一、空心(xin)槳葉幹燥的原理與主要技術(shu)特征(zheng)

空心(xin)槳葉幹燥器由(you)帶夾套的端麵呈W型殼體、上蓋、有葉片的中空軸、兩端的端蓋、通有熱介質的旋轉接頭、金屬軟管以及包括齒輪、鏈(lian)輪的傳動機構等部件組成。

設備的核心(xin)是空心(xin)軸（可分為單、雙、四根）和焊在軸上的空心(xin)攪拌槳葉。在汙泥幹化工藝(yi)中一般為雙軸。槳葉形狀為楔形的空心(xin)半圓，可以通加熱介質。除了起攪拌作用外，也是設備的傳熱體，槳葉的兩主要傳熱側麵呈斜麵，因此當物料與斜麵接觸時，隨(sui)著葉片的旋轉，顆粒很快就從(cong)斜麵滑開，使傳熱表麵不斷(duan)更新。

幹燥器為連續(xu)運行。兩主軸配(pei)置時，旋轉方向相反(fan)。主軸轉速較低，線速度低於2 m/s。主軸、槳葉以及W形槽（包括殼體的上方高於槳葉外徑一定距離(li)的部分）均為中空，中間通入熱流體。

幹燥器的上部穹頂(ding)不加熱，用於開設檢查窗，連接風道、管線等。在頂(ding)蓋的中部設置抽(chou)氣口，以微負壓方式抽(chou)取蒸發的水蒸氣。

換熱方式為熱傳導，僅在抽(chou)取負壓時流入少量的環境空氣，氣體與物料運動方向為錯(cuo)流。物料在幹燥器內的停留時間較長。工藝(yi)環路為開環，不再將處理過的廢氣返回。

由(you)於主軸為轉動部件，其本(ben)身還(huai)是換熱麵，為密封及機械形變(bian)考慮(lv)，工藝(yi)工質的溫度均不超(chao)過200度。由(you)於蒸汽釋(shi)放潛熱而(er)導熱油(you)僅釋(shi)放顯熱，對於此工藝(yi)一般選擇蒸汽工質，此時所需輸送熱流體的熱流道為最小，易於布置。典型的飽(bao)和蒸汽溫度為150－200度，壓力5～7巴，最高可達14巴。

在汙泥處理工藝(yi)方麵，不同(tong)廠(chang)家的空心(xin)槳葉幹燥器技術(shu)特點(dian)可能略(lue)有區別。茲將一些(xie)共通的、值得(de)關注的特點(dian)列舉(ju)如下(xia)：

1．幹燥器傾斜布置

空心(xin)槳葉幹燥器的布置為臥式，有一定傾斜角度，它由(you)一側進料，另一側出料，物料在幹燥器的前(qian)移主要靠重力移動。這是由(you)於槳葉本(ben)身的斜麵不具(ju)有軸向推動作用，位於槳葉頂(ding)端的刮板與槳葉呈90度布置，也僅能起到徑向抄起和攪拌的作用，也不構成軸向推進，因此物料的向前(qian)推進需要幹燥器的傾斜角度來完成。

2．溢(yi)流堰的設置考慮(lv)到槳葉的阻(zu)隔作用，物料在幹燥機內從(cong)加料口向出料口的移動呈柱塞(sai)流形式，停留時間分布可能十分狹窄，要使產品獲(huo)得(de)足夠的時間處理，並使換熱表麵得(de)到充(chong)分利用，須(xu)使物料充(chong)滿幹燥器，即料位應“浸沒”槳葉的上緣(yuan)高度。在啟動運行時，可能須(xu)關閉位於幹燥器末端的出口，以實現“蓄水”效應，同(tong)時還(huai)需設置能夠阻(zu)擋物料、維持高料位的溢(yi)流堰(over flowweir)。在理論上它應使物料略(lue)高於槳葉高度。溢(yi)流堰位於幹燥器尾(wei)部，幹泥下(xia)料口的上方，它應具(ju)有類似(si)“提升閘”的機械結構，以維持工藝(yi)所需的料位高度。

3. 加熱軸類型

設備的加熱介質既可以用蒸汽，也可用導熱油(you)或熱水，但熱載體相態不同(tong)，中空軸結構也不同(tong)。用蒸汽加熱的熱軸管徑小，結構會相對簡單；用熱水或導熱油(you)加熱的軸結構則可能比較複雜，因需要考慮(lv)管內液(ye)體流速，管徑越粗，旋轉接頭及密封的難度越大。

