空心桨叶干燥机在污泥干化中的设计分析

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”，而不会使其在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。

从换热效率的角度考虑，干泥返混应该是必要手段之一。

根据污泥失水状况，空心桨叶干燥机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，具备自身形成团块的倾向，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75％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。

空心桨叶干燥工艺一般根据干燥目的，采取回流部分干燥污泥的做法（干泥返混），使干泥起一定的“润滑”作用，获得较好的流动性，避免黏着，其回流量仅为出口干泥的小部分。

空心桨叶干燥机返混干泥的比例要求不高，一般可能在40％左右（远低于一般要求的65%，如转鼓机），此干泥粉末的存在，已足以在热表面起到“润滑”和“清理”的作用。

6、干燥机内不清空
凡需要干泥返混的污泥干化工艺，对于湿泥的进料均有严格的要求，湿泥进料前须在干燥机已有大量干“床料”的条件下才能进行，这样才能避免湿泥一进去就糊住换热面、产生结垢。

因此，典型的做法是，在干燥系统停车时，应维持返料系统继续工作，停止进料装置，干燥产品实行全返料，同时系统降温，系统温度低于60℃时才全线停车，干燥机内不进行清料，开车时直接带料启动，这意味停机时，干燥机内充满了干泥。

在关机过程和开机过程中始终存在高粉尘、低湿度的特点，但此时需要关注干化安全等问题。

7、桨叶顶端刮板
任何机械都是有公差间隙的，主轴啮合的空心桨叶干燥机也不例外。

湿泥在一定含固率下具有黏性，在这些间隙之间可能造成黏壁，在热表面上的任何黏结，将降低换热效率。

为避免污泥垢层的加厚，常采用机械刮削的方式，需要利用桨叶顶端的刮板起到刮削污泥的作用。

从刮板的作用可知，随着长期运行，刮板对且
仅对落在桨叶与W形槽换热面之间的物料有抄起作用，同时也对附着在W型槽壁上的物料有刮取作用，无论抄起还是刮取，由于刮板的运动速度大约为2～5米/秒，在抄起或刮取的过程中，此速度下刮板外缘的污泥的运动方向有两个，一个是向外挤压（磨W形槽），另一个是向后运动（磨刮板）。

8、金属表面硬化处理
磨损可能是空心桨叶干燥机所面临的重要挑战之一。

污泥中含有磨蚀性颗粒，空心桨叶干燥机属于典型的传导接触型换热，金属与磨粒的反复、长期接触，金属磨蚀是不可避免的。

涂层和硬化可减轻磨蚀的速度，但受限于被磨蚀的金属表面同时也是换热面（如W形槽、桨叶、主轴等），所能采取的硬化措施不多（喷涂碳化硅等），在加热条件下耐磨层的附着力、实际硬度等都不甚理想，只能起到减缓磨蚀的作用。

因干泥颗粒对金属表面的磨蚀作用较为突出，一般常对后半段（15~25%）的桨叶进行热处理保护，但对于有干泥返混的工艺，其磨蚀则是全程的。

磨蚀倾向的存在，无疑将影响干燥机的材质选定。

空心桨叶干燥机的换热金属面中，W形槽因与刮板间隙^小，在热表面更新过程中有明显的挤压作用。

当存在这种挤压缝隙时，一般磨蚀强烈的是相对较“软”的金属面，这就意味着需要保护作为换热面的W形槽，刮板可以不做硬化，但不做硬化的刮板寿命也将^有限。

9、机械死角
机械死角是空心桨叶干燥机必需解决的设计难题之一，它可分为三类：1）无表面机械清理的金属外缘；2）有表面清理但存在不可触及的公差；3）因磨蚀造成的不可触及公差加大。

