腐植酸復(fù)合肥料干燥因素的分析及干燥機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

陳衛(wèi)民 王 玉 陳士更*

1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐植酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 泰安 271600

2 山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司 泰安 271600

腐植酸復(fù)合肥料是以風(fēng)化煤、褐煤、泥炭為腐植酸原料，經(jīng)活化與無機(jī)肥料復(fù)合制得[1]。腐植酸復(fù)合肥料生產(chǎn)工藝多采用轉(zhuǎn)鼓工藝進(jìn)行生產(chǎn)[2]。腐植酸分子中含有大量的官能團(tuán)，多種官能團(tuán)的存在使腐植酸具有離子交換性、吸附性以及絡(luò)合螯合性等特性，也使得腐植酸可以與各種有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)[3]。腐植酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得腐植酸復(fù)合肥料相較于普通復(fù)合肥料更易于吸潮，生產(chǎn)過程中易造成烘干系統(tǒng)結(jié)痂；干燥效果不充分，成品容易出現(xiàn)結(jié)塊粉化等問題。

轉(zhuǎn)鼓工藝腐植酸復(fù)合肥料生產(chǎn)中，烘干工段是控制水分的主要工段，干燥機(jī)是烘干工段重要的組成設(shè)備[4]，其造價(jià)成本最高、能耗最大、尺寸規(guī)格最大、附屬設(shè)備最多。干燥機(jī)為回轉(zhuǎn)形式的圓筒設(shè)備，頭部需要配備熱風(fēng)爐對其進(jìn)行熱量供應(yīng)，尾部需要配備除塵系統(tǒng)和引風(fēng)機(jī)，尾部的引風(fēng)機(jī)將頭部的熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱量引入干燥機(jī)內(nèi)部，與內(nèi)部的物料同向運(yùn)動，圓筒內(nèi)部設(shè)有不同類型的揚(yáng)料板，使物料隨圓筒的轉(zhuǎn)動形成料幕，與熱風(fēng)充分接觸，進(jìn)行熱傳遞，使物料中含有的水分被帶走，最終換熱后的熱風(fēng)通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入除塵系統(tǒng)處理后進(jìn)行排放，物料則通過下料斗進(jìn)入后續(xù)的生產(chǎn)工段。

不考慮物理性質(zhì)改變和化學(xué)反應(yīng)，物料在干燥機(jī)內(nèi)烘干受多個(gè)方面因素的影響，包括物料停留時(shí)間、風(fēng)量、溫度、物料與熱風(fēng)的接觸面積，這些都是干燥機(jī)設(shè)計(jì)過程的重點(diǎn)。特別是腐植酸復(fù)合肥料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對烘干提出了更高的要求。

1 選擇適宜的停留時(shí)間

《復(fù)合肥料》（GB/T 15063-2020）及《腐植酸復(fù)合肥料》（HG/T 5046-2016）標(biāo)準(zhǔn)對高濃度復(fù)合肥料的水分控制標(biāo)準(zhǔn)均為≤2.0%。在實(shí)際生產(chǎn)中，腐植酸復(fù)合肥料水分只有達(dá)到1.5%以下才能保證產(chǎn)品2 個(gè)月貨架期內(nèi)存放不產(chǎn)生結(jié)塊、粉化質(zhì)量問題。

腐植酸復(fù)合肥料進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)的物料從造粒機(jī)出來后大部分是以顆粒形態(tài)存在。物料在干燥機(jī)內(nèi)的干燥過程大致可以分為兩個(gè)階段，即表層干燥階段和深層水分遷移干燥階段[5]。物料顆粒表層的水分受顆粒毛細(xì)管引力和表面張力影響較小，在有熱量的情況下可以迅速蒸發(fā)，然而顆粒內(nèi)部的深層次的水分需要通過毛細(xì)管在顆粒水分梯度和溫度梯度的影響下遷移至顆粒表面。由于水分的遷移需要一定時(shí)間，因此物料在干燥機(jī)內(nèi)停留時(shí)間越長，水分遷移的過程才能越充分，整體的物料干燥效果才能越好。但物料停留時(shí)間過長，會增加干燥機(jī)負(fù)荷，增加能耗。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，停留時(shí)間一般設(shè)計(jì)為25 ～35 min 為宜。