向中空槳葉中供給熱量，采用蒸汽工質時進出管線直徑較小，這是由(you)於釋(shi)放潛熱的特點(dian)所決定的。但采用導熱油(you)時，要使之能夠通過足夠的熱流體量，這些(xie)管線的直徑可能變(bian)得(de)較大，而(er)這對於主軸來說可能降低其結構強度。

由(you)於主軸本(ben)身具(ju)有多項功能（槳葉支撐、熱流體輸送、傳熱換熱等），它需克(ke)服物料的粘滯(zhi)力、物料與槳葉間摩擦以及物料本(ben)身對主軸表麵的磨損等，主軸所需克(ke)服的應力可能較大。這樣(yang)在設計時，既要保證其機械強度，又要保證其換熱性能，同(tong)時還(huai)需兼顧材料的硬(ying)度等，這些(xie)可能相互矛盾的條(tiao)件將使設計變(bian)得(de)複雜，而(er)最終(zhong)應用結果會具(ju)有較大變(bian)數。

如為了提高換熱麵積，需增加槳葉數量和直徑，但這將導致主軸的應力增加。要提高主軸的強度，需增加主軸直徑，但這會相應減少槳葉的換熱麵積。

在項目中，主軸類型的選擇常(chang)常(chang)是不可預見的，如原來采用蒸汽作為工質的定型產品，當改用導熱油(you)時，其熱流道將完全不同(tong)，傳熱能力也有很大變(bian)化，無法簡單複製(zhi)原來的工藝(yi)參數。這對於首次(ci)開發的新機型用戶來說，可能意味著很多意想不到的問題。

4．停留時間

理論上空心(xin)槳葉幹化的停留時間可通過加料速率、轉速、存(cun)料量等調(diao)節，在幾十分種(zhong)到幾小時之間任(ren)意選定，其中溢(yi)流堰是調(diao)節幹燥器內汙泥滯(zhi)留量的主要手段。

為了使換熱麵積得(de)到充(chong)分利用，幹燥器內汙泥滯(zhi)留量需求較高，料位需超(chao)過槳葉的上緣(yuan)高度，即一般所說的“有效容積”需100％加以利用。如果按蒸汽罩在內的整個幹燥器筒體容積考慮(lv)，有效容積可能要占到幹燥器總容積的70～80%。

幹燥器內物料存(cun)留率高，將使得(de)汙泥在幹燥器內的實際停留時間相應較長，為3－7個小時。

5．幹泥返混

理論上，由(you)於空心(xin)槳葉互相齧合，具(ju)有自(zi)清潔(jie)作用，空心(xin)槳葉幹燥器進行汙泥幹化應可完成各(ge)種(zhong)含固率的汙泥半幹化和全幹化，而(er)無需進行幹泥返混。

但實際上，要通過槳葉互相齧合而(er)形成的物料剪切實現自(zi)清潔(jie)仍需要一定的前(qian)提條(tiao)件，這就是設備中的齧合精(jing)度足夠高，機械間隙足夠小，以及物料間的剪切力足以克(ke)服產品在換熱表麵上的附著力。

在分析空心(xin)槳葉幹燥器內部結構時，不難注意到其機械結構之間是存(cun)在較大間隙的。完全靠機械咬(yao)合清理死區是不可能的。這意味著真正實現空心(xin)槳葉熱表麵自(zi)清潔(jie)和更新的手段是物料之間的相互摩擦，即金屬表麵與物料之間以及物料與物料之間的剪切力。

實現物料之間相互摩擦可采用加大物料填充(chong)密度的方法，維持料位高度，可提高物料間的相互接觸機會，配(pei)合槳葉葉片的擠壓，可實現對某些(xie)換熱麵的自(zi)清理。

由(you)於濕泥本(ben)身特性的原因，在幹化過程中有成團、成球和搭(da)橋(qiao)的傾向，純(chun)粹靠提高料位是無法克(ke)服的，因為濕泥顆粒之間的剪切力可能造成濕泥在無法更新的間隙中“壓實”，而(er)不會使其顆粒間產生疏鬆(song)和流動性。隻有幹泥因其顆粒表麵已(yi)完全失水，具(ju)有在短時間內複水性不佳的特性，顆粒間隙大，遇到機械剪切力，才有滑離(li)金屬表麵的可能性。因此實際工程上，空心(xin)槳葉幹化均考慮(lv)了幹泥返混，其做法是對幹泥進行篩(shai)分，細小幹化汙泥與濕泥進行預混合（美國Komline Sanderson一般均做此考慮(lv)，但有些(xie)廠(chang)家則聲(sheng)稱無此必要）。

