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1、过热蒸汽干燥过热蒸汽干燥过热蒸汽干燥(SuperheatedSteamDrying)是一项最近发展起来的新技术，它是指利用过热蒸汽直接与被干物料接触而去除水分的一种干燥方式.与传统的热风干燥相比，过热蒸汽干燥以水蒸气作为干燥介质，于燥机排出的废气全部是蒸汽利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潜热再加以利用，因而热效率较高。并且由于水蒸气的热容量要比空气大1倍，干燥介质的消耗量明显减少，故单位热耗低。根据国际干燥协会主席Mujumdar介绍，过热蒸汽干燥的单位热耗仅为1000-1500kj/kg水，为普通热风干燥热耗的1/3，是一种很有发展前景的干燥新技术。普通热风干燥时物料表面会形成硬壳，阻碍水分蒸发
2、，而过热蒸汽干燥所用的干燥介质是蒸汽，不会形成硬壳，不会氧化褐变，收缩较小，故干燥的品质较好。过热蒸汽的传热系数大，干燥效率高，有时可达90%，据英国学者Stubbing介绍英国每年干燥去水量为2700万吨，如果把热风干燥全部改成过热蒸汽干燥，一年可节约3亿英磅，此外过热蒸汽干燥对环境无污染，无起火爆炸危险，蒸发的水分本身就可作为干燥介质。由于过热蒸汽干燥具有以上优点，近年来美国、加拿大百德国、日本、新西兰、丹麦和英国等发达国家已将过热蒸汽干燥技术用于烘干木材及木头压块煤炭、纸张、甜菜渣、陶瓷、蚕茧、污泥、酒糟、牧草、鱼骨和鱼肉、蔬菜、食品以及城市废弃物等多种物料。在我国，过热蒸汽干燥技术基本
3、上未得到应用，很少有人进行这方面的研究。因此，掌握这一干燥技术，对提高干燥效率，降低干燥能耗，减少环境污染具有重要意义。为此，将过热蒸汽干燥技术的现状，发展和问题综述如下。1过热蒸汽干燥的优点1.1节能效果显著利用过热蒸汽作干燥介质的节能效果已被很多学者所证实。瑞典学者Svenson用(2-5)l05Pa压力的过热蒸汽干燥纸浆，每吨耗能0.40.5GJ，而用普通的闪蒸干燥机则为33.5GJ，每吨纸浆的花费由19美元降到10美元。英国的rlhOrMS用盘式过热蒸汽干燥机干燥陶瓷粉、染料，每吨染料汽耗花费从20英镑降到2英镑，节能达90%。德国BMA.AC研制的高压过热蒸汽干燥机干燥甜菜渣，固形物
4、含量由30qo干燥至90qo，单位热耗与普通的热风干燥相比由50000kj/kg降到仅有2900kj/kg。Niro公司1985年开发的商业用压力流化床干燥机用于颗粒或浆状物料干燥试验证明与普通的滚筒干燥相比节能达90%，且无污染，产品质量也得到改善。爱尔兰和前苏联应用一种称为Peco的过热蒸汽干燥机干燥泥炭土，单位能耗与普通的热风干燥相比由3000。40000kj/kg降到1700-1800kj/kgo瑞典研制的一种过热蒸汽干燥机干燥泥炭土单位蒸发量的能耗仅为普通热风干燥的1/6-1/7。英国学者Stubbing认为，在一般的水蒸气中总热能大约84%为潜热16%为显热。传统的干燥机利用大量的
5、热风带走从被干物料蒸发的水，排出的废气中包含的大量蒸汽潜热很难在有用的温度下回收。例如，现今一般的连续纸张干燥机，废气中包含15%的水蒸气，这种废气的饱和温度为53.为了回收这部分潜热，需冷到40，甚至更低。大多数工广不能利用这样温度下的废热。而采用过热汽干燥，排出的废汽仍然是水蒸气，温度保持在lOOaC以上可经过冷凝、压缩和多级干燥回收其潜热。英国的Stubbing经过计算得出了过热蒸汽干燥潜热回收后的节能效果(见表22-1和表22-2)。1,2干后产品品质好采用过热蒸汽干燥的另一个主要的原因是产品的质量得到显著地改善。关于用过热蒸汽干燥提高产品的品质和等级，国外也有不少报道。1920年，K