2 風(fēng)機(jī)的選型和風(fēng)量的匹配

在腐植酸復(fù)合肥料生產(chǎn)過程中風(fēng)機(jī)的選型和風(fēng)量的匹配是保證干燥效果的關(guān)鍵控制點(diǎn)，需要結(jié)合熱量守恒定律和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算[4，6]。在不考慮風(fēng)阻的條件下，同等通道截面的風(fēng)量取決于風(fēng)速的大小，干燥機(jī)截面的風(fēng)速通常選擇2 ～4 m/s，低于2 m/s 熱量交換能力嚴(yán)重不足，雖然通過提高熱風(fēng)溫度可以進(jìn)行彌補(bǔ)，但是容易造成物料與過熱風(fēng)發(fā)生長時(shí)間的接觸，尤其生產(chǎn)高氮產(chǎn)品，氮含量在25%，原料中尿素占比達(dá)到10%以上的情況下容易發(fā)生熔融；風(fēng)速高于4 m/s 的情況下，由于腐植酸復(fù)合肥料顆粒內(nèi)部的水分遷移需要一定的時(shí)間，而水分遷移的速度主要受溫度影響，因此過高的風(fēng)速對于深層水分的蒸發(fā)意義不大，而且會使能耗過度增加，小顆粒及粉塵容易被引風(fēng)系統(tǒng)帶走，增加后續(xù)除塵系統(tǒng)負(fù)荷。因此，干燥機(jī)引風(fēng)機(jī)應(yīng)配備變頻器以便于根據(jù)生產(chǎn)過程中的風(fēng)速適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3 干燥溫度的合理調(diào)控

轉(zhuǎn)鼓工藝腐植酸復(fù)合肥料生產(chǎn)中，干燥機(jī)通常采用并流干燥的方式，即熱量在干燥機(jī)內(nèi)的傳導(dǎo)方向與物料在干燥機(jī)內(nèi)的移動方向是一致的。熱量及物料從干燥機(jī)的頭部進(jìn)入，從干燥機(jī)的尾部排出。因此，干燥機(jī)頭部和尾部的溫度監(jiān)控具有非常重要的意義。復(fù)合肥料生產(chǎn)過程中熔點(diǎn)最低的原料為尿素，與其他物料混配后熔點(diǎn)更是大幅度的降低，加之進(jìn)入干燥機(jī)的肥料顆粒物料處于潮濕的狀態(tài)以及還有部分未完成的化學(xué)反應(yīng)，所以溫度要平穩(wěn)、精準(zhǔn)把控，通常含有尿素的物料干燥機(jī)頭部溫度控制在120 ～170 ℃，尾部溫度控制在60 ～70 ℃[7，8]。溫度過低會出現(xiàn)換熱不足，對于腐植酸復(fù)合肥料產(chǎn)品中的水分無法有效散失，影響后續(xù)操作的連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，甚至對產(chǎn)品造成質(zhì)量隱患；溫度過高或者急速升溫，會導(dǎo)致水溶性原料以及尿素出現(xiàn)大量的熔融，導(dǎo)致干燥機(jī)內(nèi)顆粒團(tuán)聚成大球，嚴(yán)重則出現(xiàn)泥漿狀物料[4，9]。不含尿素的物料，頭部溫度可控制在150 ～200 ℃，尾部溫度控制在80 ～90 ℃[10]。

4 提高換熱面積的抄板設(shè)計(jì)

換熱面積是干燥效率的核心因素，同規(guī)格干燥機(jī)的換熱面積主要與抄板設(shè)計(jì)相關(guān)，抄板設(shè)計(jì)合理，物料充分揚(yáng)起，才能與熱風(fēng)充分接觸。常規(guī)滾筒復(fù)合肥料設(shè)備的干燥機(jī)設(shè)計(jì)，干燥機(jī)滾筒的直徑為1.6 ～3.2 m[11]，抄板一般只有導(dǎo)料抄板和135°揚(yáng)料板。而對于腐植酸復(fù)合肥料的生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)物料走向、原料的物理化學(xué)性質(zhì)、熱風(fēng)的進(jìn)出方向等，將干燥機(jī)設(shè)計(jì)為螺旋導(dǎo)料區(qū)、二次成球區(qū)、直抄板區(qū)、表層干燥區(qū)、深層干燥區(qū)、空白區(qū)6個(gè)功能區(qū)[12，13]（圖1）。

圖1 干燥機(jī)抄板設(shè)計(jì)Fig.1 Plate making design of dryer

（1）螺旋導(dǎo)料區(qū)：長度2 m，其與干燥機(jī)頭部斷面夾角45°，單個(gè)揚(yáng)料板的長度為2690 mm，揚(yáng)料板的高度通常為滾筒直徑的1/5，周布數(shù)量為滾筒直徑的1/3（取整數(shù)），與頭部擋圈有縫隙100 mm，目的是為防止螺旋抄板布局形成死角，加快物料在干燥機(jī)頭部的推送速度。

