空心桨叶干燥机深度剖析

空心桨叶深度剖析

一、空心桨叶干燥的原理与主要技术特征

空心桨叶干燥器由带夹套的端面呈W型壳体、上盖、有叶片的中空轴、两端的端盖、通有热介质的旋转接头、金属软管以及包括齿轮、链轮的传动机构等部件组成。

设备的核心是空心轴（可分为单、双、四根）和焊在轴上的空心搅拌桨叶。在污泥干化工艺中一般为双轴。桨叶形状为楔形的空心半圆，可以通加热介质。除了起搅拌作用外，也是设备的传热体，桨叶的两主要传热侧面呈斜面，因此当物料与斜面接触时，随着叶片的旋转，颗粒很快就从斜面滑开，使传热表面不断更新。

干燥器为连续运行。两主轴配置时，旋转方向相反。主轴转速较低，线速度低于2 m/s。主轴、桨叶

以及W形槽（包括壳体的上方高于桨叶外径一定距离的部分）均为中空，中间通入热流体。

干燥器的上部穹顶不加热，用于开设检查窗，连接风道、管线等。在顶盖的中部设置抽气口，以微负压方式抽取蒸发的水蒸气。

换热方式为热传导，仅在抽取负压时流入少量的环境空气，气体与物料运动方向为错流。物料在干燥器内的停留时间较长。工艺环路为开环，不再将处理过的废气返回。

由于主轴为转动部件，其本身还是换热面，为密封及机械形变考虑，工艺工质的温度均不超过200度。由于蒸汽释放潜热而导热油仅释放显热，对于此工艺一般选择蒸汽工质，此时所需输送热流体的热

流道为最小，易于布置。典型的饱和蒸汽温度为150－200度，压力5～7巴，最高可达14巴。

在污泥处理工艺方面，不同厂家的空心桨叶干燥器技术特点可能略有区别。兹将一些共通的、值得关注的特点列举如下：

1．干燥器倾斜布置

空心桨叶干燥器的布置为卧式，有一定倾斜角度，它由一侧进料，另一侧出料，物料在干燥器的前移主要靠重力移动。这是由于桨叶本身的斜面不具有轴向推动作用，位于桨叶顶端的刮板与桨叶呈90度布置，也仅能起到径向抄起和搅拌的作用，也不构成轴向推进，因此物料的向前推进需要干燥器的倾斜角度来完成。

2．溢流堰的设置

考虑到桨叶的阻隔作用，物料在干燥机内从加料口向出料口的移动呈柱塞流形式，停留时间分布可能十分狭窄，要使产品获得足够的时间处理，并使换热表面得到充分利用，须使物料充满干燥器，即料位应“浸没”桨叶的上缘高度。

在启动运行时，可能须关闭位于干燥器末端的出口，以实现“蓄水”效应，同时还需设置能够阻挡物料、维持高料位的溢流堰(overflow weir)。在理论上它应使物料略高于桨叶高度。溢流堰位于干燥器尾部，干泥下料口的上方，它应具有类似“提升闸”的机械结构，以维持工艺所需的料位高度。

3. 加热轴类型

设备的加热介质既可以用蒸汽，也可用导热油或热水，但热载体

相态不同，中空轴结构也不同。用蒸汽加热的热轴管径小，结构会相对简单；用热水或导热油加热的轴结构则可能比较复杂，因需要考虑管内液体流速，管径越粗，旋转接头及密封的难度越大。

向中空桨叶中供给热量，采用蒸汽工质时进出管线直径较小，这是由于释放潜热的特点所决定的。但采用导热油时，要使之能够通过足够的热流体量，这些管线的直径可能变得较大，而这对于主轴来说可能降低其结构强度。

由于主轴本身具有多项功能（桨叶支撑、热流体输送、传热换热等），它需克服物料的粘滞力、物料与桨叶间摩擦以及物料本身对主轴表面的磨损等，主轴所需克服的应力可能较大。这样在设计时，既要保证其机械强度，又要保证其换热性能，同时还需兼顾材料的硬度等，这些可能相互矛盾的条件将使设计变得复杂，而最终应用结果会具有较大变数。

