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    空心槳葉干燥機在污泥干化中的設計分析

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    空心槳葉干燥機在污泥干化中的設計分析

    信息來源:本站 | 發布日期: 2018-02-28 | 瀏覽量:
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            一、空心槳葉干燥機的結構特征      

            空心槳葉干燥機由帶夾套的端面呈W型殼體、上蓋、帶有槳葉片的中空軸、殼體兩端端蓋、通有熱介質的旋轉接頭、金屬軟管以及齒輪、鏈輪等傳動機構等部件組成。 

    空心槳葉干燥機的核心部件是空心軸(可分為單軸、雙軸、四軸)和焊在軸上的空心攪拌槳葉,污泥干化工藝中一般選擇雙軸。槳葉形狀為楔形的空心半圓,內部可以通入加熱介質,除了起攪拌作用外,也是設備的主要傳熱體。槳葉的兩個主要傳熱側面呈斜面,物料與斜面接觸時,隨著葉片旋轉,顆粒很快就從斜面滑開,使傳熱表面不斷獲得更新。

    空心槳葉干燥機為連續運行設備。兩主軸配置時,旋轉方向相反,主軸轉速較低,線速度低于2m/s。主軸、槳葉以及W形槽均為中空,中間可通入熱流體加熱

    干燥機的上部穹頂不加熱,用于開設檢查窗,連接風道、管線等。在頂蓋的中部設置抽氣口,以微負壓方式抽取蒸發的水蒸氣。換熱方式為熱傳導,僅在抽取負壓時流入少量的環境空氣,氣體與物料運動方向為錯流。物料在干燥機內的停留時間較長,工藝環路為開環,不再將處理過的廢氣返回。 

    由于主軸既為轉動部件,又是主要的換熱面,考慮設備密封及機械形變,工藝要求其工質溫度一般不能超過200度。由于蒸汽釋放潛熱而導熱油僅釋放顯熱,使用工藝一般選擇蒸汽工質,此時所需輸送熱流體的熱流道為^小,易于布置。典型的飽和蒸汽溫度為150-200度,壓力5~7巴,^高可達14巴。

    二、空心槳葉干燥機在污泥干化處理方面各項技術因素分析

    1、干燥機傾斜布置 

    空心槳葉干燥機的布置為臥式,一般帶有一定傾斜角度,它由一側進料,另一側出料,物料在干燥機內的前移主要靠重力移動,這是由于槳葉本身的斜面不具有軸向推動作用,位于槳葉頂端的刮板與槳葉呈90度布置,也僅起到徑向抄起和攪拌的作用,也不構成軸向推進,因此物料的向前推進需要依靠干燥機的傾斜角度來完成。

    現在,經過改進后的干燥機,可以通過調整槳葉斜面角度,產生軸向推動力,實現對物料的推移,并利用轉速調整干燥時間。

    2、溢流堰的設置 

    由于槳葉的阻隔作用,物料在干燥機內從加料口向出料口的移動呈現柱塞流形式,停留時間的分布^狹窄,要使產品獲得足夠的時間處理,并使換熱表面得到充分利用,須使物料充滿干燥機,即料位應“浸沒”槳葉的上緣高度。在啟動運行時,須關閉位于干燥機末端的出口,以實現“蓄水”效應,同時還需設置能夠阻擋物料、維持高料位的溢流堰,理論上溢流堰應使物料略高于槳葉高度。溢流堰位于干燥器尾部,干泥下料口的上方,它應具有類似“提升閘”的機械結構,以維持工藝所需的料位高度。 

    3、加熱軸類型 

    設備的加熱介質既可以用蒸汽,也可以用導熱油或熱水,但熱載體相態不同,中空軸結構也不同。用蒸汽加熱時熱軸管徑小,結構會相對簡單;用熱水或導熱油加熱時,熱軸結構則較復雜,需要考慮管內液體流速;管徑越粗,旋轉接頭及密封的難度也越大。 

