4.1.2. Установки для сушки сыпучих и кусковых материалов, принципы расчета и оптимизации сушильных установок

Для сушки кусковых и сыпучих материалов приме­няют разнообразные сушильные установки. Для кусковых и сыпучих материалов необходимо применить такой способ суш­ки, чтобы каждая частица или кусок материала омыва­лись со всех сторон сушильным агентом. В этом случае при прочих равных условиях эффективность сушки бу­дет максимальной.

Барабанная сушильная установка. Барабанные конвективные сушилки наиболее широко применяются в промышленности строительных изделий. Они просты в обращении, экономичны и надежны в эксплуатации. Ба­рабанная сушильная установка (рис. 4.6) состоит из вращающегося стального барабана 9, установленного под углом 4—6° к горизонту.

Рис. 4.6. Схема барабанной сушильной установки

1 - топка; 2- смесительная камера; 3- окно для подачи холодного воздуха; 4- аварийная труба; 5 - подача материала; 6, 11- концевые камеры су­шилки; 7 - уплотнительные кольца; 8 - опорные бандажи; 9 - металлический барабан; 10 - венцовая шестерня; 12 - циклон; 13 - отсасывающий вентиля­тор; 14 - конвейер; 15 - челюстной затвор; 16 — роликовые подшипники; 17- вентилятор подачи воздуха на горение; 18 - подача топлива

Барабан снабжен венцовой шестерней 10, через которую осуществляется его вращение, и двумя опорными бандажами 8. Бандажи при вращении барабана катятся по неподвижным роли­ковым опорам 16 и исключают возможность передвиже­ния барабана в продольном направлении. Торцы бара­бана с помощью уплотнительных колец 7 укреплены в камерах 6 и 11. Камера 6 служит для подачи материа­ла, которая осуществляется через течку 5 питателем. Через камеру 11 отбирается высушенный материал , ко­торый через затвор 15 попадает на конвейер готовой продукции 14.

Камеры 6 я 11 одновременно предназначены для по­дачи и отбора сушильного агента. При работе бараба­на методом прямотока сушильный агент и материал передвигаются в одном направлении, подача сушильно­го агента, осуществляется в камеру 6, а отбор отработанного сушильного агента — через камеру 11. При работе барабана методом проти­вотока сушильный агент подается в камеру 11, а отби­рается через камеру 6, движение материала остается прежним.

Сушильный агент - теплоноситель готовится в выносной топке 1 посредством сжигания топлива, по­даваемого через горелку 18, и воздуха на горение вен­тилятором 17. Продукты горения топлива попадают в смесительную камеру 2, где через окно 3 разбавляются холодным воздухом. Топка 1 снабжена аварийной тру­бой 4. Подготовленные и разбавленные воздухом про­дукты горения топлива - сушильный агент, подаются в камеру 6 и поступают в сушильный барабан, где ассимилируют влагу материала. Отработанный сушильный агент отбирается из камеры 11 и поступает на очистку в батарейный циклон 12. После очистки отработанный сушильный агент вентилятором 13 выбрасывается в ат­мосферу. Для более тщательной очистки отработанного сушильного агента во избежание загрязнения окружа­ющей среды применяют двухстадийную очистку, для че­го устанавливают последовательно второй батарейный циклон либо рукавный фильтр.

Металлический корпус барабана для повышения экономичности сушки снабжают внутренними насадка­ми. На рис. 4.7 показаны типы применяемых насадок. Ячейковая насадка применяется для сушки материала, способного к пылеобразованию. Принцип ее работы заключается в следующем. Перед насадкой ус­танавливают лопасти, которые распределяют материал по ячейкам. Далее материал при вращении барабана движется и пересыпается только в своей ячейке и про­ходит весь барабан, не попадая в другие ячейки. При таком движении, например глины, высота ее падения в ячейке меньше, чем в барабане без ячеек, поэтому коли­чество образуемой пыли значительно уменьшается.

Рис. 4.7. Насадки для сушильных барабанов

а -ячейковая; б - промежуточного типа: в - подъемно-лопастная

Насадка промежуточного типа, и ее целесообразно использовать при сушке материала типа песка, более крупного по сравнению с глиной. Здесь материал уже движется по своему сектору, занимающему по площади ¹/₄ барабана. В секторе мате­риал задерживается на лопатках, поднимается при пово­роте барабана, падает вниз сектора. Такое движение поз­воляет сушильному агенту омывать всю поверхность частиц материала.

Подъемно-лопастная насадка, рассчитана для кускового материала. Лопатки насадок поднимают ма­териал при вращении и постепенно сбрасывают его вниз [5].

