知识~砖坯干燥原理及余热预干燥的应用

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知识~砖坯干燥原理及余热预干燥的应用
随着隧道窑设计不断完善，焙烧技术不断成熟， 隧道窑产量逐渐提高，干燥的重要性越来越被重视，干燥过程中出现的各类问题亟待解决。
随着《砖瓦工业大气污染物排放标准》的实施，传统高耗能大排量的干燥方式不能满足环保要求。如何解决干燥与焙烧的矛盾？如何满足环保要求？如何降低能耗，减小成本，提高产量？笔者就干燥问题谈一些看法。1.干燥的重要性在烧结砖的生产实践中，干燥环节是实现企业效益的关键环节之一。没有干燥坯体的产量和质量，就没有企业的效益。干燥前端的混合料制备与成型环节，以及干燥后端的烧成环节，固然对提高企业的效益有较大的影响，然而现今的干燥环节则成为了目前最重要的工序。无论是自然干燥轮窑烧成的小型企业，还是采用二次码烧的隧道窑生产线或是现代化的大型一次码烧隧道窑生产线，湿坯的干燥过程，仍然是制约烧结砖产量和质量的关键因素，对企业效益的高低起着决定作用。因此烧结砖企业提高产量的重点环节应该落实到干燥环节，而不是焙烧环节。（1）水分来源及存在形式坯体除去水分的过程叫做干燥。坯体中的水主要由三部分组成，自由水、吸附水和化学结合水。自由水也叫机械水或游离水：分布在颗粒之间和毛细管中，结合松弛，较易排除。自由水在干燥阶段排出，体积要收缩。吸附水：附着于颗粒表面，其数量与环境温度和湿度相关，并有一定平衡关系，即随周围介质条件可逆性地变化，体积不变。化学结合水：包含在矿物的分子结构中，结合牢固，排除时需要较大能量。化学结合水含量较少，一般需要在焙烧窑的预热段排出（温度430~750℃）。在干燥条件固定的前提下，可以把坯体中的水分为自由水分和平衡水分，在干燥阶段就要最大限度除去自由水分。从工艺角度讲，砖坯中的水分来自于原料自身含水，一搅、二搅和挤出机的加水。不同成型工艺生产的砖坯含水率差别较大。实践中人们往往过分追求产量，降低了砖坯挤出压力，导致强度下降，砖坯含水率提高。还有的盲目码高，严重超出底层砖坯的承受能力，烧出的产品成品率很低。在允许的前提下应该寻求低含水率的成型工艺，能够保证砖坯码上窑车后不变形、不开裂，底层砖坯能够承受住上层坯体的压力。合理的干燥制度是达到优质、高产、低消耗的重要保证。根据实践经验，给出几类原料的成型含水率，供大家参考。其他类似的原料可以参考此数据。

（2） 坯体干燥机理在干燥室内，干燥介质（余热和热烟气）通过热交换将热量传给坯体表面，坯体表面受热后，又以传导的方式将热传递给坯体内部，这是传热过程。坯体表面受热后，表面水分汽化蒸发，而坯体内部水分则因物料水分差而移向表面，再由表面蒸发，直到坯体得以干燥，这是传质过程。由此可见，整个干燥过程既是传热过程，又是传质过程。传质过程又可分为两个过程，表面水分汽化蒸发到空气的过程称之为外扩散，内部水分移向表面的过程称之为内扩散。在整个干燥过程中，传热过程、外扩散过程和内扩散过程是相互联系并同时进行的。在干燥介质的温度、湿度及流速不变的情况下，物料的温度、水分、干燥速度与时间的关系，如图所示:

在干燥介质稳定的情况下，坯体不发生化学变化时，坯体干燥可分为四个阶段：①升速阶段干燥室内不停地有新车进入，在这里阶段，坯体表面被加热到等于干燥介质湿球温度的温度，水分蒸发速度很快增大。这一阶段时间短，排除水量不大 。干燥介质温度最低、湿度最大。②等速干燥阶段坯体表面蒸发的水分由内部向坯体表面源源不断补充，坯体表面总是保持湿润。这一阶段干燥速度不变，坯体表面温度保持不变，水分自由蒸发。干燥介质湿度逐渐增大。③降速干燥阶段表面停止收缩，继续干燥仅增加坯体内部孔隙。干燥速度下降，热能消耗下降，坯体表面温度提高。④平衡阶段坯体表面水分达到平衡水分时，干燥速度为0 。干燥最终水分取决与干燥介质的温度和湿度。干燥各阶段并不是固定不变的，随着干燥介质温度、湿度的变化也会有所调整，实践中要根据具体情况摸索出适合原料特点的干燥曲线。 通过研究干燥机理及干燥速率可知，影响干燥速率的因素实质上就是影响传热速率和扩散速率的因素，其中，影响传热速率的因素为干燥介质的温度、湿度和流速，总体而言是单位时间送入干燥室内多少热量。在实践中经常出现这样的现象，有的生产线送进干燥室的热风温度较高，但是干燥速度就是很慢，干燥效果很差，这是因为风机抽取的风量偏少了，干燥室里并没有获得足够的热量。有的生产线送风温度较低，但干燥效果却很好，这是因为风量较大，干燥室已获得足够的热量。一般情况下干燥室送热口温度在140℃~160℃比较合适，过高了会影响焙烧窑正常工作，也会使风机工作环境恶化，送风量应根据干燥室内需热量多少计算。排除1Kg水需干空气量（Nm³）

影响扩散速率的因素为坯体的温度、含水量和坯体的形状特征、坯体的颗粒级配。孔洞率大的砖坯比较容易干燥，砖坯暴露在空气中的面积越大越容易干燥。原料的颗粒级配也很重要，粗颗粒，瘠性料多的坯体，毛细管粗，内扩散阻力小而利于内扩散速度提高，有利于提高干燥速度。塑性高的原料，往往粒度愈细，成型时所吸附的水愈多，含水率大，不容易干燥，而且收缩与变形也大。含水率较高原料干燥前后的内部显微结构示意如下：

2. 新型干燥方式——预干燥（1）为什么要进行预干燥？传统干燥理论要求低温大风量，这样固然提高了干燥效率，但也有明显弊端。一是能耗提高了，大风量增加热耗，使大量热风未经利用就排走了，一般认为排潮口的相对湿度小于80%是不合理的。单位体积空气中所含水蒸汽的质量，叫做空气的绝对湿度。 在某一温度时，空气的绝对湿度，跟在同一温度下的饱和水汽压的百分比值，叫做当时空气的相对湿度。空气的相对湿度变成100％时，也就是实际水蒸汽压强等于饱和水蒸汽压强时的温度，叫做露点。排潮口的相对湿度越高说明烟气带走的水分越多，排潮效率越高，但要防止凝露。

二是不符合《砖瓦工业大气污染物排放标准》中的相关要求。 砖瓦工业大气污染物排放标准中对污染物排放限制做出明确规定，并且第4.7条规定 基准过量空气系数为1.7，实测的大气污染物排放浓度应换算为基准过量空气系数排放浓度。生产设施应采取合理的通风措施，不得故意稀释排放。 标准规定的 新建企业大气污染物排放限值         单位：mg/m3

在线监测数据要根据公式折算为基准过量空气系数排放浓度，公式如下：式中：c折算后的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度实测的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度实测的过量空气系数规定的过量空气系数实测含氧量 比如某厂实测氧气浓度20.80 mg/m3，SO2浓度28 mg/m3，那么这个厂的SO2折算浓度为：C= 28X=1729 mg/m3，远远超出300 mg/m3的限值。过去有些厂为了降低SO2排放浓度，往烟气中掺入冷风，稀释浓度，其实这是无用功，由公式可知：掺入的空气越多，实测氧含量越高，越大，c值也就越大，越容易超过国家排放标准。在生产中降低烟气含氧量，主要有以下办法：①提高焙烧窑燃烧效率；②降低窑内空气过剩系数；③做好窑体密封，防止冷空气混入烟气。目前多数中小断面窑炉都是采用烟气与余热混合进入干燥室然后集中排放的方式，生产中需要非常大的风量才给带走砖坯中的水分。按照新的环保要求，再靠采用大风量来维持生产显然不合适。采用自然静停的方式来解决干燥问题，不但要增加大量窑车，占地面积也大，同时也会在环境温度低时极易形成吸潮、塌坯，干燥效率低下，不是解决问题的有效办法。（2） 预干燥原理预干燥系统包括两部分：余热采集和干燥。余热采集部分采用环美院开发的低压余热蒸汽锅炉系统将隧道窑内富余热量置换成优质蒸汽。干燥系统通过特殊设计的散热装置将蒸汽中的热量转化为热空气进行砖坯干燥。干燥系统安装在干燥室前面的回车线上，与干燥室同步运转。