    向中空槳葉供給熱量,若采用蒸汽工質時,因其釋放潛熱的特點,進出管線直徑較小。若采用導熱油時,為獲得足夠的熱體流量,這些管線的直徑可能變得較大,這對主軸來說則可能降低其結構強度。由于主軸本身具備多項功能(支撐槳葉、輸送熱流體、傳熱換熱等),它需要克服物料的粘滯力、物料與槳葉間摩擦、以及物料本身對主軸表面的磨損等,主軸所需克服的應力較大。設計時,既要保證其機械強度,又要保證其換熱性能,同時還應兼顧材料強度等,這些可能相互矛盾的條件將使設計變得復雜,如為了提高換熱面積,需增加槳葉數量和直徑,但這將導致主軸的應力增加。如要提高主軸強度,需要增加主軸直徑,但這又會相應減少槳葉的換熱面積。 

    針對不同的加熱介質,主軸類型的選擇和結構是有區別的,如原來采用蒸汽作為工質的干燥機,當改用導熱油作為熱介質時,其熱流通道將完全不同,傳熱能力也有很大變化,所以不能簡單復制和利用原來的工藝參數。

    4、停留時間

    理論上污泥干化的停留時間可通過加料速率、轉速、存料量等調節,可在幾^種到幾小時之間任意選定,其中溢流堰是調節干燥機內污泥滯留量的主要手段。 

    為使換熱面積得到充分利用,干燥機內污泥滯留量要求較高,料位應當超過槳葉的上緣高度,即一般所說的“有效容積”需100%加以利用。如果按蒸汽罩在內的整個干燥機筒體容積計算,有效容積可能要占到干燥機總容積的70~80%。干燥機內物料存留率高,將使得污泥在干燥器內的實際停留時間相應較長,可達3-7個小時。 

    5、干泥返混 

    理論上,由于主軸上的空心槳葉互相嚙合,具有自清潔作用,空心槳葉干燥機可進行污泥半干化和全干化操作,而無需進行干泥返混。但實際上,通過槳葉互相嚙合而形成的物料剪切實現自清潔仍需要一定的前提條件,這就是設備中的嚙合精度足夠高,機械間隙足夠小,以及物料間的剪切力足以克服產品在換熱表面上的附著力。我們在分析空心槳葉干燥器內部結構時,不難注意到其機械結構之間是存在較大間隙的,完全靠機械咬合清理死區是不可能的,這意味著真正實現空心槳葉熱表面自清潔和更新的手段是物料之間的相互摩擦,即金屬表面與物料之間以及物料與物料之間的剪切力。實現物料之間相互摩擦可采用加大物料填充密度的方法,維持料位高度,可提高物料間的相互接觸機會,配合槳葉葉片的擠壓,可實現對某些換熱面的自清理。 

    由于濕泥本身特性的原因,在干化過程中有成團、成球和搭橋的傾向,純粹靠提高料位是無法克服的,因為濕泥顆粒之間的剪切力可能造成濕泥在無法更新的間隙中“壓實”,而不會使其在顆粒間產生疏松和流動性,只有干泥因其顆粒表面已完全失水,具有在短時間內復水性不佳的特性,顆粒間隙大,遇到機械剪切力,才有滑離金屬表面的可能性。因此實際工程上,空心槳葉干化均考慮了干泥返混,其做法是對干泥進行篩分,細小干化污泥與濕泥進行預混合。 

    從換熱效率的角度考慮,干泥返混應該是必要手段之一。根據污泥失水狀況,空心槳葉干燥機的蒸發速率具有明顯的峰谷變化。在含固率低于25%時,污泥在加熱狀態下有明顯的液態性質,換熱條件較佳,但物料易形成附著層而導致蒸發強度的降低,且污泥因高分子聚合物的作用,具備自身形成團塊的傾向,與換熱面的接觸率降低;在含固率25%-75%之間時,污泥可能具有表面黏性,結團傾向明顯,換熱效果較差。當含固率大于75%時蒸發速率回升,這是由于干細疏松的顆粒與換熱面重新獲得了較好的接觸。空心槳葉干燥工藝一般根據干燥目的,采取回流部分干燥污泥的做法(干泥返混),使干泥起一定的“潤滑”作用,獲得較好的流動性,避免黏著,其回流量僅為出口干泥的小部分。空心槳葉干燥機返混干泥的比例要求不高,一般可能在40%左右(遠低于一般要求的65%,如轉鼓機),此干泥粉末的存在,已足以在熱表面起到“潤滑”和“清理”的作用。 