Установки для сушки в кипящем слое. Сушка в кипящем слое наиболее перспективный метод для кусковых и сыпучих материалов, однако в промышленности строительных изделий и конструкций она не получила широко­го распространения.

На рис. 4.8 показана схема сушилки для сушки сы­пучих материалов в кипящем слое. Сушильный агент по­лучают за счет разбавления холодным воздухом продук­тов горения топлива, сжигаемого в топке 3. Далее су­шильный агент за счет тяги, создаваемой вентилятором 12, поступает через решетку 7 к слою материала со ско­ростью, равной скорости витания. Материал питате­лем 6 непрерывно подается на решетку и высушивается в кипящем слое. Высушенный материал через течку 9 выгружается на конвейер 13. Отработанный сушильный агент попадает в циклон 10, далее в батарейный циклон 11 и после двойной очистки от уносов продукта вентиля­тором 12 выбрасывается в атмосферу.

Рис. 4.8. Схема установки для сушки сыпучих материалов в кипящем слое

1- вентилятор подачи воздуха на горение; 2 -подача топлива; 3 -топка; 4 - окно для подачи воздуха; 5 - аварийная труба; 6 - бункер с питателем подачи материала; 7 - решетка; 8 - сушильная камера; 9 - выгрузка продук­ции; 10 - циклон; 11 - батарейный циклон; 12 - отсасывающий вентилятор; 13 - конвейер готовой продукции

Начальная температура сушильного агента в такой сушильной установке колеблется в пределах 250 — 400 °С. Температура отходящих газов 80—120 °С. Объ­емное напряжение по влаге 150 — 200 кг/(м³·ч). Для сушилок с кипящим слоем кроме объемного напряжения в качестве основной технической характеристики приня­то определять плоскостное напряжение решетки — допу­стимый съем влаги с 1 м² решетки в 1 ч. Этот показатель для приведенного типа сушильной установки составляет 800—1000кг/(м²·ч).

Удельный расход теплоты на испарение влаги для сушилок с кипящим слоем составляет 5000 — 6500 кДж/кг испаренной влаги [5].

Сушилки с виброкипящим слоем. Ее основное отличие от предыдущей — в созда­нии значительно меньшей скорости движения сушильно­го агента. Кипящий слой в ней создается за счет вибра­ции решетки 8, осуществляемой виброприводом 6. Сушильный агент омывает кипящий, созданный за счет вибрации слой материала, ассимилирует влагу и через цик­лон 10 отсасывается вентилятором 11. Таким образом сушилка работает в обыкновенном режиме по сушильному агенту.

Рис. 4.9. Схема сушилки с виброкипящим слоем

1- подача воздуха на горение; 2 - подача топлива; 3 - топка; 4- окно для подачи воздуха; 5 - аварийная труба; 6 - вибропривод решетки; 7 - пита­тель; 8 - решетка; 9 - сушильная камера; 10- циклон; 11-отсасывающий вентилятор; 12 - вагонетка для выгрузки уносов; 13 - выгрузка продукции; 14 — конвейер

За счет создания виброкипящего слоя с помощью вибропривода, в ней удается значительно увеличить по­верхность влагоотдачи и интенсифицировать процесс сушки. Удельный расход теплоты в таких установках в зависимости от материалов колеблется в пределах 4000 — 5000 кДж/кг испаренной влаги [5].

Распылительной су­шилки. Распылительной су­шилки для глиняного шликера. Сушилка состоит из цилиндрической камеры 2 диаметром D = 4,5 м, оснащенной газовыми горелками 14. Цилиндрическая камера заканчивается конусным днищем 3, в которое вмонтированы восемь механических форсунок 13. Днище снабжено челюстным затвором 10 для выгрузки готовой продукции. В конусное днище вмонтирован патрубок 6 для отбора отработанного су­шильного агента. Патрубок снабжен защитным зонтом 5. Сушилка оснащена циклоном 7 для очистки отрабо­танного сушильного агента от уноса порошка циклон снабжен затвором-мигалкой 9 для выгрузки осажден­ного порошка. Готовая продукция идет на конвейер 11. В сушилку под давления 1 —1,5 МПа механически­ми форсунками подается шликер, который и распыля­ется в пространстве камеры. За счет сжигания газа в сушилке достигается высокая температура (700— 800°С), а за счет распыла—турбулизация потока. Про­исходит быстрое испарение влаги, и отработанный су­шильный агент поступает через патрубок 6 к циклону.

