磷酸氫鈣蒸汽回轉干燥實驗研究

張洪建，吳 靜，竇禹兵，杜 濱，尹鳳交

（山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

磷酸氫鈣是一種應用廣泛的飼料添加劑。目前國內磷酸氫鈣干燥主要采用煙氣氣流干燥工藝。一方面，該工藝利用高溫煙氣直接加熱物料，由于熱風爐產生的高溫煙氣易攜帶煤煙和煤灰雜質，對磷酸氫鈣產品品質影響較大；另一方面，氣流干燥尾氣熱損失大，干燥熱效率低，能耗高，隨著我國環保標準的日益嚴格，氣流干燥后的尾氣排放也面臨著巨大的環保壓力［1-3］。煙氣氣流干燥技術已越來越難以滿足磷酸氫鈣行業高質量發展的要求，急需探尋一種節能、高效、環保的先進干燥技術。

蒸汽回轉干燥機是一種利用蒸汽熱量，通過間接換熱方式對物料進行干燥的回轉干燥設備。干燥機筒體內布置有換熱管，換熱管隨筒體一起轉動，進入干燥機內的物料在轉筒內受到換熱管的升舉和攪拌作用，并被換熱管提供的熱量干燥。

本研究利用自制蒸汽回轉干燥機對蒸汽回轉干燥技術應用于磷酸氫鈣干燥的工藝可行性進行了驗證，并對干燥時間、干燥熱效率和傳熱系數等關鍵參數進行研究，以期為工程設計提供可靠的依據。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

蒸汽回轉干燥機直徑為0.83 m，筒體長度為4 m，安裝傾角為1.5°，筒體有效容積為2 m3，換熱管的加熱面積為18 m2。實驗裝置采用飽和蒸汽作為加熱熱源，通過設在蒸汽管道上的調節閥和流量計對進入干燥機的蒸汽流量進行調節和計量；實驗裝置進料管線上設有變頻旋轉閥，通過標定轉速和進料量的關系，可實現進料量的定量計量。干燥機出料口和進出氣口均設置溫度檢測裝置，用以測定干燥前后物料和尾氣的溫度；在引風管道上設有流量計，可測量干燥機尾氣流量。干燥機采用飽和蒸汽作為熱源，采用環境空氣作為攜濕氣，在干燥機前設置空氣預熱器，經預熱升溫后的空氣進入干燥機內，攜帶干燥過程脫除的水分排出干燥機。蒸汽回轉干燥裝置的工藝流程簡述如下：濕物料經計量后由進料螺旋輸送機送入蒸汽回轉干燥機中，物料經干燥機干燥后由出料螺旋輸送機和出料卸料閥排出，然后進入粉體流冷卻器。物料經冷卻降溫后，由粉體流冷卻器底部的成品卸料閥排出，得到干燥后產品（見圖1）。

圖1 蒸汽回轉干燥中試裝置工藝流程

1.2 實驗方法

濕磷酸氫鈣原料來自四川某磷制品有限公司，w（H2O）為26.1%，堆密度為630 kg/m3。為與用戶現場的工業熱源條件相似，實驗干燥熱源選用電加熱蒸汽發生器提供的0.5 MPa 飽和蒸汽。在正式投料前，將蒸汽回轉干燥機熱態運行30 min，干燥排風溫度達到90 ℃，使整個實驗系統保持熱態環境；實驗過程的進料量保持300 kg/h，進料溫度為25 ℃，環境空氣溫度為25 ℃，預熱后空氣溫度為125 ℃，每組實驗均穩定運行6 h，工況穩定后對產品取樣進行化驗分析。

蒸汽回轉干燥機屬于間接加熱設備，物料在干燥機中的流動性和粘壁特性將直接決定干燥過程能否順利完成，以及能否達到基本的干燥效果。此外，物料在干燥機內的停留時間是影響產品干燥品質的重要因素。本實驗將重點研究磷酸氫鈣在蒸汽回轉干燥機中的粘壁特性，分析獲得最佳干燥時間，計算傳熱系數及干燥熱效率等參數。各組實驗的工況條件見表1。

