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1、前言
    回轉干燥烘干機具有干燥強度大，功率消耗低，結構簡單、易于維護，適應性強等優點，在濕法造粒炭黑生產中應用非常普遍。已經成為濕法炭黑生產裝置的關鍵設備之一，其處理量的大小直接影響整條生產線的生產能力。隨著生產規模的日益擴大，回轉干燥機的單機處理量也在迅速提高，現已達到5t/h（4萬t/a），甚至更大。設備的大型化使得設計、制作和安裝的要求更加嚴格，特別是在設計中的關鍵參數必須加以充分考慮和優化，以達到最優設計來滿足生產要求。我院在多年炭黑工程設計的基礎上，優化設計了一系列回轉干燥機，能夠滿足各種規模炭黑生產裝置的需要。
2、回轉干燥機的結構特點及工作原理簡介
    回轉干燥機一般是由進料箱、回轉筒體，托輪組、擋輪組、齒圈齒輪傳動裝置、出料箱等部分組成，主要結構如圖1所示。從造粒機出來的炭黑濕粒子通過溜管滑入干燥機筒體，簡體在轉動過程中帶動炭黑螺旋向前運動；熱介質（指炭黑尾氣燃余氣）通過加熱裝置的流道加熱干燥機筒體，從而以間接傳熱方式把熱量供給炭黑濕粒子，達到部分干燥目的，在接近干燥機尾部處，部分燃余氣進入干燥機筒體內部以對流的直接熱方式對炭黑濕粒子進行干燥，達到充分干燥，合格炭黑粒子由尾部出料箱排出，進入下一工序，含有大量水蒸氣的燃余氣由風機抽出。期間伴隨著傳熱和傳質過程，屬于復合干燥方式。
3、回轉干燥機的優化設計
    干燥機的優化設計主要集中在簡體尺寸、介
質流路、抄板結構和炭黑物料層厚度等幾個方面。
3.1干燥機簡體尺寸優化
    干燥機簡體的外形尺寸直接影響著干燥機的有效容積，主要包括直徑和長度。直徑主要取決于濕燃余氣在筒體橫截面上的質量流量G和質量流速W。濕燃余氣流量應包括尾氣爐燃燒的部分燃余氣、濕炭黑蒸發水蒸汽量和夾帶的炭黑粉塵及破碎粒子量(也稱為回流量，一般為10%，通常濕法造粒炭黑濕燃余氣質量流速W的取值在25 ~35kg/m2·min范圍內。筆者通過熱量和熱質衡算，得到不同規模下質量流速和干燥機筒體直徑的關系如圖2，實際使用見表1中數據，橫截面質量流速在取值上限35 kg/m2·min左右，另外還應該知道直徑和容積傳熱系數的關系，按照文獻中Miller經驗公式可以得到圖3所示的關系圖。
    簡體的長度（這里指有效長度），可根據文獻上的方法按照干燥階段分步計算，這里提供一個較為簡單的方法，平均容積傳熱系數法，將間接熱傳導面積傳熱系數通過單位因次分析折算為容積傳熱系數，可以得到：容積傳熱系數是面積傳熱系數除以四分之一直徑。面積傳熱系數一般在40~ 80kcal/m3.h．℃，這樣容易得到平均容積傳熱系數。從而求得有效干燥長度。
    從圖2、圖3可知截面流速和容積傳熱系數都隨著簡體直徑的增加而減小，通常回轉干燥機的容積傳熱系數在100—200kcal/m3·h·℃。在同等處理量的情況下，如直徑過小，截面流速過大，可能會導致炭黑有過多的回流量，影響正常的生產，另外，要保證足夠的干燥容積必須要加長有效干燥長度，但過長的簡體將引起簡體強度，占地面積等不利影響。
    在設計干燥機時，應盡可能考慮到簡體直徑和長度這兩個方面因素的影響，要達到同樣的處理能力，筆者更傾向于優先考慮增加簡體的直徑；從表2也可看出增加直徑可以達到提高產能的效果。
3.2加熱介質的流路優化
