人工合成鋰皂石熱泵干燥試驗(yàn)研究

劉金龍，鄭師卿，曹少疑，張穎紅，鄭林偉

(1.浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，國土資源部粘土礦物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省非金屬礦工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310007；2.浙江金光新能源設(shè)備科技有限公司，浙江 杭州 311411)

人工合成鋰皂石(以下簡稱鋰皂石)是一種三八面體式結(jié)構(gòu)的含水層狀硅酸鹽礦物，具有優(yōu)異的膠體分散性、穩(wěn)定性、觸變性和懸浮性。在陰離子和非離子型的親水膠體體系中，作為懸浮劑、增稠劑、觸變劑及保濕劑，廣泛應(yīng)用于水性涂料、乳膠漆、化妝品、牙膏和造紙等領(lǐng)域。對提高工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、降低工業(yè)生產(chǎn)成本和增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益都有較大作用。鋰皂石主要是通過水熱法合成[1]，而水熱法加熱、加壓反應(yīng)完成后生成鋰皂石濕物料，具有粘度大，含水率高特點(diǎn)，導(dǎo)致干燥困難。目前鋰皂石的干燥主要采用電加熱法(熱風(fēng)循環(huán)烘箱)和蒸汽加熱法。電加熱法能耗大，干燥成本高。蒸汽加熱法運(yùn)行成本相對較低，但前期投入高(蒸汽管線鋪設(shè))，并受廠區(qū)位置限制(有無蒸汽源)，無法推廣。

熱泵干燥的原理就是利用蒸發(fā)器吸收外界空氣和干燥過程排放廢氣中的熱量，經(jīng)過壓縮機(jī)做功，將熱量轉(zhuǎn)移至烘箱中，烘箱內(nèi)的熱空氣經(jīng)過反復(fù)循環(huán)加溫，使物料中的水分不斷的蒸發(fā)汽化，經(jīng)過熱風(fēng)排濕或者冷凝水的過程，把水排出，從而使物料干燥脫水。熱泵干燥具有能耗低、干燥產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)[2]。國內(nèi)已有應(yīng)用熱泵干燥技術(shù)于蔬菜、水果等產(chǎn)品[3-6]， 而目前有關(guān)熱泵干燥鋰皂石試驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。本次試驗(yàn)研究主要采用單因素法，通過空氣源熱泵烘干機(jī)對鋰皂石進(jìn)行干燥脫水試驗(yàn)研究，分析影響鋰皂石干燥能耗的因素，探索用熱泵干燥鋰皂石的可行性，為后期大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鋰皂石濕物料來自杭州浙地礦物科技有限公司，含水率為84．16%。

空氣源熱泵烘干機(jī)(浙江金光新能源設(shè)備科技有限公司)，設(shè)備型號(hào)為JG-100TB，額定功耗1．0kW，風(fēng)量1 100m3/h，干燥室尺寸為170cm×79．3cm×58．6cm，設(shè)定烘干最高溫度70℃。

1.2 測試項(xiàng)目

(1) 鋰皂石的含水率。通過間隔一定時(shí)間將托盤取出稱重計(jì)算。

(2) 干燥能耗。用電表進(jìn)行測量，記錄對應(yīng)的電表讀數(shù)。

1.3 干燥性能評價(jià)方法

對于熱泵干燥裝置，常用單位能耗除濕量(SMER)來評價(jià)一個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)[2]，單位能耗除濕量定義為：SMER=Md/Wd。

式中：Md——水分蒸發(fā)量，kg；Wd——輸入的電能，kW·h。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

從反應(yīng)釜放出的鋰皂石濕物料，待其自然冷卻，稱重裝入熱泵烘干機(jī)的托盤中，各托盤裝入的鋰皂石重量相同，放入熱泵烘干機(jī)內(nèi)，記錄電表初始讀數(shù)。然后每隔1h通過干燥室的透明玻璃窗觀察鋰皂石形貌，若24h內(nèi)仍有透明狀濕物料(鋰皂石干燥后呈白色)，間隔24h后記錄電表讀數(shù)并稱重托盤；若無，即認(rèn)為已完全干燥，記錄時(shí)間和電表度數(shù)，并稱重托盤，避免過度干燥。

2 結(jié)果與討論

2.1 托盤位置對干燥效果的影響

本試驗(yàn)應(yīng)用的熱泵烘干機(jī)出風(fēng)口位于底部，回風(fēng)口位于頂部，并且由于鋰皂石濕物料的粘稠性會(huì)阻礙通風(fēng)，干燥室內(nèi)可能存在上下溫度差異影響干燥效果。將托盤按高度從高到低序號(hào)依次記為1～16，每個(gè)托盤裝入10kg鋰皂石，總計(jì)160kg，比較24h時(shí)各托盤的水分蒸發(fā)量，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 托盤位置對鋰皂石水分蒸發(fā)量的影響

圖1 試驗(yàn)結(jié)果可知，出風(fēng)口的位置不同的確影響鋰皂石的干燥效果。離出風(fēng)口越近，水分蒸發(fā)相對越快，并且蒸發(fā)量差異明顯。同時(shí)干燥不均使得中下部托盤中鋰皂石過分干燥，造成了電能浪費(fèi)。在實(shí)際干燥過程中，換動(dòng)各托盤位置，可加快干燥速度，節(jié)省能耗，但會(huì)增加人力成本，且換盤時(shí)，造成熱量流失。因此工業(yè)應(yīng)用的烘房(箱)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮出風(fēng)口位置和出風(fēng)方式，以保證各托盤干燥通風(fēng)均勻。