    6、干燥機內不清空 

    凡需要干泥返混的污泥干化工藝,對于濕泥的進料均有嚴格的要求,濕泥進料前須在干燥機已有大量干“床料”的條件下才能進行,這樣才能避免濕泥一進去就糊住換熱面、產生結垢。因此,典型的做法是,在干燥系統停車時,應維持返料系統繼續工作,停止進料裝置,干燥產品實行全返料,同時系統降溫,系統溫度低于60℃時才全線停車,干燥機內不進行清料,開車時直接帶料啟動,這意味停機時,干燥機內充滿了干泥。在關機過程和開機過程中始終存在高粉塵、低濕度的特點,但此時需要關注干化安全等問題。 

    7、槳葉頂端刮板 

    任何機械都是有公差間隙的,主軸嚙合的空心槳葉干燥機也不例外。濕泥在一定含固率下具有黏性,在這些間隙之間可能造成黏壁,在熱表面上的任何黏結,將降低換熱效率。為避免污泥垢層的加厚,常采用機械刮削的方式,需要利用槳葉頂端的刮板起到刮削污泥的作用。從刮板的作用可知,隨著長期運行,刮板對且僅對落在槳葉與W形槽換熱面之間的物料有抄起作用,同時也對附著在W型槽壁上的物料有刮取作用,無論抄起還是刮取,由于刮板的運動速度大約為2~5米/秒,在抄起或刮取的過程中,此速度下刮板外緣的污泥的運動方向有兩個,一個是向外擠壓(磨W形槽),另一個是向后運動(磨刮板)。

    8、金屬表面硬化處理 

    磨損可能是空心槳葉干燥機所面臨的重要挑戰之一。污泥中含有磨蝕性顆粒,空心槳葉干燥機屬于典型的傳導接觸型換熱,金屬與磨粒的反復、長期接觸,金屬磨蝕是不可避免的。涂層和硬化可減輕磨蝕的速度,但受限于被磨蝕的金屬表面同時也是換熱面(如W形槽、槳葉、主軸等),所能采取的硬化措施不多(噴涂碳化硅等),在加熱條件下耐磨層的附著力、實際硬度等都不甚理想,只能起到減緩磨蝕的作用。 

    因干泥顆粒對金屬表面的磨蝕作用較為突出,一般常對后半段(15~25%)的槳葉進行熱處理保護,但對于有干泥返混的工藝,其磨蝕則是全程的。磨蝕傾向的存在,無疑將影響干燥機的材質選定。 

    空心槳葉干燥機的換熱金屬面中,W形槽因與刮板間隙^小,在熱表面更新過程中有明顯的擠壓作用。當存在這種擠壓縫隙時,一般磨蝕強烈的是相對較“軟”的金屬面,這就意味著需要保護作為換熱面的W形槽,刮板可以不做硬化,但不做硬化的刮板壽命也將^有限。 

    9、機械死角 

    機械死角是空心槳葉干燥機必需解決的設計難題之一,它可分為三類:1)無表面機械清理的金屬外緣;2)有表面清理但存在不可觸及的公差;3)因磨蝕造成的不可觸及公差加大。

    楔形槳葉本身的旋轉方向是一定的,即兩個主軸均向內側旋轉,此時楔形槳葉的窄側在前,刮板在后,槳葉從窄而寬的換熱面上均無機械清理,需要靠物料自身的剪切力更新。刮板大于楔形部分^寬換熱面的部分將始終刮帶污泥,并在W形槽上形成擠壓。此外,刮板與主軸僅在某一點(即扇形缺口的中心部位)上有“切線相交”(其實是接近,清理作用微乎其微),主軸在絕大部分情況下表面沒有機械清理。上述均屬于無表面機械清理的金屬外緣,它占總換熱面積的70~80%。 

