空心槳葉干化原理與工藝特征的深度剖析
一、空心槳葉干燥的原理與主要技術特征
空心槳葉干燥器由帶夾套的端面呈W型殼體、上蓋、有葉片的中空軸、兩端的端蓋、通有熱介質的旋轉接頭、金屬軟管以及包括齒輪、鏈輪的傳動機構等部件組成。
設備的核心是空心軸（可分為單、雙、四根）和焊在軸上的空心攪拌槳葉。在污泥干化工藝中一般為雙軸。槳葉形狀為楔形的空心半圓，可以通加熱介質。除了起攪拌作用外，也是設備的傳熱體，槳葉的兩主要傳熱側面呈斜面，因此當物料與斜面接觸時，隨著葉片的旋轉，顆粒很快就從斜面滑開，使傳熱表面不斷更新。
干燥器為連續運行。兩主軸配置時，旋轉方向相反。主軸轉速較低，線速度低于2 m/s。主軸、槳葉以及W形槽（包括殼體的上方高于槳葉外徑一定距離的部分）均為中空，中間通入熱流體。
干燥器的上部穹頂不加熱，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。物料在干燥器內的停留時間較長。工藝環路為開環，不再將處理過的廢氣返回。
由于主軸為轉動部件，其本身還是換熱面，為密封及機械形變考慮，工藝工質的溫度均不超過200度。由于蒸汽釋放潛熱而導熱油僅釋放顯熱，對于此工藝一般選擇蒸汽工質，此時所需輸送熱流體的熱流道為最小，易于布置。典型的飽和蒸汽溫度為150－200度，壓力5～7巴，最高可達14巴。
在污泥處理工藝方面，不同廠家的空心槳葉干燥器技術特點可能略有區別。茲將一些共通的、值得關注的特點列舉如下：
1．干燥器傾斜布置
空心槳葉干燥器的布置為臥式，有一定傾斜角度，它由一側進料，另一側出料，物料在干燥器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，也僅能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干燥器的傾斜角度來完成。
2．溢流堰的設置考慮到槳葉的阻隔作用，物料在干燥機內從加料口向出料口的移動呈柱塞流形式，停留時間分布可能十分狹窄，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，須使物料充滿干燥器，即料位應“浸沒”槳葉的上緣高度。在啟動運行時，可能須關閉位于干燥器末端的出口，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(over flowweir)。在理論上它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。用蒸汽加熱的熱軸管徑小，結構會相對簡單；用熱水或導熱油加熱的軸結構則可能比較復雜，因需要考慮管內液體流速，管徑越粗，旋轉接頭及密封的難度越大。
向中空槳葉中供給熱量，采用蒸汽工質時進出管線直徑較小，這是由于釋放潛熱的特點所決定的。但采用導熱油時，要使之能夠通過足夠的熱流體量，這些管線的直徑可能變得較大，而這對于主軸來說可能降低其結構強度。
由于主軸本身具有多項功能（槳葉支撐、熱流體輸送、傳熱換熱等），它需克服物料的粘滯力、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可能較大。這樣在設計時，既要保證其機械強度，又要保證其換熱性能，同時還需兼顧材料的硬度等，這些可能相互矛盾的條件將使設計變得復雜，而最終應用結果會具有較大變數。
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。要提高主軸的強度，需增加主軸直徑，但這會相應減少槳葉的換熱面積。
在項目中，主軸類型的選擇常常是不可預見的，如原來采用蒸汽作為工質的定型產品，當改用導熱油時，其熱流道將完全不同，傳熱能力也有很大變化，無法簡單復制原來的工藝參數。這對于首次開發的新機型用戶來說，可能意味著很多意想不到的問題。
4．停留時間
理論上空心槳葉干化的停留時間可通過加料速率、轉速、存料量等調節，在幾十分種到幾小時之間任意選定，其中溢流堰是調節干燥器內污泥滯留量的主要手段。
為了使換熱面積得到充分利用，干燥器內污泥滯留量需求較高，料位需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器筒體容積考慮，有效容積可能要占到干燥器總容積的70～80%。
干燥器內物料存留率高，將使得污泥在干燥器內的實際停留時間相應較長，為3－7個小時。
5．干泥返混
理論上，由于空心槳葉互相嚙合，具有自清潔作用，空心槳葉干燥器進行污泥干化應可完成各種含固率的污泥半干化和全干化，而無需進行干泥返混。
但實際上，要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。
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（美國Komline Sanderson一般均做此考慮，但有些廠家則聲稱無此必要）。
從換熱效率角度考慮，干泥返混應該是必要手段之一。根據污泥的失水狀況，空心槳葉干燥器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，自身有形成團塊的傾向，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76％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（據P.Arlabosse等的文章Drying of municipal sewage sludge:from a laboratory scale batch indirect dryer to the paddle dryer,Brazilian Journal of Chemical Engineering,vol.22 no.2 S?o Paulo Apr./June 2005）。
空心槳葉工藝一般根據干燥目標，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，回流量僅為出口干泥的小部分。這就是說，空心槳葉的返混對干泥濕泥混合后比例要求不高，一般可能在40％左右（遠低于一般要求的65%，如轉鼓機），此時干泥粉末的存在，已足以在熱表面起到“潤滑”和“清理”的作用。
6．干燥器內不清空
