空心槳葉干化原理與工藝特征的深度剖析
一、空心槳葉干燥的原理與主要技術(shù)特征
空心槳葉干燥器由帶夾套的端面呈W型殼體、上蓋、有葉片的中空軸、兩端的端蓋、通有熱介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管以及包括齒輪、鏈輪的傳動機(jī)構(gòu)等部件組成。
設(shè)備的核心是空心軸（可分為單、雙、四根）和焊在軸上的空心攪拌槳葉。在污泥干化工藝中一般為雙軸。槳葉形狀為楔形的空心半圓，可以通加熱介質(zhì)。除了起攪拌作用外，也是設(shè)備的傳熱體，槳葉的兩主要傳熱側(cè)面呈斜面，因此當(dāng)物料與斜面接觸時，隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，顆粒很快就從斜面滑開，使傳熱表面不斷更新。
干燥器為連續(xù)運行。兩主軸配置時，旋轉(zhuǎn)方向相反。主軸轉(zhuǎn)速較低，線速度低于2 m/s。主軸、槳葉以及W形槽（包括殼體的上方高于槳葉外徑一定距離的部分）均為中空，中間通入熱流體。
干燥器的上部穹頂不加熱，用于開設(shè)檢查窗，連接風(fēng)道、管線等。在頂蓋的中部設(shè)置抽氣口，以微負(fù)壓方式抽取蒸發(fā)的水蒸氣。
換熱方式為熱傳導(dǎo)，僅在抽取負(fù)壓時流入少量的環(huán)境空氣，氣體與物料運動方向為錯流。物料在干燥器內(nèi)的停留時間較長。工藝環(huán)路為開環(huán)，不再將處理過的廢氣返回。
由于主軸為轉(zhuǎn)動部件，其本身還是換熱面，為密封及機(jī)械形變考慮，工藝工質(zhì)的溫度均不超過200度。由于蒸汽釋放潛熱而導(dǎo)熱油僅釋放顯熱，對于此工藝一般選擇蒸汽工質(zhì)，此時所需輸送熱流體的熱流道為最小，易于布置。典型的飽和蒸汽溫度為150－200度，壓力5～7巴，最高可達(dá)14巴。
在污泥處理工藝方面，不同廠家的空心槳葉干燥器技術(shù)特點可能略有區(qū)別。茲將一些共通的、值得關(guān)注的特點列舉如下：
1．干燥器傾斜布置
空心槳葉干燥器的布置為臥式，有一定傾斜角度，它由一側(cè)進(jìn)料，另一側(cè)出料，物料在干燥器的前移主要靠重力移動。這是由于槳葉本身的斜面不具有軸向推動作用，位于槳葉頂端的刮板與槳葉呈90度布置，也僅能起到徑向抄起和攪拌的作用，也不構(gòu)成軸向推進(jìn)，因此物料的向前推進(jìn)需要干燥器的傾斜角度來完成。
2．溢流堰的設(shè)置考慮到槳葉的阻隔作用，物料在干燥機(jī)內(nèi)從加料口向出料口的移動呈柱塞流形式，停留時間分布可能十分狹窄，要使產(chǎn)品獲得足夠的時間處理，并使換熱表面得到充分利用，須使物料充滿干燥器，即料位應(yīng)“浸沒”槳葉的上緣高度。在啟動運行時，可能須關(guān)閉位于干燥器末端的出口，以實現(xiàn)“蓄水”效應(yīng)，同時還需設(shè)置能夠阻擋物料、維持高料位的溢流堰(over flowweir)。在理論上它應(yīng)使物料略高于槳葉高度。溢流堰位于干燥器尾部，干泥下料口的上方，它應(yīng)具有類似“提升閘”的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以維持工藝所需的料位高度。
3. 加熱軸類型
