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1、前言
    回轉(zhuǎn)干燥烘干機(jī)具有干燥強(qiáng)度大，功率消耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在濕法造粒炭黑生產(chǎn)中應(yīng)用非常普遍。已經(jīng)成為濕法炭黑生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，其處理量的大小直接影響整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的單機(jī)處理量也在迅速提高，現(xiàn)已達(dá)到5t/h（4萬(wàn)t/a），甚至更大。設(shè)備的大型化使得設(shè)計(jì)、制作和安裝的要求更加嚴(yán)格，特別是在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)必須加以充分考慮和優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)來(lái)滿足生產(chǎn)要求。我院在多年炭黑工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一系列回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，能夠滿足各種規(guī)模炭黑生產(chǎn)裝置的需要。
2、回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理簡(jiǎn)介
    回轉(zhuǎn)干燥機(jī)一般是由進(jìn)料箱、回轉(zhuǎn)筒體，托輪組、擋輪組、齒圈齒輪傳動(dòng)裝置、出料箱等部分組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。從造粒機(jī)出來(lái)的炭黑濕粒子通過(guò)溜管滑入干燥機(jī)筒體，簡(jiǎn)體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)炭黑螺旋向前運(yùn)動(dòng)；熱介質(zhì)（指炭黑尾氣燃余氣）通過(guò)加熱裝置的流道加熱干燥機(jī)筒體，從而以間接傳熱方式把熱量供給炭黑濕粒子，達(dá)到部分干燥目的，在接近干燥機(jī)尾部處，部分燃余氣進(jìn)入干燥機(jī)筒體內(nèi)部以對(duì)流的直接熱方式對(duì)炭黑濕粒子進(jìn)行干燥，達(dá)到充分干燥，合格炭黑粒子由尾部出料箱排出，進(jìn)入下一工序，含有大量水蒸氣的燃余氣由風(fēng)機(jī)抽出。期間伴隨著傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，屬于復(fù)合干燥方式。
3、回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    干燥機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在簡(jiǎn)體尺寸、介
質(zhì)流路、抄板結(jié)構(gòu)和炭黑物料層厚度等幾個(gè)方面。
3.1干燥機(jī)簡(jiǎn)體尺寸優(yōu)化
    干燥機(jī)簡(jiǎn)體的外形尺寸直接影響著干燥機(jī)的有效容積，主要包括直徑和長(zhǎng)度。直徑主要取決于濕燃余氣在筒體橫截面上的質(zhì)量流量G和質(zhì)量流速W。濕燃余氣流量應(yīng)包括尾氣爐燃燒的部分燃余氣、濕炭黑蒸發(fā)水蒸汽量和夾帶的炭黑粉塵及破碎粒子量(也稱為回流量，一般為10%，通常濕法造粒炭黑濕燃余氣質(zhì)量流速W的取值在25 ~35kg/m2·min范圍內(nèi)。筆者通過(guò)熱量和熱質(zhì)衡算，得到不同規(guī)模下質(zhì)量流速和干燥機(jī)筒體直徑的關(guān)系如圖2，實(shí)際使用見表1中數(shù)據(jù)，橫截面質(zhì)量流速在取值上限35 kg/m2·min左右，另外還應(yīng)該知道直徑和容積傳熱系數(shù)的關(guān)系，按照文獻(xiàn)中Miller經(jīng)驗(yàn)公式可以得到圖3所示的關(guān)系圖。