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：濕泥進料須在干燥器已有大量干“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。
這意味著在停機時，干燥器內始終充滿了干泥，在關機過程和開機過程中可能始終存在高粉塵、低濕度的特點，此時需關注干化安全問題。
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器也不例外。
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，需采用機械刮削的方式，這就是位于槳葉頂端的刮板（paddle plates）所起的作用。
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：向外擠壓（磨W形槽）和向后運動（磨刮板）。
8．金屬表面硬化處理
磨損可能是空心槳葉干燥器所面臨的重要挑戰之一。
污泥中含有磨蝕性顆粒，空心槳葉干燥器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面同時也是換熱面（如W形槽、槳葉、主軸，刮板可更換），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、實際硬度都不甚理想，只能起到減緩磨蝕的作用。
由于干泥顆粒和粉塵中磨粒的磨蝕作用較為突出，一般對后半段（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，無疑也將影響到干燥器的材質選定。
空心槳葉干燥器的換熱金屬面中，只有W形槽因與刮板間隙最小，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。這可能意味著要保護作為換熱面的W形槽，刮板則不能做硬化。而不做硬化的刮板壽命將十分有限。
9．機械死角
機械死角是空心槳葉干燥器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。刮板大于楔形部分最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，介于干燥器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，可能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”。綜合來看，空心槳葉干燥器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
空心槳葉干燥器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80～300 W/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
根據前面的描述可知，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（后面將加以證明）。設計上對制造精度、主軸類型和熱流道布置上有較高要求，因此一般認為這種干燥器“結構復雜，加工難度高，大型干燥機的設計有一定難度”。
截至2008年底，國外已制造出單機換熱面積1.5 ～295平方米、理論最大蒸發能力12 噸/小時的空心槳葉干燥器。在污泥干化領域，目前最大裝機換熱面積約300平方米，蒸發能力不到5000公斤/小時。
據不完全統計，國內目前的系列化設計最高110平方米，已見于報道的用于污泥干化的空心槳葉干燥器換熱面積多為25～50平方米，最高達160平方米。
由于污泥干化是有技術難度、大宗、無增值的產品應用，設備的大型化是節約投資的重要手段。但基于前述空心槳葉的特點，設備放大具有較高的技術難度。
12．吹掃空氣量
空心槳葉干燥器屬于典型的傳導型干燥器，其傳熱和蒸發是靠熱壁而不是靠氣體對流實現的。因此，大多數空心槳葉廠家均聲稱不需要吹掃空氣。
實際應用中，由于干燥過程產生的水蒸氣需要及時離開干燥器，且污泥干化產生惡臭，為防止臭氣溢出到環境，一般均需采用抽取微負壓方式。這樣就事實上存在了使用“吹掃空氣”的必要性。抽取負壓必然會造成環境空氣從干燥器和回路的縫隙中（軸縫、濕泥入口、干泥出口、溢流堰密封等）進入回路，為了防止這部分氣體在干燥器中造成水蒸氣冷凝，有時還需要對此氣體進行加熱。
吹掃空氣的量與工藝本身相關，以升水蒸發量所需的環境空氣干空氣量衡量，一般在0.1～1.2 kg/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一般考慮0.5 kg/kg.H2O左右的干空氣量。
13．蒸發強度
傳導型干燥器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10～60 kg/m2.h的蒸發量。但在污泥干化實踐中，根據我對世界上主要空心槳葉制造商業績的統計，設計值取值范圍一般在6～24 kg/m2.h之間，以14～18 kg/m2.h的取值居多。
對于蒸發強度的取值，可以從多個技術文獻得到印證。如日本奈良機械制作所污泥干化專利“特開平9-122401”，試驗條件下的污泥干化蒸發強度在6～6.8 kg/m2.h之間。浙江大學熱能工程研究所的試驗在90分鐘后、40％干燥率下也只有6 kg/m2.h。得利滿研發部的研究報告則提出空心槳葉計算模型取值在11.5～13.8 kg/m2.h之間。
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。考慮到空心槳葉干燥器的換熱條件與其它傳導型干燥器事實上非常相似，較為可靠的實際蒸發強度應該在8～14 kg/m2.h之間。
14．產品出口溫度
由于污泥在干燥器內停留時間長，污泥在離開干燥器時的出口溫度較高，應在90～100℃左右。污泥溫度高，則產品在篩分以及輸送（包括返混）過程中，可能對安全性產生影響。
因干泥返混的原因，在篩分前或是否后降溫將關系到系統的凈熱耗。
此外，進入停機序列后，熱載體撤除或停供后，產品的降溫仍需要走一個非常緩慢的過程，理論上剩余產品均需經外部的冷卻措施才能實現。基于空心槳葉的工作原理及其內部容積，很難想象空心槳葉干燥器能夠采用噴水降溫這樣的快捷方式進行安全保護。
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