從(cong)換熱效率角度考慮(lv)，幹泥返混應該是必要手段之一。根據汙泥的失水狀況，空心(xin)槳葉幹燥器的蒸發速率具(ju)有明顯的峰穀變(bian)化。在含固率低於25%時，汙泥在加熱狀態下(xia)有明顯的液(ye)態性質，換熱條(tiao)件較佳，但物料易形成附著層而(er)導致蒸發強度的降低，且汙泥因高分子聚合物的作用，自(zi)身有形成團塊的傾向，與換熱麵的接觸率降低；在含固率25%-75%之間時，汙泥可能具(ju)有表麵黏性，結團傾向明顯，換熱效果較差(cha)。當含固率大於76％時蒸發速率回升，這是由(you)於幹細疏鬆(song)的顆粒與換熱麵重新獲(huo)得(de)了較好的接觸（據P.Arlabosse等的文章Drying of municipal sewage sludge:from a laboratory scale batch indirect dryer to the paddle dryer,Brazilian Journal of Chemical Engineering,vol.22 no.2 S?o Paulo Apr./June 2005）。

空心(xin)槳葉工藝(yi)一般根據幹燥目標，采取回流部分幹燥汙泥的做法（幹泥返混），使幹泥起一定的“潤滑”作用，獲(huo)得(de)較好的流動性，避免黏著，回流量僅為出口幹泥的小部分。這就是說，空心(xin)槳葉的返混對幹泥濕泥混合後比例要求不高，一般可能在40％左右（遠低於一般要求的65%，如轉鼓機），此時幹泥粉末的存(cun)在，已(yi)足以在熱表麵起到“潤滑”和“清理”的作用。

6．幹燥器內不清空

凡(fan)需要幹泥返混的汙泥幹化工藝(yi)，對於濕泥的進料均有嚴格的要求：濕泥進料須(xu)在幹燥器已(yi)有大量幹“床料”的條(tiao)件下(xia)才能進行，這樣(yang)才能避免濕泥一進去(qu)就糊住換熱麵、產生結垢。

因此，典型的做法是，在幹燥係統停車時，應維持返料係統繼(ji)續(xu)工作，停止進料裝置，幹燥產品實行全返料，同(tong)時係統降溫，係統溫度低於60℃時才全線停車，幹燥機內不進行清料，開車時直接帶料啟動。

這意味著在停機時，幹燥器內始終(zhong)充(chong)滿了幹泥，在關機過程和開機過程中可能始終(zhong)存(cun)在高粉塵、低濕度的特點(dian)，此時需關注幹化安全問題。

7．槳葉頂(ding)端刮板

任(ren)何機械都是有公差(cha)間隙的，主軸齧合的空心(xin)槳葉幹燥器也不例外。

濕泥在一定含固率下(xia)具(ju)有黏性，在這些(xie)間隙之間可能造成黏壁。在熱表麵上的任(ren)何黏結，將降低換熱效率。為避免汙泥垢層的加厚(hou)，需采用機械刮削的方式，這就是位於槳葉頂(ding)端的刮板（paddle plates）所起的作用。

從(cong)刮板的作用可知，隨(sui)著長期運行，刮板對且僅對落在槳葉與W形槽換熱麵之間的物料有抄起作用，同(tong)時也對附著在W型槽壁上的物料有刮取作用，無論抄起還(huai)是刮取，由(you)於刮板的運動速度大約為2～5米/秒，在抄起或刮取的過程中，此速度下(xia)刮板外緣(yuan)的汙泥的運動方向有兩個：向外擠壓（磨W形槽）和向後運動（磨刮板）。

8．金屬表麵硬(ying)化處理

磨損可能是空心(xin)槳葉幹燥器所麵臨的重要挑戰之一。

汙泥中含有磨蝕性顆粒，空心(xin)槳葉幹燥器屬於典型的傳導接觸型換熱，金屬與磨粒的反(fan)複、長期接觸，金屬磨蝕是不可避免的。塗(tu)層和硬(ying)化可減輕(qing)磨蝕的速度，但受限於被(bei)磨蝕的金屬麵同(tong)時也是換熱麵（如W形槽、槳葉、主軸，刮板可更換），所能采取的硬(ying)化措施不多（噴塗(tu)碳(tan)化矽等），在加熱條(tiao)件下(xia)耐磨層的附著力、實際硬(ying)度都不甚理想，隻能起到減緩磨蝕的作用。