設(shè)備的加熱介質(zhì)既可以用蒸汽，也可用導(dǎo)熱油或熱水，但熱載體相態(tài)不同，中空軸結(jié)構(gòu)也不同。用蒸汽加熱的熱軸管徑小，結(jié)構(gòu)會相對簡單；用熱水或?qū)嵊图訜岬妮S結(jié)構(gòu)則可能比較復(fù)雜，因需要考慮管內(nèi)液體流速，管徑越粗，旋轉(zhuǎn)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(zhì)時進(jìn)出管線直徑較小，這是由于釋放潛熱的特點所決定的。但采用導(dǎo)熱油時，要使之能夠通過足夠的熱流體量，這些管線的直徑可能變得較大，而這對于主軸來說可能降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
由于主軸本身具有多項功能（槳葉支撐、熱流體輸送、傳熱換熱等），它需克服物料的粘滯力、物料與槳葉間摩擦以及物料本身對主軸表面的磨損等，主軸所需克服的應(yīng)力可能較大。這樣在設(shè)計時，既要保證其機(jī)械強(qiáng)度，又要保證其換熱性能，同時還需兼顧材料的硬度等，這些可能相互矛盾的條件將使設(shè)計變得復(fù)雜，而最終應(yīng)用結(jié)果會具有較大變數(shù)。
如為了提高換熱面積，需增加槳葉數(shù)量和直徑，但這將導(dǎo)致主軸的應(yīng)力增加。要提高主軸的強(qiáng)度，需增加主軸直徑，但這會相應(yīng)減少槳葉的換熱面積。
在項目中，主軸類型的選擇常常是不可預(yù)見的，如原來采用蒸汽作為工質(zhì)的定型產(chǎn)品，當(dāng)改用導(dǎo)熱油時，其熱流道將完全不同，傳熱能力也有很大變化，無法簡單復(fù)制原來的工藝參數(shù)。這對于首次開發(fā)的新機(jī)型用戶來說，可能意味著很多意想不到的問題。
4．停留時間
理論上空心槳葉干化的停留時間可通過加料速率、轉(zhuǎn)速、存料量等調(diào)節(jié)，在幾十分種到幾小時之間任意選定，其中溢流堰是調(diào)節(jié)干燥器內(nèi)污泥滯留量的主要手段。
為了使換熱面積得到充分利用，干燥器內(nèi)污泥滯留量需求較高，料位需超過槳葉的上緣高度，即一般所說的“有效容積”需100％加以利用。如果按蒸汽罩在內(nèi)的整個干燥器筒體容積考慮，有效容積可能要占到干燥器總?cè)莘e的70～80%。
干燥器內(nèi)物料存留率高，將使得污泥在干燥器內(nèi)的實際停留時間相應(yīng)較長，為3－7個小時。
5．干泥返混
理論上，由于空心槳葉互相嚙合，具有自清潔作用，空心槳葉干燥器進(jìn)行污泥干化應(yīng)可完成各種含固率的污泥半干化和全干化，而無需進(jìn)行干泥返混。
但實際上，要通過槳葉互相嚙合而形成的物料剪切實現(xiàn)自清潔仍需要一定的前提條件，這就是設(shè)備中的嚙合精度足夠高，機(jī)械間隙足夠小，以及物料間的剪切力足以克服產(chǎn)品在換熱表面上的附著力。
在分析空心槳葉干燥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，不難注意到其機(jī)械結(jié)構(gòu)之間是存在較大間隙的。完全靠機(jī)械咬合清理死區(qū)是不可能的。這意味著真正實現(xiàn)空心槳葉熱表面自清潔和更新的手段是物料之間的相互摩擦，即金屬表面與物料之間以及物料與物料之間的剪切力。
實現(xiàn)物料之間相互摩擦可采用加大物料填充密度的方法，維持料位高度，可提高物料間的相互接觸機(jī)會，配合槳葉葉片的擠壓，可實現(xiàn)對某些換熱面的自清理。
由于濕泥本身特性的原因，在干化過程中有成團(tuán)、成球和搭橋的傾向，純粹靠提高料位是無法克服的，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”，而不會使其顆粒間產(chǎn)生疏松和流動性。只有干泥因其顆粒表面已完全失水，具有在短時間內(nèi)復(fù)水性不佳的特性，顆粒間隙大，遇到機(jī)械剪切力，才有滑離金屬表面的可能性。因此實際工程上，空心槳葉干化均考慮了干泥返混，其做法是對干泥進(jìn)行篩分，細(xì)小干化污泥與濕泥進(jìn)行預(yù)混合（美國Komline Sanderson一般均做此考慮，但有些廠家則聲稱無此必要）。
