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一、空心槳葉干燥機的結(jié)構(gòu)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(zhì)的旋轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管以及齒輪、鏈輪等傳動機構(gòu)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(nèi)部可以通入加熱介質(zhì),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(cè)面呈斜面,物料與斜面接觸時,隨著葉片旋轉(zhuǎn),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(xù)運行設備。兩主軸配置時,旋轉(zhuǎn)方向相反,主軸轉(zhuǎn)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(fā)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(huán)境空氣,氣體與物料運動方向為錯流。物料在干燥機內(nèi)的停留時間較長,工藝環(huán)路為開環(huán),不再將處理過的廢氣返回。
由于主軸既為轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì),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(cè)進料,另一側(cè)出料,物料在干燥機內(nèi)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(gòu)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(xiàn)在,經(jīng)過改進后的干燥機,可以通過調(diào)整槳葉斜面角度,產(chǎn)生軸向推動力,實現(xiàn)對物料的推移,并利用轉(zhuǎn)速調(diào)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(nèi)從加料口向出料口的移動呈現(xiàn)柱塞流形式,停留時間的分布^狹窄,要使產(chǎn)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(xiàn)“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(jié)構(gòu),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(zhì)既可以用蒸汽,也可以用導熱油或熱水,但熱載體相態(tài)不同,中空軸結(jié)構(gòu)也不同。用蒸汽加熱時熱軸管徑小,結(jié)構(gòu)會相對簡單;用熱水或?qū)嵊图訜釙r,熱軸結(jié)構(gòu)則較復雜,需要考慮管內(nèi)液體流速;管徑越粗,旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì),主軸類型的選擇和結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的,如原來采用蒸汽作為工質(zhì)的干燥機,當改用導熱油作為熱介質(zhì)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(shù)。
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(zhuǎn)速、存料量等調(diào)節(jié),可在幾^種到幾小時之間任意選定,其中溢流堰是調(diào)節(jié)干燥機內(nèi)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(nèi)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(nèi)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?cè)莘e的70~80%。干燥機內(nèi)物料存留率高,將使得污泥在干燥器內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)品在換熱表面上的附著力。我們在分析空心槳葉干燥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時,不難注意到其機械結(jié)構(gòu)之間是存在較大間隙的,完全靠機械咬合清理死區(qū)是不可能的,這意味著真正實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(nèi)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(jù)污泥失水狀況,空心槳葉干燥機的蒸發(fā)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(tài)下有明顯的液態(tài)性質(zhì),換熱條件較佳,但物料易形成附著層而導致蒸發(fā)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(jié)團傾向明顯,換熱效果較差。當含固率大于75%時蒸發(fā)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??招臉~干燥工藝一般根據(jù)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??招臉~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(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生結(jié)垢。因此,典型的做法是,在干燥系統(tǒng)停車時,應維持返料系統(tǒng)繼續(xù)工作,停止進料裝置,干燥產(chǎn)品實行全返料,同時系統(tǒng)降溫,系統(tǒng)溫度低于60℃時才全線停車,干燥機內(nèi)不進行清料,開車時直接帶料啟動,這意味停機時,干燥機內(nèi)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(jié),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(zhàn)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(zhì)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(zhuǎn)方向是一定的,即兩個主軸均向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn),此時楔形槳葉的窄側(cè)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(guī)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(cè)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(jié)垢就會產(chǎn)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(chǎn)品的黏性。
10、傳熱系數(shù)
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(xiàn)較好的換熱,其綜合傳熱系數(shù)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(chǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)能力不到5000公斤/小時。國內(nèi)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(fā)是靠熱壁而不是靠氣體對流實現(xiàn)的,實際應用中,由于干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣需要及時排出干燥機,且污泥干化產(chǎn)生惡臭,為防止臭氣溢出到環(huán)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(huán)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(nèi)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(fā)所需的環(huán)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(tǒng)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(fā)強度
傳導型干燥機的蒸發(fā)能力一般以每平方米、每小時的蒸發(fā)量來衡量,它在理論上可實現(xiàn)10~60kg/m2.h的蒸發(fā)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(zhuǎn)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(fā)強度應該在8~14kg/m2.h之間。
14、產(chǎn)品出口溫度
由于污泥在干燥機內(nèi)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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