由(you)於幹泥顆粒和粉塵中磨粒的磨蝕作用較為突出，一般對後半段（15~25%）的槳葉進行熱處理保護(hu)。但對於有幹泥返混的工藝(yi)，其磨蝕則是全程的。

磨蝕傾向的存(cun)在，無疑也將影響(xiang)到幹燥器的材質選定。

空心(xin)槳葉幹燥器的換熱金屬麵中，隻有W形槽因與刮板間隙最小，在熱表麵更新過程中有明顯的擠壓作用。當存(cun)在這種(zhong)擠壓縫隙時，一般磨蝕強烈的是相對較“軟”的金屬麵。這可能意味著要保護(hu)作為換熱麵的W形槽，刮板則不能做硬(ying)化。而(er)不做硬(ying)化的刮板壽命將十分有限。

9．機械死角

機械死角是空心(xin)槳葉幹燥器必需解決的設計難題之一。它可分為三(san)類：1）無表麵機械清理的金屬外緣(yuan)；2）有表麵清理但存(cun)在不可觸及的公差(cha)；3）因磨蝕造成的不可觸及公差(cha)加大。

楔形槳葉本(ben)身的旋轉方向是一定的，即兩個主軸均向內側旋轉，此時楔形槳葉的窄側在前(qian)，刮板在後，槳葉從(cong)窄而(er)寬的換熱麵上均無機械清理，需要靠物料自(zi)身的剪切力更新。刮板大於楔形部分最寬換熱麵的部分將始終(zhong)刮帶汙泥，並在W形槽上形成擠壓。

此外，刮板與主軸僅在某一點(dian)（即扇形缺口的中心(xin)部位）上有“切線相交”（其實是接近，清理作用微乎其微），主軸在絕大部分情況下(xia)表麵沒有機械清理。

上述均屬於無表麵機械清理的金屬外緣(yuan)，它占總換熱麵積的70～80％。

有機械清理的換熱表麵，按照楔形槳葉的排布規則，存(cun)在以下(xia)因不可觸及公差(cha)所造成的死角：

－?第一排和末排槳葉的刮板與加熱主軸外側的空隙，介於幹燥器槳葉與主軸填料密封之間。

－?軸向刮板間的空隙，此間隙可明顯觀察(cha)到。

由(you)於前(qian)述磨蝕問題，可能造成特別是徑向刮板空隙的增大，即刮板因磨蝕而(er)變(bian)薄(bo)，刮板與W形槽換熱麵的不可觸及公差(cha)加大。此時刮板所起的刮取作用減低，在物料之間的剪切力不足以克(ke)服濕泥在換熱麵上的附著力時，在換熱麵上的堆料和結垢就會產生。當形成一定厚(hou)度時，將導致軸跳、震動和噪聲(sheng)等。

無法清理的換熱表麵均可稱之為“機械死角”。綜合來看，空心(xin)槳葉幹燥器無法進行機械清理的部位占了換熱麵積的大部分，因此對於這種(zhong)工藝(yi)來說，核心(xin)問題在於如何避免產品的黏性。

10. 傳熱係數

空心(xin)槳葉幹燥器由(you)於槳葉垂直於主軸，刮板平行於主軸，槳葉兩端的換熱麵無推動而(er)僅起換熱作用，物料的徑向混合充(chong)分，物料與換熱麵的接觸頻(pin)率較高，停留時間長，理論上應可實現較好的換熱，其綜合傳熱係數應在80～300 W/m2.K之間。

在汙泥幹化應用方麵，由(you)於不同(tong)的汙泥黏性不同(tong)，幹化產品含固率也影響(xiang)到工藝(yi)過程（如能否進行低幹度半幹化），實際項目中給出的傳熱係數可能相差(cha)較大。

11. 傳熱麵積

根據前(qian)麵的描述可知，熱軸上的楔形槳葉和主軸是主要的加熱麵，換熱麵積占總換熱麵積的70%以上（後麵將加以證明）。設計上對製(zhi)造精(jing)度、主軸類型和熱流道布置上有較高要求，因此一般認為這種(zhong)幹燥器“結構複雜，加工難度高，大型幹燥機的設計有一定難度”。