    有機械清理的換熱表面,按照楔形槳葉的排布規則,存在以下因不可觸及公差所造成的死角:第一排和末排槳葉的刮板與加熱主軸外側的空隙,介于干燥機槳葉與主軸填料密封之間。軸向刮板間的空隙,此間隙可明顯觀察到。 

    由于前述磨蝕問題,造成特別是徑向刮板空隙的增大,即刮板因磨蝕而變薄,刮板與W形槽換熱面的不可觸及公差加大。此時刮板所起的刮取作用減低,在物料之間的剪切力不足以克服濕泥在換熱面上的附著力時,在換熱面上的堆料和結垢就會產生。當形成一定厚度時,將導致軸跳、震動和噪聲等。

    無法清理的換熱表面均可稱之為“機械死角”。綜合以上因素,空心槳葉干燥機無法進行機械清理的部位占了換熱面積的大部分,因此對于這種工藝來說,核心問題在于如何避免產品的黏性。 

    10、傳熱系數 

    空心槳葉干燥機由于槳葉垂直于主軸,刮板平行于主軸,槳葉兩端的換熱面無推動而僅起換熱作用,物料的徑向混合充分,物料與換熱面的接觸頻率較高,停留時間長,理論上應可實現較好的換熱,其綜合傳熱系數應在80~300W/m2.K之間。在污泥干化應用方面,由于不同的污泥黏性不同,干化產品含固率也影響到工藝過程(如能否進行低干度半干化),實際項目中給出的傳熱系數可能相差較大。 

    11、傳熱面積 

    空心槳葉干燥機熱軸上的楔形槳葉和主軸是主要的加熱面,換熱面積占總換熱面積的70%以上。設計上對其制造精度、主軸類型和熱流道布置上有較高要求,一般認為這種干燥機“結構復雜,加工難度高”,大型干燥機的設計難度更大。國外已制造出單機換熱面積1.5~295平方米、理論^大蒸發能力12噸/小時的空心槳葉干燥機,在污泥干化領域,目前^大裝機換熱面積約300平方米,蒸發能力不到5000公斤/小時。國內目前的系列化設計^高110平方米,常用的空心槳葉干燥機換熱面積多為25~100平方米,^高達160平方米。 

    12、吹掃空氣量

    空心槳葉干燥機屬于典型的傳導型干燥機,其傳熱和蒸發是靠熱壁而不是靠氣體對流實現的,實際應用中,由于干燥過程產生的水蒸氣需要及時排出干燥機,且污泥干化產生惡臭,為防止臭氣溢出到環境,一般均需采用微負壓操作方式,存在使用“吹掃空氣”的必要性。抽取負壓必然會造成環境空氣從干燥機和回路的縫隙中(軸縫、濕泥入口、干泥出口、溢流堰密封處等)進入回路,為防止吹掃空氣在干燥機內造成水蒸氣冷凝,還需對此氣體進行加熱。吹掃空氣量與工藝本身相關,以水蒸發所需的環境干空氣量進行衡量,一般在0.1~1.2kg/kg.H2O之間,此值的高度對干化系統的凈熱耗有重要影響,典型的空心槳葉干燥機一般考慮0.5kg/kg.H2O左右的干空氣量。 

    13、蒸發強度 

    傳導型干燥機的蒸發能力一般以每平方米、每小時的蒸發量來衡量,它在理論上可實現10~60kg/m2.h的蒸發量。但在污泥干化實踐中,設計值取值范圍一般在6~24kg/m2.h之間,以14~18 kg/m2.h的取值居多。參考其它傳導型干化(如轉碟機、圓盤機),典型值均在8~14 kg/m2.h之間,考慮空心槳葉干燥機的換熱條件與其它傳導型干燥器非常相似,較為可靠的實際蒸發強度應該在8~14kg/m2.h之間。 

    14、產品出口溫度 

    由于污泥在干燥機內停留時間長,污泥在離開干燥器時的出口溫度較高,應在90~100℃左右。

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