楔形桨叶本身的旋转方向是一定的，即两个主轴均向内侧旋转，此时楔形桨叶的窄侧在前，刮板在后，桨叶从窄而宽的换热面上均无机械清理，需要靠物料自身的剪切力更新。

刮板大于楔形部分^宽换热面的部分将始终刮带污泥，并在W形槽上形成挤压。

此外，刮板与主轴仅在某一点（即扇形缺口的中心部位）上有“切线相交”（其实是接近，清理作用微乎其微），主轴在绝大部分情况下表面没有机械清理。

上述均属于无表面机械清理的金属外缘，它占总换热面积的70～80％。

有机械清理的换热表面，按照楔形桨叶的排布规则，存在以下因不可触及公差所造成的死角：第一排和末排桨叶的刮板与加热主轴外侧的空隙，介于干燥机桨叶与主轴填料密封之间。

轴向刮板间的空隙，此间隙可明显观察到。

由于前述磨蚀问题，造成特别是径向刮板空隙的增大，即刮板因磨蚀而变薄，刮板与W形槽换热面的不可触及公差加大。

此时刮板所起的刮取作用减低，在物料之间的剪切力不足以克服湿泥在换热面上的附着力时，在换热面上的堆料和结垢就会产生。

当形成一定厚度时，将导致轴跳、震动和噪声等。

无法清理的换热表面均可称之为“机械死角”。

综合以上因素，
空心桨叶干燥机无法进行机械清理的部位占了换热面积的大部分，因此对于这种工艺来说，核心问题在于如何避免产品的黏性。

10、传热系数
空心桨叶干燥机由于桨叶垂直于主轴，刮板平行于主轴，桨叶两端的换热面无推动而仅起换热作用，物料的径向混合充分，物料与换热面的接触频率较高，停留时间长，理论上应可实现较好的换热，其综合传热系数应在80～300W/m2.K之间。

在污泥干化应用方面，由于不同的污泥黏性不同，干化产品含固率也影响到工艺过程（如能否进行低干度半干化），实际项目中给出的传热系数可能相差较大。

11、传热面积
空心桨叶干燥机热轴上的楔形桨叶和主轴是主要的加热面，换热面积占总换热面积的70%以上。

设计上对其制造精度、主轴类型和热流道布置上有较高要求，一般认为这种干燥机“结构复杂，加工难度高”，大型干燥机的设计难度更大。

国外已制造出单机换热面积1.5～295平方米、理论^大蒸发能力12吨/小时的空心桨叶干燥机，在污泥干化领域，目前^大装机换热面积约300平方米，蒸发能力不到5000公斤/小时。

国内目前的系列化设计^高110平方米，常用的空心桨叶干燥机换热面积多为25～100平方米，^高达160平方米。

12、吹扫空气量
空心桨叶干燥机属于典型的传导型干燥机，其传热和蒸发是靠热
壁而不是靠气体对流实现的，实际应用中，由于干燥过程产生的水蒸气需要及时排出干燥机，且污泥干化产生恶臭，为防止臭气溢出到环境，一般均需采用微负压操作方式，存在使用“吹扫空气”的必要性。

抽取负压必然会造成环境空气从干燥机和回路的缝隙中（轴缝、湿泥入口、干泥出口、溢流堰密封处等）进入回路，为防止吹扫空气在干燥机内造成水蒸气冷凝，还需对此气体进行加热。

吹扫空气量与工艺本身相关，以水蒸发所需的环境干空气量进行衡量，一般在0.1～1.2kg/kg.H2O之间，此值的高度对干化系统的净热耗有重要影响，典型的空心桨叶干燥机一般考虑0.5kg/kg.H2O左右的干空气量。

13、蒸发强度
传导型干燥机的蒸发能力一般以每平方米、每小时的蒸发量来衡量，它在理论上可实现10～60kg/m2.h的蒸发量。

但在污泥干化实践中，设计值取值范围一般在6～24kg/m2.h之间，以14～18 kg/m2.h的取值居多。

参考其它传导型干化（如转碟机、圆盘机），典型值均在8～14 kg/m2.h之间，考虑空心桨叶干燥机的换热条件与其它传导型干燥器非常相似，较为可靠的实际蒸发强度应该在8～14kg/m2.h之间。

14、产品出口温度
由于污泥在干燥机内停留时间长，污泥在离开干燥器时的出口温度较高，应在90～100℃左右。