（2）二次成球區(qū)：長度2 m，抄板形式為直抄板，單個(gè)揚(yáng)料板的長度為900 mm，揚(yáng)料板的高度通常為滾筒直徑的1/20，周布數(shù)量為滾筒直徑的1/2（取整數(shù)），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處是物料最佳成球區(qū)，應(yīng)避免物料過度揚(yáng)起，導(dǎo)致物料與干燥爐熱風(fēng)過多接觸形成返料。

（3）直抄板區(qū)：也稱拋光滾圓定型區(qū)，長度2 m，抄板形式為直抄板，單個(gè)揚(yáng)料板的長度為900 mm，揚(yáng)料板的高度通常為滾筒直徑的1/8，周布數(shù)量為滾筒直徑的1/2（取整數(shù)），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處仍需避免物料過度揚(yáng)起，導(dǎo)致物料與熱風(fēng)接觸過多，致使物料在潮濕狀態(tài)迅速升溫，出現(xiàn)熔融狀態(tài)；而直抄板將物料揚(yáng)起的高度有限，可預(yù)先讓熱風(fēng)與物料進(jìn)行小面積接觸，促使顆粒表皮干燥，以達(dá)到物料基本定型的目的，避免在后部仍因物料潮濕相互粘合。

（4）表層干燥區(qū)：也稱135°/90°抄板螺旋分布區(qū)，抄板形式為135°和90°彎度的抄板按照螺旋遞進(jìn)的方式進(jìn)行排布，單個(gè)揚(yáng)料板的長度為900 mm，揚(yáng)料板的整體垂直高度通常為滾筒直徑的1/8，抄板的彎板長度為立板長度的1/2，周布數(shù)量為滾筒直徑的1/2（取整數(shù)），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處開始加大物料與熱風(fēng)的接觸面積，通過螺旋形式的排布結(jié)構(gòu)，使揚(yáng)起的物料形成螺旋通道，有助于高溫?zé)犸L(fēng)迅速通過，避免熱量過度聚集并與物料發(fā)生長時(shí)間接觸。雖然經(jīng)過直抄板區(qū)的初步烘干后，物料顆粒表皮開始干燥，但是顆粒整體水分仍然較大，顆粒受熱風(fēng)影響后溫度升高，水分蒸發(fā)，內(nèi)部無機(jī)鹽溶解度加大，出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，顆粒內(nèi)部仍然比較柔軟，揚(yáng)起過高容易導(dǎo)致顆粒摔扁。

（5）深層干燥區(qū)：也稱135°/90°抄板交叉分布區(qū)，抄板形式為135°和90°彎度的抄板交錯排布，單個(gè)揚(yáng)料板的長度為900 mm，揚(yáng)料板的整體垂直高度通常為滾筒直徑的1/8，抄板的彎板長度為立板長度的1/2，周布數(shù)量為滾筒直徑的1/2（取整數(shù)），下圈抄板位置應(yīng)定在上圈抄板間隙的中心處，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處物料顆粒能夠被充分揚(yáng)起，此時(shí)顆粒表皮的水分在前部區(qū)域已基本被干燥，顆粒已完成定型可以接受更大的熱量，被抄板揚(yáng)起的物料形成的螺旋通道被交叉揚(yáng)起的物料以簾幕形態(tài)所填充，物料能夠與前部來的熱風(fēng)發(fā)生充分接觸，顆粒深層的水分在毛細(xì)管和熱量的作用下逐步少量的向表層遷移，隨后被充分接觸的熱風(fēng)帶走。

（6）空白區(qū)：長度1.5 m，避免物料揚(yáng)起過高，導(dǎo)致大量粉塵和小粒進(jìn)入烘干除塵引風(fēng)系統(tǒng)。

5 總結(jié)

腐植酸復(fù)合肥料生產(chǎn)中的干燥環(huán)節(jié)是最為關(guān)鍵的階段，每個(gè)生產(chǎn)廠家以及設(shè)備制作廠家都有各自不同的見解，這與使用的生產(chǎn)工藝的差異以及人員操作習(xí)慣有一定的關(guān)系，但都要從停留時(shí)間、風(fēng)量、溫度以及換熱面積4 個(gè)因素中尋求平衡點(diǎn)。干燥機(jī)抄板設(shè)計(jì)尤為重要，需要根據(jù)物料特性結(jié)合干燥機(jī)的規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)不同的功能區(qū)和抄板形狀進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)籌排布。