磷酸氫鈣蒸汽回轉(zhuǎn)干燥實(shí)驗(yàn)研究

張洪建，吳 靜，竇禹兵，杜 濱，尹鳳交

（山東天力能源股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

磷酸氫鈣是一種應(yīng)用廣泛的飼料添加劑。目前國內(nèi)磷酸氫鈣干燥主要采用煙氣氣流干燥工藝。一方面，該工藝?yán)酶邷責(zé)煔庵苯蛹訜嵛锪?，由于熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖讛y帶煤煙和煤灰雜質(zhì)，對磷酸氫鈣產(chǎn)品品質(zhì)影響較大；另一方面，氣流干燥尾氣熱損失大，干燥熱效率低，能耗高，隨著我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，氣流干燥后的尾氣排放也面臨著巨大的環(huán)保壓力［1-3］。煙氣氣流干燥技術(shù)已越來越難以滿足磷酸氫鈣行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，急需探尋一種節(jié)能、高效、環(huán)保的先進(jìn)干燥技術(shù)。

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)是一種利用蒸汽熱量，通過間接換熱方式對物料進(jìn)行干燥的回轉(zhuǎn)干燥設(shè)備。干燥機(jī)筒體內(nèi)布置有換熱管，換熱管隨筒體一起轉(zhuǎn)動，進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)的物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)受到換熱管的升舉和攪拌作用，并被換熱管提供的熱量干燥。

本研究利用自制蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)對蒸汽回轉(zhuǎn)干燥技術(shù)應(yīng)用于磷酸氫鈣干燥的工藝可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對干燥時(shí)間、干燥熱效率和傳熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以期為工程設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)直徑為0.83 m，筒體長度為4 m，安裝傾角為1.5°，筒體有效容積為2 m3，換熱管的加熱面積為18 m2。實(shí)驗(yàn)裝置采用飽和蒸汽作為加熱熱源，通過設(shè)在蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)對進(jìn)入干燥機(jī)的蒸汽流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和計(jì)量；實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)料管線上設(shè)有變頻旋轉(zhuǎn)閥，通過標(biāo)定轉(zhuǎn)速和進(jìn)料量的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)料量的定量計(jì)量。干燥機(jī)出料口和進(jìn)出氣口均設(shè)置溫度檢測裝置，用以測定干燥前后物料和尾氣的溫度；在引風(fēng)管道上設(shè)有流量計(jì)，可測量干燥機(jī)尾氣流量。干燥機(jī)采用飽和蒸汽作為熱源，采用環(huán)境空氣作為攜濕氣，在干燥機(jī)前設(shè)置空氣預(yù)熱器，經(jīng)預(yù)熱升溫后的空氣進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)，攜帶干燥過程脫除的水分排出干燥機(jī)。蒸汽回轉(zhuǎn)干燥裝置的工藝流程簡述如下：濕物料經(jīng)計(jì)量后由進(jìn)料螺旋輸送機(jī)送入蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)中，物料經(jīng)干燥機(jī)干燥后由出料螺旋輸送機(jī)和出料卸料閥排出，然后進(jìn)入粉體流冷卻器。物料經(jīng)冷卻降溫后，由粉體流冷卻器底部的成品卸料閥排出，得到干燥后產(chǎn)品（見圖1）。

圖1 蒸汽回轉(zhuǎn)干燥中試裝置工藝流程

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

濕磷酸氫鈣原料來自四川某磷制品有限公司，w（H2O）為26.1%，堆密度為630 kg/m3。為與用戶現(xiàn)場的工業(yè)熱源條件相似，實(shí)驗(yàn)干燥熱源選用電加熱蒸汽發(fā)生器提供的0.5 MPa 飽和蒸汽。在正式投料前，將蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)熱態(tài)運(yùn)行30 min，干燥排風(fēng)溫度達(dá)到90 ℃，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保持熱態(tài)環(huán)境；實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)料量保持300 kg/h，進(jìn)料溫度為25 ℃，環(huán)境空氣溫度為25 ℃，預(yù)熱后空氣溫度為125 ℃，每組實(shí)驗(yàn)均穩(wěn)定運(yùn)行6 h，工況穩(wěn)定后對產(chǎn)品取樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)屬于間接加熱設(shè)備，物料在干燥機(jī)中的流動性和粘壁特性將直接決定干燥過程能否順利完成，以及能否達(dá)到基本的干燥效果。此外，物料在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間是影響產(chǎn)品干燥品質(zhì)的重要因素。本實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)研究磷酸氫鈣在蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)中的粘壁特性，分析獲得最佳干燥時(shí)間，計(jì)算傳熱系數(shù)及干燥熱效率等參數(shù)。各組實(shí)驗(yàn)的工況條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況條件