    簡(jiǎn)體的長(zhǎng)度（這里指有效長(zhǎng)度），可根據(jù)文獻(xiàn)上的方法按照干燥階段分步計(jì)算，這里提供一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法，平均容積傳熱系數(shù)法，將間接熱傳導(dǎo)面積傳熱系數(shù)通過(guò)單位因次分析折算為容積傳熱系數(shù)，可以得到：容積傳熱系數(shù)是面積傳熱系數(shù)除以四分之一直徑。面積傳熱系數(shù)一般在40~ 80kcal/m3.h．℃，這樣容易得到平均容積傳熱系數(shù)。從而求得有效干燥長(zhǎng)度。
    從圖2、圖3可知截面流速和容積傳熱系數(shù)都隨著簡(jiǎn)體直徑的增加而減小，通�；剞D(zhuǎn)干燥機(jī)的容積傳熱系數(shù)在100—200kcal/m3·h·℃。在同等處理量的情況下，如直徑過(guò)小，截面流速過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致炭黑有過(guò)多的回流量，影響正常的生產(chǎn)，另外，要保證足夠的干燥容積必須要加長(zhǎng)有效干燥長(zhǎng)度，但過(guò)長(zhǎng)的簡(jiǎn)體將引起簡(jiǎn)體強(qiáng)度，占地面積等不利影響。
    在設(shè)計(jì)干燥機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能考慮到簡(jiǎn)體直徑和長(zhǎng)度這兩個(gè)方面因素的影響，要達(dá)到同樣的處理能力，筆者更傾向于優(yōu)先考慮增加簡(jiǎn)體的直徑；從表2也可看出增加直徑可以達(dá)到提高產(chǎn)能的效果。
3.2加熱介質(zhì)的流路優(yōu)化
    一般回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的傳熱方式分為直接和間接兩種情況，炭黑用回轉(zhuǎn)干燥機(jī)是一種復(fù)合傳熱方式的干燥機(jī)，先是濕炭黑粒子和尾氣燃余氣的間接換熱干燥，然后燃余氣部分進(jìn)入干燥機(jī)簡(jiǎn)體內(nèi)對(duì)炭黑粒子進(jìn)行進(jìn)一步的直接換熱干燥，同時(shí)燃余氣也作為水蒸汽的承載體，和水蒸汽一起被排出干燥機(jī)外。為了方便分析，分別對(duì)直接干燥和間接干燥進(jìn)行單用對(duì)比計(jì)算’發(fā)現(xiàn)間接干燥比直接干燥需要的有效長(zhǎng)度要大1.1—1.6倍，但是未超過(guò)兩倍。盡管直接干燥在經(jīng)濟(jì)性上可能要好于間接干燥，但因干燥速率過(guò)快，干燥過(guò)程過(guò)于激烈，會(huì)導(dǎo)致炭黑粒子龜裂、破碎以及炭黑表面氧化，會(huì)影響炭黑產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)。因此，宜選擇以間接加熱為主，在燃余氣溫度較低處即簡(jiǎn)體尾部進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)行直接換熱的方式。
    如前所述，燃余氣從炭黑尾部進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行直接換熱，隨著炭黑粒子中的水分進(jìn)入燃余氣中，使燃余氣的水蒸汽分壓不斷增加，水蒸汽從顆粒表面擴(kuò)散到燃余氣中的傳質(zhì)推動(dòng)力將減小，也就是說(shuō)燃余氣所能承載的水蒸氣量越來(lái)越少。又因?yàn)樵诤?jiǎn)體內(nèi)部屬于逆流，外部間接干燥效果隨炭黑流動(dòng)方向越來(lái)越強(qiáng)。在干燥機(jī)頭部，處于炭黑粒子含水量最大，燃余氣承載水量最大，間接干燥效果最弱的時(shí)期。在干燥機(jī)尾部，炭黑粒子經(jīng)過(guò)整個(gè)筒體長(zhǎng)度的間接換熱，水分已降至間接干燥所能達(dá)到的最低點(diǎn)，燃余氣這時(shí)還未進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)，濕含量最低。這種方式導(dǎo)致整個(gè)簡(jiǎn)體長(zhǎng)度上，特別是在干燥機(jī)前段水分含量較大的炭黑粒子區(qū)域內(nèi)的線平均干燥速率偏低，這將降低干燥效率。為此，設(shè)想了一種優(yōu)化的方法，即將熱燃余氣分流出一部分進(jìn)行二次加入干燥。
    二次加入的燃余氣量以一次燃余氣的一半為宜，加入位置約在干燥機(jī)的中部，溫度應(yīng)與一次燃余氣在此處的溫度基本相等，約350℃，進(jìn)口處應(yīng)增加擋板，防止其對(duì)一次燃余氣和炭黑粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)度干擾。