Высушенный глиняный порошок падает на днище и через челюстной затвор выгружается на конвейер. От­работанный сушильный агент очищается в циклоне от уноса глиняного порошка и с температурой порядка 150°С выбрасывается в атмосферу. Осажденный в цик­лоне порошок через затвор-мигалку также выгружается на конвейер готовой продукции.

Производительность приведенной распылительной су­шилки составляет 2000—2500 кг испаренной влаги в 1 ч. Удельный расход теплоты 5000—6300 кДж/кг испарен­ной влаги. Удельный расход электроэнергии на распы­ление 0,005 кВт-ч/кг.

На рис. 4.10, б показана схема распылительной су­шилки с дисковым распылением шликера 4 и выносной топкой. В топку 15 подаются газ и воздух 13 на горе­ние. Продукты горения (сушильный агент) разбавляют­ся вторичным воздухом 12 и с температурой 600— 700 °С через короба 16 подаются к корню факела рас­пыления шликера. Распыленный шликер турбулизуется подаваемым сушильным агентом, материал быстро су­шится и в виде порошка осаждается на конусном дни­ще 3. Через челюстный затвор 10 порошок выгружается на конвейер. Отработанный сушильный агент опускает­ся к патрубкам 6, через них попадает в циклон 7, где очищается от уносов порошка и вентилятором 8 выбра­сывается в атмосферу.

Температура отработанного сушильного агента в та­кой сушилке несколько ниже и составляет 110—120 °С. Удельные расходы теплоты и электроэнергии в такой сушилке на 5—7 % ниже, чем в ранее рассмот­ренной.

Рис. 4.10. Схемы распылительных сушильных установок

а - с механическими форсунками распыления шликера; б - с дисковым рас­пылением шликера; 1 - распылительные форсунки; 2 - металлический кор­пус; 3 — конусное днище; 4 - распылительный диск с приводом; 5-защитный зонт; 6 - трубопровод отбора продуктов горения; 7- циклон; 8 - вентиля­тор; 9 - мигалка для выгрузки порошка из циклона; 10 - челюстной затвор для выгрузки продукции; 11- конвейер отбора готовой продукции; 12- по­дача вторичного воздуха в топку; 13 - подача газа и первичного воздуха в горелки; 14 - горелки для сжигания газа; 15 - выносная топка; 16 - короба для подачи сушильного агента

Расчет сушилок для вяжущих материалов. Внешняя влага, сравнительно легко удаляемая при сушке материалов, механически связана с сухой массой, она находится на поверхности кусков материала и заполняет крупные его ка­пилляры (поры). Некоторая часть влаги, называемая адсорбци­онной, поглощена поверхностью мелких капилляров куска и при сушке удаляется труднее. Количество тепла qH₂ 0 , Дж/кг, затра­чиваемое на испарение 1 кг внешней влаги при давлении окру­жающей среды, близком к атмосферному, и нагреве полученного пара до температуры t, °C, подсчитывают по формуле Рамзина

Гидратная влага, химически связана с материалом. Основ­ным веществом природного гипсового камня является двугидрат сернокислого кальция CaS0₄-2H₂0, при нагреве которого про­текают реакции:

на первой стадии — неполная дегидратация с образованием нолугидрата, представляющего собой строительный гипс

2 (CaSO₄2H₂O)→(CaS0₄)₂.H₂0 + 3H₂0;

на второй стадии — полная дегидратация до получения безводного сернокислого кальция

(CaS0₄)₂· Н₂0→2CaS0₄ + Н₂0.

По данным П. П. Будникова, теплота фазовых превращений, необходимая для разрушения молекулярных свя­зей, при получении полугидрата без учета скрытой теплоты ис­парения составляет 96,3 кДж, а безводного гипса—121,3 кДж на 1 кг двугидрата. Из сказанного следует, что общее количе­ство необходимого тепла на дегидратацию 1 кг исходного сухого и чистого двугидрата с использованием в качестве допущения общей формулы можно определить из перечисленных соотношений:

при получении гипса-полугидрата

при получении безводного гипса

Для практических расчетов следует обобщить и ввести поправки, учитывающие реальные условия протекания процессов сушки и дегидратации гипса на 1 кг сухой массы исходного сырья:

масса внешней влаги, удаляемой при сушке в первой стадии процесса, кг:

фактическая масса гидратной влаги, удаляемой при дегидра­тации во второй стадии процесса

где ω_c, ω_n, п. п. п._с и п. п. п._п — содержание внешней влаги в сырье и в полученном продукте и потери при прокаливании сырья и полученного про­дукта, %, в пересчете на сухую массу; СаО и S0₃ — содержание окиси каль­ция и серного ангидрита в сырье, %, в пересчете на сухую массу.