表1 實驗工況條件

2 結果與討論

2.1 干燥工藝可行性

實驗過程中蒸汽回轉干燥機運行穩定，物料在干燥機內松散性較好，在換熱管表面無粘壁、結疤等現象（實驗結束后換熱管表面狀態如圖2 所示），說明蒸汽回轉干燥工藝應用于磷酸氫鈣干燥是可行的［4］。

圖2 實驗結束后換熱管表面狀態

2.2 產品干燥效果評價

產品w（H2O）與物料在干燥機內停留時間的關系見圖3。由圖3 可以看出，隨著物料在干燥機內停留時間增加，產品w（H2O）逐漸降低。當筒體轉速為4 r/min、停留時間為25 min 時，產品w（H2O）為3.2%，滿足用戶對產品w（H2O）≤3.5%的要求。為兼顧設備產能及能耗，建議裝置設計的停留時間選取25 min。對在干燥機中停留干燥25 min的產品質量指標進行檢測，結果（見表2）表明，磷酸氫鈣產品的磷含量、鈣含量、氟含量及粒度等主要指標均滿足國標GB 22549—2017的要求［5］。

圖3 產品w（H2O）隨干燥機中停留時間的變化曲線

表2 在干燥機中停留干燥25 min的產品品質 %

2.3 干燥熱效率及傳熱系數

干燥熱效率是指干燥過程中熱量的有效利用率［6］，即：

式中η——干燥熱效率，%；

Qc——干燥有效熱量，kJ/h；

Qz——干燥總輸入熱量，kJ/h。

傳熱系數是指在穩定傳熱條件下，換熱管兩側介質溫度差為1 ℃時，單位換熱面積單位時間內傳遞的熱量［6］，即：

式中K——傳熱系數，W/（m2·℃）；

A——換熱面積，m2；

Δt——換熱管兩側介質對數平均溫差，℃。

選取表1 中工況2 的運行工況進行干燥熱效率及傳熱系數的分析，中試裝置在該工況下達到穩定運行時的各工藝參數見表3。

表3 穩定工況運行數據

經計算獲得的干燥熱效率為81.84%，傳熱系數為33.0 W/（m2·℃）。

2.4 工藝比較

將實驗中磷酸氫鈣蒸汽回轉干燥工藝指標與文獻［7］中磷酸氫鈣氣流干燥工藝指標進行對比，具體見表4。對比結果表明，蒸汽回轉干燥工藝的干燥熱效率比氣流干燥工藝高約30.94%，而折算到單位質量產品的尾氣排放量僅為氣流干燥工藝的4.13%，且產品色澤較好，顆粒均勻。

表4 兩種干燥工藝指標對比

3 結論

通過磷酸氫鈣蒸汽回轉干燥的中試實驗研究，得出以下結論。

（1）將蒸汽回轉干燥技術應用于磷酸氫鈣干燥是可行的。干燥過程中物料在干燥機內分散性良好，在加熱管表面未出現粘壁、結疤等現象。

（2）隨著物料在干燥機中停留時間的增長，產品水含量逐漸降低，當停留時間為25 min時，產品w（H2O）為3.2%，且磷含量、鈣含量、氟含量及粒度等產品指標均滿足GB 22549—2017的要求。

（3）在筒體轉速4 r/min、物料停留時間25 min的實驗工況條件下，利用蒸汽回轉干燥中試裝置干燥熱效率為81.84%，傳熱系數為33.0 W/（m2·℃）。

（4）與傳統氣流干燥工藝相比，蒸汽回轉干燥工藝的干燥熱效率提高30.94%，每千克磷酸氫鈣產品的尾氣排放量僅為氣流干燥工藝的4.13%，具有良好的節能和環保效益。