從換熱效率角度考慮，干泥返混應(yīng)該是必要手段之一。根據(jù)污泥的失水狀況，空心槳葉干燥器的蒸發(fā)速率具有明顯的峰谷變化。在含固率低于25%時，污泥在加熱狀態(tài)下有明顯的液態(tài)性質(zhì)，換熱條件較佳，但物料易形成附著層而導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)度的降低，且污泥因高分子聚合物的作用，自身有形成團(tuán)塊的傾向，與換熱面的接觸率降低；在含固率25%-75%之間時，污泥可能具有表面黏性，結(jié)團(tuán)傾向明顯，換熱效果較差。當(dāng)含固率大于76％時蒸發(fā)速率回升，這是由于干細(xì)疏松的顆粒與換熱面重新獲得了較好的接觸（據(jù)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）。
空心槳葉工藝一般根據(jù)干燥目標(biāo)，采取回流部分干燥污泥的做法（干泥返混），使干泥起一定的“潤滑”作用，獲得較好的流動性，避免黏著，回流量僅為出口干泥的小部分。這就是說，空心槳葉的返混對干泥濕泥混合后比例要求不高，一般可能在40％左右（遠(yuǎn)低于一般要求的65%，如轉(zhuǎn)鼓機(jī)），此時干泥粉末的存在，已足以在熱表面起到“潤滑”和“清理”的作用。
6．干燥器內(nèi)不清空
凡需要干泥返混的污泥干化工藝，對于濕泥的進(jìn)料均有嚴(yán)格的要求：濕泥進(jìn)料須在干燥器已有大量干“床料”的條件下才能進(jìn)行，這樣才能避免濕泥一進(jìn)去就糊住換熱面、產(chǎn)生結(jié)垢。
因此，典型的做法是，在干燥系統(tǒng)停車時，應(yīng)維持返料系統(tǒng)繼續(xù)工作，停止進(jìn)料裝置，干燥產(chǎn)品實行全返料，同時系統(tǒng)降溫，系統(tǒng)溫度低于60℃時才全線停車，干燥機(jī)內(nèi)不進(jìn)行清料，開車時直接帶料啟動。
這意味著在停機(jī)時，干燥器內(nèi)始終充滿了干泥，在關(guān)機(jī)過程和開機(jī)過程中可能始終存在高粉塵、低濕度的特點，此時需關(guān)注干化安全問題。
7．槳葉頂端刮板
任何機(jī)械都是有公差間隙的，主軸嚙合的空心槳葉干燥器也不例外。
濕泥在一定含固率下具有黏性，在這些間隙之間可能造成黏壁。在熱表面上的任何黏結(jié)，將降低換熱效率。為避免污泥垢層的加厚，需采用機(jī)械刮削的方式，這就是位于槳葉頂端的刮板（paddle plates）所起的作用。
從刮板的作用可知，隨著長期運行，刮板對且僅對落在槳葉與W形槽換熱面之間的物料有抄起作用，同時也對附著在W型槽壁上的物料有刮取作用，無論抄起還是刮取，由于刮板的運動速度大約為2～5米/秒，在抄起或刮取的過程中，此速度下刮板外緣的污泥的運動方向有兩個：向外擠壓（磨W形槽）和向后運動（磨刮板）。
8．金屬表面硬化處理
磨損可能是空心槳葉干燥器所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
污泥中含有磨蝕性顆粒，空心槳葉干燥器屬于典型的傳導(dǎo)接觸型換熱，金屬與磨粒的反復(fù)、長期接觸，金屬磨蝕是不可避免的。涂層和硬化可減輕磨蝕的速度，但受限于被磨蝕的金屬面同時也是換熱面（如W形槽、槳葉、主軸，刮板可更換），所能采取的硬化措施不多（噴涂碳化硅等），在加熱條件下耐磨層的附著力、實際硬度都不甚理想，只能起到減緩磨蝕的作用。