При совместном решении (1)-(5) получается обобщен­ная расчетная формула для определения количества тепла, необходимого для сушки и дегидратации гипса, кДж на 1 кг су­хой массы исходного сырья:

где t — конечная температура полученного технологического водяного пара, °С.

По данным П. П. Будникова и других исследователей, тем­пература дегидратации гипса с переходом его из двугидрата в: полугидрат находится в пределах 125—155° С, а из полугидрата в безводное состояние — в пределах 190—195° С. Безводный гипс, полученный при температуре нагрева ниже 400° С, облада­ет свойствами воздушного вяжущего материала. Если же его нагревать до температуры 400—750° С, то безводный гипс будет «пережженным» с потерей вяжущих свойств. Однако обжиг гипсового сырья до температур 750° С и выше позволяет выра­батывать продукт, называемый эстрих-гипсом, который облада­ет более высокими вяжущими свойствами по сравнению с полу­гидратом и обычным безводным гипсом, полученными за счет дегидратации при низких температурах.

Сушильный агент (смесь топочных газов с воздухом) при не­посредственном соприкосновении с сушимым материалом насы­щается испаряемой влагой. Влагосодержание сушильных газов (воздуха), г на 1 кг сухих газов, определяют из соотношения

где - плотность водяного пара и сухих газов; - парциальное давление водяного пара и барометрическое давление среды.

Масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ газов (воздуха) Pн₂о, и его парциальное давление ρн₂о при определенных температурах и давлениях достигают максимально возможных зна­чений - соответственно р ₀ и р ₀ , характеризующих насы­щенное состояние сушильного агента. Исходя из этого, влагосодержание газов (воздуха) φ, %, может быть представлено отно­сительными значениями:

При нормальном барометричес­ком давлении значение , Па, для воздуха в зависимости от его температуры t, °C, определяют по формуле Филоненко:

,39+

Тепловой баланс сушильной (дегидратирующей) установки отражает законы сохранения энергии и массы. Его составляют на единицу массы сушимого материала или испаряемой влаги. На установках непрерывного действия в тепловом балансе пре­дусматривают условия стационарного режима, при которых в каждой пространственной точке рабочего объема установки температурный уровень сохраняется постоянным во времени и не является его функцией (∂t/∂τ=0).B приходной части балан­са учитывают начальное теплосодержание сушильного агента и материала в момент вступления их в сушильный (дегидратационный) процесс. В расходной части учитывают теплоту фазовых превращений (испарения и дегидратации), конечное теплосодер­жание сушильного агента и материала в момент выхода их из рабочего объема установки, а также потери теплового потока через ее стенки в окружающую среду за счет радиации.

В табл. 4.1. приведены структура и расчетные формулы теплово­го баланса сушильной (дегидратирующей) установки. Для чисто сушильного процесса без дегидратации в расходной части теплового баланса параметр дегидратации обращается в нуль.

Таблица 4.1.

Структура теплового баланса сушильной (дегидратирующей) установки(кДж на 1 кг сухой массы исходного материала)

Приход тепла	Расход тепла
1.Начальное теплосодержание сушильного агента:	1. Теплота испарения внешней влаги
2.Начальное теплосодержание рабочей массы исходного сырья:	2.Теплота дегидратации химической влаги (для гипса)
	3.Конечное теплосодержание су­шильного агента
	4. Конечное теплосодержание по­лученного продукта, включая пылеунос
	5. Потери теплового потока через стенки установки в окружающую среду

Где -расход сушильного агента в м³ на 1 кг сырья; ^- температура начальная сушильного агента и сырья, конечная отходящих газов и полученного продукта, ^оС; - объемная теплоемкость сушильного агента и отходящих газов, кДж/м³·^оС; - массовая теплоемкость сухова сырья сырья, полученного продукта и влаги сырья, кДж/(кг·°С); β- коэффициент, учитываю­щий отдачу тепла от стенок установки в окружающую среду, выраженный в долях еди­ницы от начального теплосодержания сушильного агента (β =0,2...0,3).

При заданной температуре сушильного агента — начальной t_c.a и конечной t_О.Г — удельный расход его (м³ на 1 кг сухой массы исходного сырья) можно найти из уравнения теплового балан­са (табл.1):

Тепловой к. п. д. сушильной установки представляет собой отношение необходимого для протекания процесса расхода теп­ла к общему расходу:

Барабанные сушилки. Производительность сушильно­го барабана по абсолютно сухому материалу можно оп­ределить по формуле А. П. Ворошилова:

где L — рабочая длина барабана в м; начальная и конечная относительные влажности материала в %; - объем влажных газов в конце барабана (отходящих газов) в м³/ч; т₀ — напря­женность барабана по влаге в кг/м³·ч; β-коэффициент заполнения барабана в долях единицы (β = 0,15÷0,2); - скорость сушильного агента в конце барабана в м/сек.