如为了提高换热面积，需增加桨叶数量和直径，但这将导致主轴的应力增加。要提高主轴的强度，需增加主轴直径，但这会相应减少桨叶的换热面积。

在项目中，主轴类型的选择常常是不可预见的，如原来采用蒸汽作为工质的定型产品，当改用导热油时，其热流道将完全不同，传热能力也有很大变化，无法简单复制原来的工艺参数。这对于首次开发的新机型用户来说，可能意味着很多意想不到的问题。

4．停留时间

理论上空心桨叶干化的停留时间可通过加料速率、转速、存料量

等调节，在几十分种到几小时之间任意选定，其中溢流堰是调节干燥器内污泥滞留量的主要手段。

为了使换热面积得到充分利用，干燥器内污泥滞留量需求较高，料位需超过桨叶的上缘高度，即一般所说的“有效容积”需100％加以利用。如果按蒸汽罩在内的整个干燥器筒体容积考虑，有效容积可能要占到干燥器总容积的70～80%。

干燥器内物料存留率高，将使得污泥在干燥器内的实际停留时间相应较长，为3－7个小时。

5．干泥返混

理论上，由于空心桨叶互相啮合，具有自清洁作用，空心桨叶干燥器进行污泥干化应可完成各种含固率的污泥半干化和全干化，而无需进行干泥返混。

但实际上，要通过桨叶互相啮合而形成的物料剪切实现自清洁仍需要一定的前提条件，这就是设备中的啮合精度足够高，机械间隙足够小，以及物料间的剪切力足以克服产品在换热表面上的附着力。

在分析空心桨叶干燥器内部结构时，不难注意到其机械结构之间是存在较大间隙的。完全靠机械咬合清理死区是不可能的。这意味着真正实现空心桨叶热表面自清洁和更新的手段是物料之间的相互摩擦，即金属表面与物料之间以及物料与物料之间的剪切力。

实现物料之间相互摩擦可采用加大物料填充密度的方法，维持料位高度，可提高物料间的相互接触机会，配合桨叶叶片的挤压，可实现对某些换热面的自清理。

由于湿泥本身特性的原因，在干化过程中有成团、成球和搭桥的倾向，纯粹靠提高料位是无法克服的，因为湿泥颗粒之间的剪切力可能造成湿泥在无法更新的间隙中“压实”，而不会使其颗粒间产生疏松和流动性。只有干泥因其颗粒表面已完全失水，具有在短时间内复水性不佳的特性，颗粒间隙大，遇到机械剪切力，才有滑离金属表面的可能性。因此实际工程上，空心桨叶干化均考虑了干泥返混，其做法是对干泥进行筛分，细小干化污泥与湿泥进行预混合（美国Komline Sanderson一般均做此考虑，但有些厂家则声称无此必要）。

从换热效率角度考虑，干泥返混应该是必要手段之一。根据污泥的失水状况，空心桨叶干燥器的蒸发速率具有明显的峰谷变化。在含固率低于25%时，污泥在加热状态下有明显的液态性质，换热条件较佳，但物料易形成附着层而导致蒸发强度的降低，且污泥因高分子聚合物的作用，自身有形成团块的倾向，与换热面的接触率降低；在含固率25%-75%之间时，污泥可能具有表面黏性，结团倾向明显，换热效果较差。当含固率大于76％时蒸发速率回升，这是由于干细疏松的颗粒与换热面重新获得了较好的接触（据P. Arlabosse等的文章Drying of municipal sewage sludge: from a laboratory scale batch indirect dryer to the paddle dryer, B razilian Journal of Chemical Engineering, vol.22 no.2 São Paulo Apr./June 2005）。

空心桨叶工艺一般根据干燥目标，采取回流部分干燥污泥的做法