由于干泥顆粒和粉塵中磨粒的磨蝕作用較為突出，一般對后半段（15~25%）的槳葉進(jìn)行熱處理保護(hù)。但對于有干泥返混的工藝，其磨蝕則是全程的。
磨蝕傾向的存在，無疑也將影響到干燥器的材質(zhì)選定。
空心槳葉干燥器的換熱金屬面中，只有W形槽因與刮板間隙最小，在熱表面更新過程中有明顯的擠壓作用。當(dāng)存在這種擠壓縫隙時，一般磨蝕強(qiáng)烈的是相對較“軟”的金屬面。這可能意味著要保護(hù)作為換熱面的W形槽，刮板則不能做硬化。而不做硬化的刮板壽命將十分有限。
9．機(jī)械死角
機(jī)械死角是空心槳葉干燥器必需解決的設(shè)計難題之一。它可分為三類：1）無表面機(jī)械清理的金屬外緣；2）有表面清理但存在不可觸及的公差；3）因磨蝕造成的不可觸及公差加大。
楔形槳葉本身的旋轉(zhuǎn)方向是一定的，即兩個主軸均向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，此時楔形槳葉的窄側(cè)在前，刮板在后，槳葉從窄而寬的換熱面上均無機(jī)械清理，需要靠物料自身的剪切力更新。刮板大于楔形部分最寬換熱面的部分將始終刮帶污泥，并在W形槽上形成擠壓。
此外，刮板與主軸僅在某一點（即扇形缺口的中心部位）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表面沒有機(jī)械清理。
上述均屬于無表面機(jī)械清理的金屬外緣，它占總換熱面積的70～80％。
有機(jī)械清理的換熱表面，按照楔形槳葉的排布規(guī)則，存在以下因不可觸及公差所造成的死角：
－?第一排和末排槳葉的刮板與加熱主軸外側(cè)的空隙，介于干燥器槳葉與主軸填料密封之間。
－?軸向刮板間的空隙，此間隙可明顯觀察到。
由于前述磨蝕問題，可能造成特別是徑向刮板空隙的增大，即刮板因磨蝕而變薄，刮板與W形槽換熱面的不可觸及公差加大。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服濕泥在換熱面上的附著力時，在換熱面上的堆料和結(jié)垢就會產(chǎn)生。當(dāng)形成一定厚度時，將導(dǎo)致軸跳、震動和噪聲等。
無法清理的換熱表面均可稱之為“機(jī)械死角”。綜合來看，空心槳葉干燥器無法進(jìn)行機(jī)械清理的部位占了換熱面積的大部分，因此對于這種工藝來說，核心問題在于如何避免產(chǎn)品的黏性。
10. 傳熱系數(shù)
空心槳葉干燥器由于槳葉垂直于主軸，刮板平行于主軸，槳葉兩端的換熱面無推動而僅起換熱作用，物料的徑向混合充分，物料與換熱面的接觸頻率較高，停留時間長，理論上應(yīng)可實現(xiàn)較好的換熱，其綜合傳熱系數(shù)應(yīng)在80～300 W/m2.K之間。
在污泥干化應(yīng)用方面，由于不同的污泥黏性不同，干化產(chǎn)品含固率也影響到工藝過程（如能否進(jìn)行低干度半干化），實際項目中給出的傳熱系數(shù)可能相差較大。
11. 傳熱面積
根據(jù)前面的描述可知，熱軸上的楔形槳葉和主軸是主要的加熱面，換熱面積占總換熱面積的70%以上（后面將加以證明）。設(shè)計上對制造精度、主軸類型和熱流道布置上有較高要求，因此一般認(rèn)為這種干燥器“結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度高，大型干燥機(jī)的設(shè)計有一定難度”。
截至2008年底，國外已制造出單機(jī)換熱面積1.5 ～295平方米、理論最大蒸發(fā)能力12 噸/小時的空心槳葉干燥器。在污泥干化領(lǐng)域，目前最大裝機(jī)換熱面積約300平方米，蒸發(fā)能力不到5000公斤/小時。
