腐植酸復合肥料干燥因素的分析及干燥機內部結構設計探討

陳衛民 王 玉 陳士更*

1 農業農村部腐植酸類肥料重點實驗室 泰安 271600

2 山東農大肥業科技有限公司 泰安 271600

腐植酸復合肥料是以風化煤、褐煤、泥炭為腐植酸原料，經活化與無機肥料復合制得[1]。腐植酸復合肥料生產工藝多采用轉鼓工藝進行生產[2]。腐植酸分子中含有大量的官能團，多種官能團的存在使腐植酸具有離子交換性、吸附性以及絡合螯合性等特性，也使得腐植酸可以與各種有機、無機物質發生反應[3]。腐植酸的結構特點使得腐植酸復合肥料相較于普通復合肥料更易于吸潮，生產過程中易造成烘干系統結痂；干燥效果不充分，成品容易出現結塊粉化等問題。

轉鼓工藝腐植酸復合肥料生產中，烘干工段是控制水分的主要工段，干燥機是烘干工段重要的組成設備[4]，其造價成本最高、能耗最大、尺寸規格最大、附屬設備最多。干燥機為回轉形式的圓筒設備，頭部需要配備熱風爐對其進行熱量供應，尾部需要配備除塵系統和引風機，尾部的引風機將頭部的熱風爐產生的熱量引入干燥機內部，與內部的物料同向運動，圓筒內部設有不同類型的揚料板，使物料隨圓筒的轉動形成料幕，與熱風充分接觸，進行熱傳遞，使物料中含有的水分被帶走，最終換熱后的熱風通過引風機進入除塵系統處理后進行排放，物料則通過下料斗進入后續的生產工段。

不考慮物理性質改變和化學反應，物料在干燥機內烘干受多個方面因素的影響，包括物料停留時間、風量、溫度、物料與熱風的接觸面積，這些都是干燥機設計過程的重點。特別是腐植酸復合肥料的結構特點對烘干提出了更高的要求。

1 選擇適宜的停留時間

《復合肥料》（GB/T 15063-2020）及《腐植酸復合肥料》（HG/T 5046-2016）標準對高濃度復合肥料的水分控制標準均為≤2.0%。在實際生產中，腐植酸復合肥料水分只有達到1.5%以下才能保證產品2 個月貨架期內存放不產生結塊、粉化質量問題。

腐植酸復合肥料進入干燥機內的物料從造粒機出來后大部分是以顆粒形態存在。物料在干燥機內的干燥過程大致可以分為兩個階段，即表層干燥階段和深層水分遷移干燥階段[5]。物料顆粒表層的水分受顆粒毛細管引力和表面張力影響較小，在有熱量的情況下可以迅速蒸發，然而顆粒內部的深層次的水分需要通過毛細管在顆粒水分梯度和溫度梯度的影響下遷移至顆粒表面。由于水分的遷移需要一定時間，因此物料在干燥機內停留時間越長，水分遷移的過程才能越充分，整體的物料干燥效果才能越好。但物料停留時間過長，會增加干燥機負荷，增加能耗。結合生產實際，停留時間一般設計為25 ～35 min 為宜。

2 風機的選型和風量的匹配

在腐植酸復合肥料生產過程中風機的選型和風量的匹配是保證干燥效果的關鍵控制點，需要結合熱量守恒定律和生產經驗來計算[4，6]。在不考慮風阻的條件下，同等通道截面的風量取決于風速的大小，干燥機截面的風速通常選擇2 ～4 m/s，低于2 m/s 熱量交換能力嚴重不足，雖然通過提高熱風溫度可以進行彌補，但是容易造成物料與過熱風發生長時間的接觸，尤其生產高氮產品，氮含量在25%，原料中尿素占比達到10%以上的情況下容易發生熔融；風速高于4 m/s 的情況下，由于腐植酸復合肥料顆粒內部的水分遷移需要一定的時間，而水分遷移的速度主要受溫度影響，因此過高的風速對于深層水分的蒸發意義不大，而且會使能耗過度增加，小顆粒及粉塵容易被引風系統帶走，增加后續除塵系統負荷。因此，干燥機引風機應配備變頻器以便于根據生產過程中的風速適時進行調整。

3 干燥溫度的合理調控

轉鼓工藝腐植酸復合肥料生產中，干燥機通常采用并流干燥的方式，即熱量在干燥機內的傳導方向與物料在干燥機內的移動方向是一致的。熱量及物料從干燥機的頭部進入，從干燥機的尾部排出。因此，干燥機頭部和尾部的溫度監控具有非常重要的意義。復合肥料生產過程中熔點最低的原料為尿素，與其他物料混配后熔點更是大幅度的降低，加之進入干燥機的肥料顆粒物料處于潮濕的狀態以及還有部分未完成的化學反應，所以溫度要平穩、精準把控，通常含有尿素的物料干燥機頭部溫度控制在120 ～170 ℃，尾部溫度控制在60 ～70 ℃[7，8]。溫度過低會出現換熱不足，對于腐植酸復合肥料產品中的水分無法有效散失，影響后續操作的連續穩定進行，甚至對產品造成質量隱患；溫度過高或者急速升溫，會導致水溶性原料以及尿素出現大量的熔融，導致干燥機內顆粒團聚成大球，嚴重則出現泥漿狀物料[4，9]。不含尿素的物料，頭部溫度可控制在150 ～200 ℃，尾部溫度控制在80 ～90 ℃[10]。