    兩者傳質(zhì)過(guò)程對(duì)比見圖6，從圖中很明顯的可以看出：改進(jìn)后的在干燥機(jī)簡(jiǎn)體中部傳質(zhì)發(fā)生突變，并且前半段里傳質(zhì)曲線變的更陡了，傳質(zhì)的推動(dòng)力加大，速率增快，有利于炭黑干燥。盡管傳熱過(guò)程變化不大，但是就整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，平均的傳質(zhì)推動(dòng)力加大，強(qiáng)化了干燥過(guò)程。需要說(shuō)明的是二次燃余氣的加入溫度不宜過(guò)高，過(guò)高的溫度可能會(huì)引起炭黑粒子局部過(guò)熱，增加其破碎的幾率，使得炭黑回流量加大。因此必須通過(guò)試驗(yàn)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。筆者認(rèn)為對(duì)適用于2萬(wàn)噸／年炭黑生產(chǎn)線的干燥機(jī)以350℃為宜。
3.3抄板的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    抄板是回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)部的重要部件，作用是將物料抄起來(lái)并逐漸散布在整個(gè)簡(jiǎn)體截面的熱氣流中，用來(lái)增加物料與熱氣流的接觸面積，強(qiáng)化物料與熱氣流的熱質(zhì)交換，使熱風(fēng)與物料充分接觸，促進(jìn)干燥過(guò)程的進(jìn)程。抄板的型式及數(shù)量選擇的正確與否直接影響熱效率和干燥強(qiáng)度。
     一般炭黑生產(chǎn)回轉(zhuǎn)干燥機(jī)中常用的抄板都為升舉式。
    A型抄板是在C型抄板的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，它們的安裝角度相同，都是90°，只是A型抄板頂部增加了折邊擋板，使得物料在抄板上的停留時(shí)間有所增加，提升高度高。B型抄板是在C型抄板的基礎(chǔ)上通過(guò)改變安裝角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的提升高度在三者中最低。
     根據(jù)炭黑顆粒物料性質(zhì)和三種抄板特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，確定抄板布置如圖8。
    段為結(jié)構(gòu)段，一般長(zhǎng)度在400一800mm范圍內(nèi)；B段主要是強(qiáng)制輸送炭黑作用，結(jié)構(gòu)為多頭螺旋帶。使進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)的炭黑不粘壁，不結(jié)塊；并起到一定的預(yù)熱作用。長(zhǎng)度一般為800—1500mm，長(zhǎng)度過(guò)短物料輸送不均勻，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)占用了有效干燥段過(guò)多。C段為緩沖段，為進(jìn)入干燥區(qū)域作準(zhǔn)備，長(zhǎng)度一般為400—800mm；D段為A型抄板區(qū)域，此段約占總長(zhǎng)的1/4。D段的炭黑含有較高水分，炭黑表面的水分部分蒸發(fā)，內(nèi)部的水分尚未蒸發(fā)，水和炭黑的結(jié)合緊密，不易破碎，正適合采用A型抄板；E段采用B型抄板，此段約占總長(zhǎng)的2/3。隨著干燥的深入，此段炭黑粒子較為脆弱，容易發(fā)生破碎，產(chǎn)生細(xì)粉，增加炭黑回流量。根據(jù)B型抄板的特點(diǎn)，選其較為合適。需要說(shuō)明的是：E段全部采用B型抄板，在前部F段處并未使用C型抄板，之所以這樣是由于炭黑粒子破碎產(chǎn)生細(xì)粉，回流量過(guò)大會(huì)對(duì)炭黑品質(zhì)產(chǎn)生影響。另外，各種抄板型式對(duì)炭黑粒子的破壞程度還有待進(jìn)一步的研究，為安全起見，采用B型抄板取代。
    抄板的數(shù)量一般為6—10倍筒體直徑，直接干燥回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的抄板徑向高度為筒體直徑1/12～1/8。
3.4炭黑物料層厚度的優(yōu)化
    炭黑物料層的厚度也會(huì)影響到干燥機(jī)的效果和能力。料層過(guò)厚，不利于瞬時(shí)底層炭黑水蒸汽的排除，特別對(duì)間接干燥影響甚大，另外過(guò)厚的料層更容易引起受熱不均。