據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前的系列化設(shè)計最高110平方米，已見于報道的用于污泥干化的空心槳葉干燥器換熱面積多為25～50平方米，最高達(dá)160平方米。
由于污泥干化是有技術(shù)難度、大宗、無增值的產(chǎn)品應(yīng)用，設(shè)備的大型化是節(jié)約投資的重要手段。但基于前述空心槳葉的特點，設(shè)備放大具有較高的技術(shù)難度。
12．吹掃空氣量
空心槳葉干燥器屬于典型的傳導(dǎo)型干燥器，其傳熱和蒸發(fā)是靠熱壁而不是靠氣體對流實現(xiàn)的。因此，大多數(shù)空心槳葉廠家均聲稱不需要吹掃空氣。
實際應(yīng)用中，由于干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣需要及時離開干燥器，且污泥干化產(chǎn)生惡臭，為防止臭氣溢出到環(huán)境，一般均需采用抽取微負(fù)壓方式。這樣就事實上存在了使用“吹掃空氣”的必要性。抽取負(fù)壓必然會造成環(huán)境空氣從干燥器和回路的縫隙中（軸縫、濕泥入口、干泥出口、溢流堰密封等）進(jìn)入回路，為了防止這部分氣體在干燥器中造成水蒸氣冷凝，有時還需要對此氣體進(jìn)行加熱。
吹掃空氣的量與工藝本身相關(guān)，以升水蒸發(fā)量所需的環(huán)境空氣干空氣量衡量，一般在0.1～1.2 kg/kg.H2O之間。此值的高度對干化系統(tǒng)的凈熱耗有重要影響。典型的空心槳葉干燥一般考慮0.5 kg/kg.H2O左右的干空氣量。
13．蒸發(fā)強(qiáng)度
傳導(dǎo)型干燥器的蒸發(fā)能力一般以每平方米、每小時的蒸發(fā)量來衡量，它在理論上可實現(xiàn)10～60 kg/m2.h的蒸發(fā)量。但在污泥干化實踐中，根據(jù)我對世界上主要空心槳葉制造商業(yè)績的統(tǒng)計，設(shè)計值取值范圍一般在6～24 kg/m2.h之間，以14～18 kg/m2.h的取值居多。
對于蒸發(fā)強(qiáng)度的取值，可以從多個技術(shù)文獻(xiàn)得到印證。如日本奈良機(jī)械制作所污泥干化專利“特開平9-122401”，試驗條件下的污泥干化蒸發(fā)強(qiáng)度在6～6.8 kg/m2.h之間。浙江大學(xué)熱能工程研究所的試驗在90分鐘后、40％干燥率下也只有6 kg/m2.h。得利滿研發(fā)部的研究報告則提出空心槳葉計算模型取值在11.5～13.8 kg/m2.h之間。
參考其它傳導(dǎo)型干化（如轉(zhuǎn)碟機(jī)、圓盤機(jī)），典型值均在8～14 kg/m2.h之間�？紤]到空心槳葉干燥器的換熱條件與其它傳導(dǎo)型干燥器事實上非常相似，較為可靠的實際蒸發(fā)強(qiáng)度應(yīng)該在8～14 kg/m2.h之間。
14．產(chǎn)品出口溫度
由于污泥在干燥器內(nèi)停留時間長，污泥在離開干燥器時的出口溫度較高，應(yīng)在90～100℃左右。污泥溫度高，則產(chǎn)品在篩分以及輸送（包括返混）過程中，可能對安全性產(chǎn)生影響。
因干泥返混的原因，在篩分前或是否后降溫將關(guān)系到系統(tǒng)的凈熱耗。
此外，進(jìn)入停機(jī)序列后，熱載體撤除或停供后，產(chǎn)品的降溫仍需要走一個非常緩慢的過程，理論上剩余產(chǎn)品均需經(jīng)外部的冷卻措施才能實現(xiàn)�；诳招臉~的工作原理及其內(nèi)部容積，很難想象空心槳葉干燥器能夠采用噴水降溫這樣的快捷方式進(jìn)行安全保護(hù)。
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