    一般回轉干燥機的傳熱方式分為直接和間接兩種情況，炭黑用回轉干燥機是一種復合傳熱方式的干燥機，先是濕炭黑粒子和尾氣燃余氣的間接換熱干燥，然后燃余氣部分進入干燥機簡體內對炭黑粒子進行進一步的直接換熱干燥，同時燃余氣也作為水蒸汽的承載體，和水蒸汽一起被排出干燥機外。為了方便分析，分別對直接干燥和間接干燥進行單用對比計算’發現間接干燥比直接干燥需要的有效長度要大1.1—1.6倍，但是未超過兩倍。盡管直接干燥在經濟性上可能要好于間接干燥，但因干燥速率過快，干燥過程過于激烈，會導致炭黑粒子龜裂、破碎以及炭黑表面氧化，會影響炭黑產品質量產。因此，宜選擇以間接加熱為主，在燃余氣溫度較低處即簡體尾部進入干燥機進行直接換熱的方式。
    如前所述，燃余氣從炭黑尾部進入干燥機內進行直接換熱，隨著炭黑粒子中的水分進入燃余氣中，使燃余氣的水蒸汽分壓不斷增加，水蒸汽從顆粒表面擴散到燃余氣中的傳質推動力將減小，也就是說燃余氣所能承載的水蒸氣量越來越少。又因為在簡體內部屬于逆流，外部間接干燥效果隨炭黑流動方向越來越強。在干燥機頭部，處于炭黑粒子含水量最大，燃余氣承載水量最大，間接干燥效果最弱的時期。在干燥機尾部，炭黑粒子經過整個筒體長度的間接換熱，水分已降至間接干燥所能達到的最低點，燃余氣這時還未進入干燥機內，濕含量最低。這種方式導致整個簡體長度上，特別是在干燥機前段水分含量較大的炭黑粒子區域內的線平均干燥速率偏低，這將降低干燥效率。為此，設想了一種優化的方法，即將熱燃余氣分流出一部分進行二次加入干燥。
    二次加入的燃余氣量以一次燃余氣的一半為宜，加入位置約在干燥機的中部，溫度應與一次燃余氣在此處的溫度基本相等，約350℃，進口處應增加擋板，防止其對一次燃余氣和炭黑粒子運動軌跡的過度干擾。
    兩者傳質過程對比見圖6，從圖中很明顯的可以看出：改進后的在干燥機簡體中部傳質發生突變，并且前半段里傳質曲線變的更陡了，傳質的推動力加大，速率增快，有利于炭黑干燥。盡管傳熱過程變化不大，但是就整個傳質過程來說，平均的傳質推動力加大，強化了干燥過程。需要說明的是二次燃余氣的加入溫度不宜過高，過高的溫度可能會引起炭黑粒子局部過熱，增加其破碎的幾率，使得炭黑回流量加大。因此必須通過試驗或實踐經驗來確定。筆者認為對適用于2萬噸／年炭黑生產線的干燥機以350℃為宜。
3.3抄板的優化設計
    抄板是回轉干燥機內部的重要部件，作用是將物料抄起來并逐漸散布在整個簡體截面的熱氣流中，用來增加物料與熱氣流的接觸面積，強化物料與熱氣流的熱質交換，使熱風與物料充分接觸，促進干燥過程的進程。抄板的型式及數量選擇的正確與否直接影響熱效率和干燥強度。
     一般炭黑生產回轉干燥機中常用的抄板都為升舉式。
    A型抄板是在C型抄板的基礎上改進而來的，它們的安裝角度相同，都是90°，只是A型抄板頂部增加了折邊擋板，使得物料在抄板上的停留時間有所增加，提升高度高。B型抄板是在C型抄板的基礎上通過改變安裝角度來實現的，它的提升高度在三者中最低。
     根據炭黑顆粒物料性質和三種抄板特點進行優化，確定抄板布置如圖8。