    由于物料層厚度和物料填充率有很大的關(guān)系，而抄板的持有量是確定干燥機(jī)內(nèi)物料填充率的重要參數(shù)，因此必須先從抄板持有量著手。
    當(dāng)簡(jiǎn)體直徑2.7m時(shí)，以圖7中A型抄板為例，加以分析說(shuō)明。
    抄板持有量如圖9，結(jié)構(gòu)尺寸如圖10。從圖Il中，隨著填充率的增加料層厚度也逐漸增加，這樣擋料圈的高度就必須加大�？紤]到實(shí)際干燥機(jī)的抄板一般為A，C型兩種，由于C型抄板的持有量較A型抄板略小，填充系數(shù)也小，料層厚度也略低。實(shí)際采用230mm擋料圈，并設(shè)計(jì)為可調(diào)結(jié)構(gòu)（可調(diào)范圍150一320mm）。
    另外物料層厚度應(yīng)能完全覆蓋抄板結(jié)構(gòu)。但不能過(guò)厚，超出抄板過(guò)多會(huì)引起物料短路，達(dá)不到干燥效果。因此對(duì)于炭黑干燥機(jī)物料層厚度應(yīng)取在1. 05～1.15倍的抄板徑向高度較合適。
4、干燥機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用效果分析
    我院開發(fā)了系列化回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，如表2，以滿足不同規(guī)模炭黑生產(chǎn)裝置的需要。
   某2萬(wàn)噸／年炭黑生產(chǎn)裝置用干燥機(jī)優(yōu)化前后，運(yùn)行實(shí)例如表3。
    從表3中不難看出，通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流路優(yōu)化可以達(dá)到干燥機(jī)擴(kuò)能目的。
    此外，在優(yōu)化的同時(shí)還需考慮簡(jiǎn)體材料的承受能力，簡(jiǎn)體的膨脹量，炭黑粒子的破碎程度以及粉塵回流量對(duì)炭黑品質(zhì)的影響等問(wèn)題，在此處不詳細(xì)敘述。
5、結(jié)語(yǔ)
    近幾年，我國(guó)橡膠、輪胎行業(yè)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了炭黑行業(yè)的發(fā)展，這種不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，也為我國(guó)炭黑裝置及其設(shè)備制造業(yè)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇，以裝置大型化為主要內(nèi)容的技術(shù)改造基本完成，炭黑工廠的技術(shù)裝備水平顯著提高，單爐年產(chǎn)能力已由1.5萬(wàn)噸增加到4萬(wàn)噸。大型炭黑生產(chǎn)裝置需要的配套關(guān)鍵設(shè)備和材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，其中有些已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。濕法造粒炭黑工藝中，干燥機(jī)是造粒工序后的關(guān)鍵設(shè)備，它的處理量直接影響著整個(gè)生產(chǎn)裝置的能力，同時(shí)它的干燥性能也影響著炭黑質(zhì)量。
    在干燥機(jī)大型化設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮了設(shè)備的工藝要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇了設(shè)備的工藝參數(shù)和性能參數(shù)，通過(guò)對(duì)干燥機(jī)外形尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、介質(zhì)流路等方面進(jìn)行的優(yōu)化，提高了設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理性和可靠性，確保良好的干燥效果，延長(zhǎng)設(shè)備的使用使命，為用戶企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。
     富通新能源生產(chǎn)銷售木屑烘干機(jī)、木屑顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。