Для того чтобы по этой формуле определить произво­дительность сушильного барабана по абсолютно сухо­му материалу, необходимо выполнить тепловой расчет процесса сушки и выбрать систему внутренних уст­ройств барабана. Скорость газов на выходе из бараба­на принимается в пределах =2÷3 м/сек, но не вы­ше во избежание большого пылеуноса. Приближенно длину барабана определяют по количеству испаряемой из материала влаги п кг/ч, напряженности m₀ кг/м³ · ч и объема барабана по влаге по формуле

Эта формула получается из выражения потребного внутреннего объема барабана:

Объем барабанной сушилки можно определить из уравнения теплообмена по методу Н. М. Михайлова. Ко­личество тепла, переданного от лазов к материалу внут­ри барабана, будет равно:

где — объемный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к еди­нице свободного объема барабана, не занятого перегородками и лопастями (при средней весовой скорости газов на выходе из сушилки, равной =2,5кг/м²·сек, получаем максимальное значение =290 вт/м³·град.

При сушке глины в барабане с лопастной на­садкой при средней скорости вращения 3—5 об/мин и влажности 15-2,5% =70÷82 вт/м³·град; — средняя логарифмическая разность температур между газами и материалом в начале и конце барабана; — объем барабана (без учета объема, занятого пере­городками и лопастями) в м³.

Количество тепла, которое передается от газов к ма­териалу и расходуется на испарение влаги и нагрев ма­териала, можно определить по уравнению

где - температура уходящих газов в °С; -начальная температура материала при входе в барабан в °С; п- количество испаряемой влаги в кг/ч; q_m — расход тепла на нагрев материала в кдж/ч.

Тогда

где — коэффициент, учитывающий долю объема барабана, за­нятого насадками и винтовыми направляющими лопастями; =1,1÷1,2.

Минимально допустимый внутренний диаметр бара­бана рассчитывают по допускаемой скорости отходящих газов из барабана

При значении = 0,0133

Следует учитывать, что размеры сушильного барабан обычно выбираются по каталогам заводов-изготовителей исходя из требуемого объема барабана. При этом диаметр барабана вначале принимается приближенно и после теплового расчета определяют его необходимую величину по приведенным выше формулам или делаю проверку скорости газов на выходе.

Продолжительность сушки в барабане (время пребывания в нем материала) рассчитывают по уравнению

где — объем барабана в м³ ;

где ρ - насыпная плотность материала в барабане при средней влажности ; для песка ρ=1200÷1300 кг/м³, для глины ρ=1500÷1600 кг/м³; Р_ср-средняя производительность барабана.

Тогда

Число оборотов барабана приближенно можно опре­делить то следующей формуле:

где А и К — коэффициенты, зависящие от типа насадки и характе­ра движения материала (при прямотоке К=0,2÷0,7; при кривотоке К=0,5÷0,2; дли лопастной насадки А =0,5; для секторной А = 1); L — рабочая длина барабана в м; α—угол наклона барабана в град; — угловая скорость вращения барабана в рад/сек.

Пример. Составить тепловой баланс сушильно-дегидратирующей установ­ки и найти параметры процесса получения полуводного строительного гипса из естественного сырья с содержанием внешней влаги 4% и следующим хи­мическим составом (% в пересчете на сухую массу): СаО 32,5; S0₃ 46,5; SiO₂ 0,5; R₂O₃ 0,5; MgO 0,5 и п. п. п._с 19,5. В готовом продукте содержится 1% внешней влаги и 10% гидратной (в пересчете на сухую массу). Началь­ная температура сушильного агента 400 и конечная (на выходе из установ­ки) 120° С, коэффициент потерь теплового потока через стенки установки в ок­ружающую среду принимается равным 0,2, средняя температура готового продукта (при выгрузке) 100, окружающей среды 20° С.

По уравнениям:

Тепловой баланс установки (см. табл.4.1) (кДж на 1 кг исходного ма­териала в пересчете на сухую массу):

Приход тепла	Расход тепла
1.При оС и = =1,42кДж/(м3· оС)	1.
2.	2.
	3.При оС и = =1,34кДж/(м3· оС)
	4.
	5.

Из уравнения теплового баланса ( = )