干燥系统工作目标：①低坯体总含水率的25~30%，既假设坯体初始含水率为15%，通过预干燥系统后，坯体含水率可以将为11%以内。②提高坯体温度，使砖坯车进入干燥室时坯体温度达到30~40℃，降低干燥室内热损失。（3） 预干燥的优势预干燥系统有别于其他措施，首先解释几个疑问：①为什么不采用两烘一烧的方式？两烘一烧的方式采用慢速干燥原理，有其合理性，很多地方在使用。但存在一些问题：多条干燥室同时抽风无疑增加隧道窑内通风量，风量越大带走的热量越多，热耗越大；多条干燥室干燥效果不会完全一样，进入隧道窑的砖坯含水率就会发生变化，影响焙烧制度的稳定性；烟气收集与排放困难增大，烟气处理很难达标； ②为什么不增加干燥室长度？干燥室长度是根据干燥制度确定的，肆意增加干燥室长度会适得其反，如干燥室加长后会增加风阻，增大风机压力；干燥室加长后变相增加排潮压力，需要提供更多热空气才能保证湿空气不致凝露，既增加空气量又增加热耗。预干燥系统的本质特点是降低干燥用风量、提高干燥效率、降低热耗、提高焙烧效率，提高产量。预干燥系统与传统干燥室是相辅相成的，预干燥是慢速干燥过程，模拟干燥热环境，空气相对湿度低，露点温度低，不易饱和，所以无需大风量，特别适合于中高敏感性原料和坯体初始强度不高的原料。预干燥系统降低坯体总含水率的25~30%，为干燥室提供30~40℃的砖坯，大大降低了干燥室压力。很多干燥室存在塌坯现象，多发生在排潮口附近，就是因为从干燥室尾部过来的烟气温度越来越低相对湿度越来越大，干燥过程中，由于水分同时存在于干燥介质和坯体中，干燥介质中的水蒸气分压低于坯体表面的水蒸气分压，水分从坯体表面蒸发到干燥介质中。但是，如果干燥中出现干燥介质中的水蒸气分压高于坯体表面的水蒸气分压的情况，就会出现水分从干燥介质中凝结到坯体表面的过程，这就会引起返潮或塌坯。特别是冬天坯体温度相对较低，塌坯在冬天容易发生，而很少在夏天发生。而经过预干燥后的砖坯温度接近甚至高于排潮温度，返潮或塌坯的几率就变得很小了。干燥室内节省了预热砖坯的过程，减少了热损失，减少了需用热风量，可以提高排潮烟气的相对湿度到90%以上，提高了干燥速度。干燥速度提高就意味着焙烧速度提高。在很多生产线的实践证明，通常情况下焙烧速度提高至50~60分钟一车可以烧出合格产品，提高干燥速度，节省干燥时间，可以为焙烧窑及时进车提供保证。采用预干燥系统后可以保证每天每条窑多出5车砖。预干燥系统采用热辐射原理置换窑内余热，属于静态采热，不会影响隧道窑内压力制度，采热区间设置在冷却段，不会影响烧结；干燥段无需大量热风，无烟气排放，不需要大功率排烟风机。整个系统运行期间只需要定时补充损失掉的软化水，需要一台风量在20000 m³/h左右的风机，无需其他成本。

3. 结论干燥设计要在预干燥和传统干燥两个方面下功夫，充分利用隧道窑内富余热量最大限度干燥砖坯，减少焙烧窑工作压力，提高产量。干燥的事情干燥去解决，焙烧窑只管烧（入焙烧窑的砖坯水分控制在1%以内）。环保要求 正从政策宣讲进入到执行阶段，环保部门开始对烟气排放、隧道窑节能等进行实时监控，不合格的限期整改。一大批高耗能高污染的落后生产线要么淘汰，要么技改。采用预干燥系统可以解决能耗与效率的矛盾，在不增加能耗基础上，充分利用余热资源进行辅助干燥，增强坯体强度，提高坯体质量，降低干燥压力，提高干燥速度。预干燥系统采用低温慢速干燥原理，能够满足中高敏感性原料干燥要求。预干燥系统热源稳定，不受地区、季节、天气等影响，隧道窑产量越高，热源越充足，系统效率越高，干燥效果越好，形成良性循环。预干燥系统不占用额外厂房，系统设置于干燥室前端的回车线上，工程量小，便于安装。系统特别适合改造项目，对于产量低、干燥问题多的生产线，可利用检修期间安装预干燥系统，施工工期短，投资省，见效快，且无烟气排放之烦恼。

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