    段為結構段，一般長度在400一800mm范圍內；B段主要是強制輸送炭黑作用，結構為多頭螺旋帶。使進入干燥機內的炭黑不粘壁，不結塊；并起到一定的預熱作用。長度一般為800—1500mm，長度過短物料輸送不均勻，長度過長占用了有效干燥段過多。C段為緩沖段，為進入干燥區域作準備，長度一般為400—800mm；D段為A型抄板區域，此段約占總長的1/4。D段的炭黑含有較高水分，炭黑表面的水分部分蒸發，內部的水分尚未蒸發，水和炭黑的結合緊密，不易破碎，正適合采用A型抄板；E段采用B型抄板，此段約占總長的2/3。隨著干燥的深入，此段炭黑粒子較為脆弱，容易發生破碎，產生細粉，增加炭黑回流量。根據B型抄板的特點，選其較為合適。需要說明的是：E段全部采用B型抄板，在前部F段處并未使用C型抄板，之所以這樣是由于炭黑粒子破碎產生細粉，回流量過大會對炭黑品質產生影響。另外，各種抄板型式對炭黑粒子的破壞程度還有待進一步的研究，為安全起見，采用B型抄板取代。
    抄板的數量一般為6—10倍筒體直徑，直接干燥回轉干燥機的抄板徑向高度為筒體直徑1/12～1/8。
3.4炭黑物料層厚度的優化
    炭黑物料層的厚度也會影響到干燥機的效果和能力。料層過厚，不利于瞬時底層炭黑水蒸汽的排除，特別對間接干燥影響甚大，另外過厚的料層更容易引起受熱不均。
    由于物料層厚度和物料填充率有很大的關系，而抄板的持有量是確定干燥機內物料填充率的重要參數，因此必須先從抄板持有量著手。
    當簡體直徑2.7m時，以圖7中A型抄板為例，加以分析說明。
    抄板持有量如圖9，結構尺寸如圖10。從圖Il中，隨著填充率的增加料層厚度也逐漸增加，這樣擋料圈的高度就必須加大。考慮到實際干燥機的抄板一般為A，C型兩種，由于C型抄板的持有量較A型抄板略小，填充系數也小，料層厚度也略低。實際采用230mm擋料圈，并設計為可調結構（可調范圍150一320mm）。
    另外物料層厚度應能完全覆蓋抄板結構。但不能過厚，超出抄板過多會引起物料短路，達不到干燥效果。因此對于炭黑干燥機物料層厚度應取在1. 05～1.15倍的抄板徑向高度較合適。
4、干燥機優化設計應用效果分析
    我院開發了系列化回轉干燥機，如表2，以滿足不同規模炭黑生產裝置的需要。
   某2萬噸／年炭黑生產裝置用干燥機優化前后，運行實例如表3。
    從表3中不難看出，通過內部結構及流路優化可以達到干燥機擴能目的。
    此外，在優化的同時還需考慮簡體材料的承受能力，簡體的膨脹量，炭黑粒子的破碎程度以及粉塵回流量對炭黑品質的影響等問題，在此處不詳細敘述。
5、結語
    近幾年，我國橡膠、輪胎行業的迅速發展帶動了炭黑行業的發展，這種不斷增長的態勢，也為我國炭黑裝置及其設備制造業提供了良好的發展機遇，以裝置大型化為主要內容的技術改造基本完成，炭黑工廠的技術裝備水平顯著提高，單爐年產能力已由1.5萬噸增加到4萬噸。大型炭黑生產裝置需要的配套關鍵設備和材料實現了國產化，其中有些已經達到國際領先水平。濕法造粒炭黑工藝中，干燥機是造粒工序后的關鍵設備，它的處理量直接影響著整個生產裝置的能力，同時它的干燥性能也影響著炭黑質量。
    在干燥機大型化設計過程中，綜合考慮了設備的工藝要求、結構特點，合理選擇了設備的工藝參數和性能參數，通過對干燥機外形尺寸、內部結構、介質流路等方面進行的優化，提高了設備的結構合理性和可靠性，確保良好的干燥效果，延長設備的使用使命，為用戶企業創造了更多的經濟效益。
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