻性。
4設備表面處理
與高含水率梗絲接觸的部件表面，如文氏管內腔、進料氣鎖和汽料分離器內壁、勻料輥表面等均采用特氟龍處理，以防止高含水率物料在其表面粘結。2.5控制因素和工藝流程梗絲低速氣流干燥設備控制因素主要由風溫、風量（干燥時間）、排潮量、梗絲含水率（脫水量）等組成。干燥熱風循環使用，干燥后回風的一部分（占總風量的20%～30%）通過排潮管道排出干燥系統；回風的大部分（占總風量的70%～80%）分成2路，由熱風分配閥門調節，一路進入熱風爐加熱，另一路直接進入混合箱與加熱后的熱風混合后形成工藝熱風。熱風爐的出風溫度控制在200～250℃，控制精度±3℃；干燥管上部的風速為3.2～3.4m/s，工作風溫控制在170～230℃，控制精度±1℃。通過調整熱風風機的頻率控制風量，風機頻率控制在30～50Hz；系統風量的調節范圍為36000～58000m3/h，控制范圍為42000～48000m3/h。干燥系統的排潮量通過調整排潮管道內風門的角執行器進行控制。排潮風門開度可在0～100%之間調節，為了節省能源，在設備預熱階段時排潮風門關閉，在正常生產時排潮風門的開度控制在30%～70%。梗絲出口含水率的控制是根據工藝要求設定，按照進料流量和含水率計算出脫水量，在干燥系統風量、排潮量一定的情況下，通過調整工作風溫進行控制，出口含水率控制范圍為設定值±0.5%。系統的工藝流程為：膨化后的梗絲由進料氣鎖送入進料管，進料管沿氣流方向傾斜安裝，在熱風作用下將梗絲輸送到倒錐形干燥管內，經勻料輥分散后達到懸浮狀態，并沿風速方向向上運動，因干燥管采用倒錐形設計，風速向上逐漸減小。而梗絲在運動過程中不斷地干燥脫水，含水率逐漸降低，含水率小的梗絲運動速度快，干燥時間短；反之，速度慢，干燥時間長。梗絲通過這種運動自行調節干燥含水率，從而提高干燥后的含水率均勻性。在懸浮干燥過程中，梗絲中的梗頭、梗簽、團塊等重物被風選分離，下落到干燥管底部并排出。
應用效果
梗絲低速氣流干燥設備目前已在許昌卷煙廠得到了生產應用，與原使用的流化床干燥工藝相比，發揮了氣流干燥填充值高、含水率均勻性好的技術優勢，克服了現有氣流式干燥設備存在的不足。由表2和表3可見，改進后梗絲整絲率提高約5百分點，碎絲率降低約1百分點，梗絲干燥出口斷面含水率極差減小1.5百分點；“黃金葉（帝豪）”和“紅旗渠（銀河之光）”兩個品牌卷煙的感官質量分別提高了0.5分和1.1分，主流煙氣指標均符合產品設計要求。