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥工藝可行性

實(shí)驗(yàn)過程中蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，物料在干燥機(jī)內(nèi)松散性較好，在換熱管表面無粘壁、結(jié)疤等現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)結(jié)束后換熱管表面狀態(tài)如圖2 所示），說明蒸汽回轉(zhuǎn)干燥工藝應(yīng)用于磷酸氫鈣干燥是可行的［4］。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后換熱管表面狀態(tài)

2.2 產(chǎn)品干燥效果評價(jià)

產(chǎn)品w（H2O）與物料在干燥機(jī)內(nèi)停留時(shí)間的關(guān)系見圖3。由圖3 可以看出，隨著物料在干燥機(jī)內(nèi)停留時(shí)間增加，產(chǎn)品w（H2O）逐漸降低。當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速為4 r/min、停留時(shí)間為25 min 時(shí)，產(chǎn)品w（H2O）為3.2%，滿足用戶對產(chǎn)品w（H2O）≤3.5%的要求。為兼顧設(shè)備產(chǎn)能及能耗，建議裝置設(shè)計(jì)的停留時(shí)間選取25 min。對在干燥機(jī)中停留干燥25 min的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果（見表2）表明，磷酸氫鈣產(chǎn)品的磷含量、鈣含量、氟含量及粒度等主要指標(biāo)均滿足國標(biāo)GB 22549—2017的要求［5］。

圖3 產(chǎn)品w（H2O）隨干燥機(jī)中停留時(shí)間的變化曲線

表2 在干燥機(jī)中停留干燥25 min的產(chǎn)品品質(zhì) %

2.3 干燥熱效率及傳熱系數(shù)

干燥熱效率是指干燥過程中熱量的有效利用率［6］，即：

式中η——干燥熱效率，%；

Qc——干燥有效熱量，kJ/h；

Qz——干燥總輸入熱量，kJ/h。

傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，換熱管兩側(cè)介質(zhì)溫度差為1 ℃時(shí)，單位換熱面積單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量［6］，即：

式中K——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

A——換熱面積，m2；

Δt——換熱管兩側(cè)介質(zhì)對數(shù)平均溫差，℃。

選取表1 中工況2 的運(yùn)行工況進(jìn)行干燥熱效率及傳熱系數(shù)的分析，中試裝置在該工況下達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的各工藝參數(shù)見表3。

表3 穩(wěn)定工況運(yùn)行數(shù)據(jù)

經(jīng)計(jì)算獲得的干燥熱效率為81.84%，傳熱系數(shù)為33.0 W/（m2·℃）。

2.4 工藝比較

將實(shí)驗(yàn)中磷酸氫鈣蒸汽回轉(zhuǎn)干燥工藝指標(biāo)與文獻(xiàn)［7］中磷酸氫鈣氣流干燥工藝指標(biāo)進(jìn)行對比，具體見表4。對比結(jié)果表明，蒸汽回轉(zhuǎn)干燥工藝的干燥熱效率比氣流干燥工藝高約30.94%，而折算到單位質(zhì)量產(chǎn)品的尾氣排放量僅為氣流干燥工藝的4.13%，且產(chǎn)品色澤較好，顆粒均勻。

表4 兩種干燥工藝指標(biāo)對比

3 結(jié)論

通過磷酸氫鈣蒸汽回轉(zhuǎn)干燥的中試實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）將蒸汽回轉(zhuǎn)干燥技術(shù)應(yīng)用于磷酸氫鈣干燥是可行的。干燥過程中物料在干燥機(jī)內(nèi)分散性良好，在加熱管表面未出現(xiàn)粘壁、結(jié)疤等現(xiàn)象。

（2）隨著物料在干燥機(jī)中停留時(shí)間的增長，產(chǎn)品水含量逐漸降低，當(dāng)停留時(shí)間為25 min時(shí)，產(chǎn)品w（H2O）為3.2%，且磷含量、鈣含量、氟含量及粒度等產(chǎn)品指標(biāo)均滿足GB 22549—2017的要求。

（3）在筒體轉(zhuǎn)速4 r/min、物料停留時(shí)間25 min的實(shí)驗(yàn)工況條件下，利用蒸汽回轉(zhuǎn)干燥中試裝置干燥熱效率為81.84%，傳熱系數(shù)為33.0 W/（m2·℃）。

（4）與傳統(tǒng)氣流干燥工藝相比，蒸汽回轉(zhuǎn)干燥工藝的干燥熱效率提高30.94%，每千克磷酸氫鈣產(chǎn)品的尾氣排放量僅為氣流干燥工藝的4.13%，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效益。