截至2008年底，國外已(yi)製(zhi)造出單機換熱麵積1.5 ～295平方米、理論最大蒸發能力12 噸/小時的空心(xin)槳葉幹燥器。在汙泥幹化領域，目前(qian)最大裝機換熱麵積約300平方米，蒸發能力不到5000公斤/小時。

據不完全統計，國內目前(qian)的係列化設計最高110平方米，已(yi)見於報道的用於汙泥幹化的空心(xin)槳葉幹燥器換熱麵積多為25～50平方米，最高達160平方米。

由(you)於汙泥幹化是有技術(shu)難度、大宗、無增值的產品應用，設備的大型化是節約投(tou)資的重要手段。但基於前(qian)述空心(xin)槳葉的特點(dian)，設備放大具(ju)有較高的技術(shu)難度。

12．吹掃空氣量

空心(xin)槳葉幹燥器屬於典型的傳導型幹燥器，其傳熱和蒸發是靠熱壁而(er)不是靠氣體對流實現的。因此，大多數空心(xin)槳葉廠(chang)家均聲(sheng)稱不需要吹掃空氣。

實際應用中，由(you)於幹燥過程產生的水蒸氣需要及時離(li)開幹燥器，且汙泥幹化產生惡臭，為防(fang)止臭氣溢(yi)出到環境，一般均需采用抽(chou)取微負壓方式。這樣(yang)就事實上存(cun)在了使用“吹掃空氣”的必要性。抽(chou)取負壓必然會造成環境空氣從(cong)幹燥器和回路的縫隙中（軸縫、濕泥入口、幹泥出口、溢(yi)流堰密封等）進入回路，為了防(fang)止這部分氣體在幹燥器中造成水蒸氣冷凝，有時還(huai)需要對此氣體進行加熱。

吹掃空氣的量與工藝(yi)本(ben)身相關，以升水蒸發量所需的環境空氣幹空氣量衡(heng)量，一般在0.1～1.2 kg/kg.H2O之間。此值的高度對幹化係統的淨熱耗有重要影響(xiang)。典型的空心(xin)槳葉幹燥一般考慮(lv)0.5 kg/kg.H2O左右的幹空氣量。

13．蒸發強度

傳導型幹燥器的蒸發能力一般以每平方米、每小時的蒸發量來衡(heng)量，它在理論上可實現10～60 kg/m2.h的蒸發量。但在汙泥幹化實踐中，根據我對世界上主要空心(xin)槳葉製(zhi)造商業績的統計，設計值取值範圍(wei)一般在6～24 kg/m2.h之間，以14～18 kg/m2.h的取值居多。

對於蒸發強度的取值，可以從(cong)多個技術(shu)文獻得(de)到印證。如日本(ben)奈良(liang)機械製(zhi)作所汙泥幹化專(zhuan)利“特開平9-122401”，試驗(yan)條(tiao)件下(xia)的汙泥幹化蒸發強度在6～6.8 kg/m2.h之間。浙江大學熱能工程研(yan)究所的試驗(yan)在90分鍾後、40％幹燥率下(xia)也隻有6 kg/m2.h。得(de)利滿研(yan)發部的研(yan)究報告則提出空心(xin)槳葉計算(suan)模型取值在11.5～13.8 kg/m2.h之間。

參考其它傳導型幹化（如轉碟機、圓盤機），典型值均在8～14 kg/m2.h之間。考慮(lv)到空心(xin)槳葉幹燥器的換熱條(tiao)件與其它傳導型幹燥器事實上非常(chang)相似(si)，較為可靠的實際蒸發強度應該在8～14 kg/m2.h之間。

14．產品出口溫度

由(you)於汙泥在幹燥器內停留時間長，汙泥在離(li)開幹燥器時的出口溫度較高，應在90～100℃左右。汙泥溫度高，則產品在篩(shai)分以及輸送（包括返混）過程中，可能對安全性產生影響(xiang)。

因幹泥返混的原因，在篩(shai)分前(qian)或是否後降溫將關係到係統的淨熱耗。

此外，進入停機序列後，熱載體撤除或停供後，產品的降溫仍需要走一個非常(chang)緩慢的過程，理論上剩餘產品均需經外部的冷卻措施才能實現。基於空心(xin)槳葉的工作原理及其內部容積，很難想象(xiang)空心(xin)槳葉幹燥器能夠采用噴水降溫這樣(yang)的快捷(jie)方式進行安全保護(hu)。