4 提高換熱面積的抄板設計

換熱面積是干燥效率的核心因素，同規格干燥機的換熱面積主要與抄板設計相關，抄板設計合理，物料充分揚起，才能與熱風充分接觸。常規滾筒復合肥料設備的干燥機設計，干燥機滾筒的直徑為1.6 ～3.2 m[11]，抄板一般只有導料抄板和135°揚料板。而對于腐植酸復合肥料的生產應根據物料走向、原料的物理化學性質、熱風的進出方向等，將干燥機設計為螺旋導料區、二次成球區、直抄板區、表層干燥區、深層干燥區、空白區6個功能區[12，13]（圖1）。

圖1 干燥機抄板設計Fig.1 Plate making design of dryer

（1）螺旋導料區：長度2 m，其與干燥機頭部斷面夾角45°，單個揚料板的長度為2690 mm，揚料板的高度通常為滾筒直徑的1/5，周布數量為滾筒直徑的1/3（取整數），與頭部擋圈有縫隙100 mm，目的是為防止螺旋抄板布局形成死角，加快物料在干燥機頭部的推送速度。

（2）二次成球區：長度2 m，抄板形式為直抄板，單個揚料板的長度為900 mm，揚料板的高度通常為滾筒直徑的1/20，周布數量為滾筒直徑的1/2（取整數），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處是物料最佳成球區，應避免物料過度揚起，導致物料與干燥爐熱風過多接觸形成返料。

（3）直抄板區：也稱拋光滾圓定型區，長度2 m，抄板形式為直抄板，單個揚料板的長度為900 mm，揚料板的高度通常為滾筒直徑的1/8，周布數量為滾筒直徑的1/2（取整數），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處仍需避免物料過度揚起，導致物料與熱風接觸過多，致使物料在潮濕狀態迅速升溫，出現熔融狀態；而直抄板將物料揚起的高度有限，可預先讓熱風與物料進行小面積接觸，促使顆粒表皮干燥，以達到物料基本定型的目的，避免在后部仍因物料潮濕相互粘合。

（4）表層干燥區：也稱135°/90°抄板螺旋分布區，抄板形式為135°和90°彎度的抄板按照螺旋遞進的方式進行排布，單個揚料板的長度為900 mm，揚料板的整體垂直高度通常為滾筒直徑的1/8，抄板的彎板長度為立板長度的1/2，周布數量為滾筒直徑的1/2（取整數），相鄰兩圈的抄板之間垂直間距為100 mm，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處開始加大物料與熱風的接觸面積，通過螺旋形式的排布結構，使揚起的物料形成螺旋通道，有助于高溫熱風迅速通過，避免熱量過度聚集并與物料發生長時間接觸。雖然經過直抄板區的初步烘干后，物料顆粒表皮開始干燥，但是顆粒整體水分仍然較大，顆粒受熱風影響后溫度升高，水分蒸發，內部無機鹽溶解度加大，出現熔融現象，顆粒內部仍然比較柔軟，揚起過高容易導致顆粒摔扁。

（5）深層干燥區：也稱135°/90°抄板交叉分布區，抄板形式為135°和90°彎度的抄板交錯排布，單個揚料板的長度為900 mm，揚料板的整體垂直高度通常為滾筒直徑的1/8，抄板的彎板長度為立板長度的1/2，周布數量為滾筒直徑的1/2（取整數），下圈抄板位置應定在上圈抄板間隙的中心處，相鄰兩圈抄板之間的錯開距離為100 mm，此處物料顆粒能夠被充分揚起，此時顆粒表皮的水分在前部區域已基本被干燥，顆粒已完成定型可以接受更大的熱量，被抄板揚起的物料形成的螺旋通道被交叉揚起的物料以簾幕形態所填充，物料能夠與前部來的熱風發生充分接觸，顆粒深層的水分在毛細管和熱量的作用下逐步少量的向表層遷移，隨后被充分接觸的熱風帶走。

（6）空白區：長度1.5 m，避免物料揚起過高，導致大量粉塵和小粒進入烘干除塵引風系統。

5 總結

腐植酸復合肥料生產中的干燥環節是最為關鍵的階段，每個生產廠家以及設備制作廠家都有各自不同的見解，這與使用的生產工藝的差異以及人員操作習慣有一定的關系，但都要從停留時間、風量、溫度以及換熱面積4 個因素中尋求平衡點。干燥機抄板設計尤為重要，需要根據物料特性結合干燥機的規格尺寸設計不同的功能區和抄板形狀進行系統統籌排布。