2.2 干燥時(shí)間對干燥效果的影響

每托盤裝入10kg鋰皂石濕物料，總計(jì)160kg，單位能耗除濕量隨時(shí)間變化見表1。由表1可知，完全干燥需要57h，總耗能為63kW·h，單位能耗除濕量為2．13kg/(kW·h)。熱泵除濕干燥器的單位能耗除濕量一般為2～2．5kg/(kW·h)[2]，這說明采用熱泵干燥鋰皂石是經(jīng)濟(jì)有效的。

表1 單位能耗除濕量隨時(shí)間的變化(160kg)

單位時(shí)間內(nèi)單位能耗除濕量變化見表2，由表2可以看出，在干燥過程中，起始24h內(nèi)，單位能耗除濕量為2．77kg/(kW·h)，隨后第二個(gè)24h內(nèi)，單位能耗除濕量降為1．84kg/(kW·h)，最后9h的單位能耗除濕量降低至0．96kg/(kW·h)，僅為起始24h單位能耗除濕量的35%，低于正常范圍，說明采用熱泵烘干機(jī)對鋰皂石濕物料進(jìn)行除濕干燥后期效率有所下降。熱泵干燥后期可考慮與常規(guī)干燥方式結(jié)合，提高干燥效率，進(jìn)一步降低干燥能耗。

表2 單位時(shí)間內(nèi)單位能耗除濕量的變化(160kg)

2.3 裝載量對干燥效果的影響

在溫濕度基本相同條件下，減小裝載量，另行做兩組試驗(yàn)，即每托盤裝入6kg和8kg鋰皂石濕物料(裝載量分別為96kg和128kg)，比較不同裝載量條件下對鋰皂石干燥效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同裝載量下的能耗對比(24h)

從表3初始24h能耗分析可以看出，在初始階段，裝載量越少，相同時(shí)間內(nèi)水分蒸發(fā)量占總重的百分比越高，干燥速度越快；而裝載量為96kg時(shí)單位能耗除濕量卻最低，這是由于單位能耗除濕量隨著干燥程度提高逐漸下降造成，裝載量為96kg的24h水分蒸發(fā)量占總重的79．38%，與鋰皂石總水分84．16%相比，已經(jīng)進(jìn)入干燥末段，熱泵干燥末段單位能耗除濕量整體偏低，與前面試驗(yàn)結(jié)果吻合。

當(dāng)鋰皂石完全干燥完成后，不同裝載量下的能耗對比見表4。從表4可以看出，裝載量為96kg時(shí)，單位能耗除濕量為2．07kg/(kW·h)；裝載量為128kg時(shí)，單位能耗除濕量為1．82kg/(kW·h)；裝載量為160kg時(shí)，單位能耗除濕量為2．13kg/(kW·h)，差異較為明顯，說明鋰皂石的裝載量的確影響干燥能效；裝載量為128kg時(shí)，由于厚度未有明顯變化，而減少了產(chǎn)品重量，導(dǎo)致單位能耗除濕量下降；裝載量為96kg時(shí)，由于每盤濕物料減少，厚度明顯減低，各托盤之間空隙明顯增大，改善通風(fēng)，而加快了干燥速度，單位能耗除濕量反而比128kg是有所提升；裝載量為160kg(接近最大承載量)，單位能耗除濕量最高，為2．13kg/(kW·h)，且在熱泵干燥單位能耗除濕量正常值范圍內(nèi)，說明裝載量對單位能耗除濕量影響較大，在保證正常通風(fēng)條件下，可盡量加大裝載量。同時(shí)裝載量為160kg時(shí)單位質(zhì)量耗電2．46kW·h/kg，僅為目前采用電熱風(fēng)烘箱干燥單位質(zhì)量耗電6．50kW·h/kg的37．8%，節(jié)能效果顯著。每噸鋰皂石成品的成本可降低約3 000元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表4 不同裝載量下的能耗對比(干燥完成)

3 結(jié)論

(1) 熱泵烘干機(jī)的出風(fēng)口的位置會(huì)影響干燥效率，造成電能浪費(fèi)，工業(yè)應(yīng)用時(shí)，需要調(diào)整熱泵烘干機(jī)的出風(fēng)口位置和出風(fēng)方式，確保各托盤干燥均勻，提高干燥效率。

(2) 采用熱泵烘干機(jī)對人工合成鋰皂石進(jìn)行干燥脫水，不同干燥階段單位能耗除濕量差異明顯，干燥后期不經(jīng)濟(jì)，可以與常規(guī)干燥方式相結(jié)合進(jìn)一步降低干燥成本。

(3) 人工鋰皂石采用熱泵干燥在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的，在保證正常通風(fēng)條件下，可以盡量加大裝載量。熱泵干燥比電加熱干燥節(jié)約成本，僅為后者的37．8%，節(jié)省超過60%的干燥成本，對于降低鋰皂石生產(chǎn)成本具有重要意義。

(4) 熱泵干燥法一般為低溫干燥，對于高溫會(huì)影響物理性能的粘土礦物的干燥也有重要參考意義。