6、aror通过试验证明用过热蒸汽干燥洋白菜和牧草产品的颜色保持鲜艳。1963年Yoshida和Hyodo指出用过热蒸汽干燥醋酸纤维时，其强度与普通的干燥方法相比有很大提高。1950年，KoLlmarm用过热蒸汽干燥机干燥木材得到更加均匀的湿含量，在纺织品干燥中用过热蒸汽干燥可避免显著的染料迁移现象。试验表明，用过热蒸汽干燥一种煤炭能将其中盐类含量的1/3-1/2提取出来，与热风干燥相比，煤在燃烧时能减少炉垢，从而提高煤的等级。Salin比较用过热蒸汽和热风干燥过的木材发现。前者除了有较低的湿含量外，其弯曲强度和拉伸强度都优于后者。大多数物料在热风中干燥形成硬壳。而TombiroNomu工和rsu
7、tomoyHyodo研究表明用过热蒸汽干燥表面无硬化现象，这对热质传递是有利的。他们通过用过热蒸汽和热风干燥一种速食方便面发现前者形成一种多孔结构在热水中很快变软，而后者则比较坚硬。1,3传热传质效率高过热蒸汽有较高的传热系数。Potter和Keogh用流化床干燥机干燥煤炭得出过热蒸汽干燥时传热系数为200-500W/(m2.K)，而热风搅拌式干燥机其传热系数仅为20-50W/(rrr2.K)。过热蒸汽干燥，由于整个环境仅有一种气体成分存在，水分从物料表面蒸发移动不是通过质的扩散而是以液流的压力差产生的体积流(bulkflow)作动力;Chu等人研究证明对于直径为1mm的水滴在150C的过热蒸
8、汽中只需10-6N/m2的压力差即可为蒸汽的扩散提供充分的驱动九。因此，在实际过程中从颗粒的表面移去蒸汽的阻力可以忽略。过热蒸汽干燥无气膜传质阻力。众所周知空气的比热容为lkj/(kg-K)，而蒸汽的比热容为1.96kj/(kg.K)。蒸汽有较高的比热容，因此，传递一定的热量需的质量流量较少。同时，这也能帮助减少设备的体积和花费。质量流量的减少对废汽的净化也是非常有利的:例如Lane和Stem在讨论过热蒸汽盘式连续干燥机时指出，在相同的条件下，与热风干燥相比，由于减少了蒸汽体积，粉尘量减少，净化废气所用的袋式过滤器的表面积也明显减少。1.4安全性好过热蒸汽于燥由于无空气存在，没有氧化和燃烧反应
9、。因此，对于煤炭和其他可燃物料无爆炸起火的危险。对一些不能用热风干燥的食品原料，可以用过热蒸汽干燥。这一点是热风干燥所无法相比的。1.5过热蒸汽干燥有利于保护环境随着社会的发展，人们越来越认识到控制环境的重要性。过热蒸汽干燥是在密封条件下进行，对于一些物料的干燥不会对环境造成污染。例如，用过热蒸汽干燥煤和纸浆可以减少C02和硫化物的排放量，使空气中粉尘含量大大降低。再例如，对在热风中干燥会发出恶臭的城市垃圾、污泥等，用过热蒸汽干燥臭味都得以消除1.6过热蒸汽具有灭菌消毒作用过热蒸汽干燥工作时物料的温度超过1000C，在这样的温度下对于一些要求灭菌的食品和药品不仅能干燥，且能消灭细菌和其他有毒微
10、生物。另外，由于过热蒸汽有抽提作用，对某些产品来说还可以从凝结器中回收某些有用的化学物质。例如有的学者报道在木材的干燥中可以很方便地从凝结器中分离松节油。2过热蒸汽干燥的缺点2.1过热蒸汽干燥设备投资大从原理上讲，任何用于热风干燥的干燥机，均可改为用过热蒸汽作用干燥介质的干燥机。然而，由于采用过热蒸汽干燥，不能有气体泄漏，喂料和卸料不能有空气渗入需复杂的喂人系统和产品收集系统，有时还有废气回收系统。因此，设备费用高。有的学者提出过热蒸汽干燥喂入系统和产品收集系统会占整个设备的很大支出。另外，还有些物料对机械设备的材料要求高。例如对有腐蚀和锈蚀的地方需用不锈钢材料。也正是由于设备的复杂也导致了过
11、热蒸汽干燥较高的维修费用。2.2过热蒸汽干燥喂料易产生结露现象过热蒸汽干燥，温度超过100，当喂人大气温度条件下的物料时，在将其加热到蒸发温度的过程中有时会有凝结现象产生。Trommelen和Crosby研究表明，一个初始温度为IooC的水滴暴露在150，10mPa压力下的过热蒸汽中，重量增加12.5%。这就意味着干燥时间要加长以使凝结的水分得以除去对于初始水分较低的物料，这部分凝结水分占要蒸发水分的很大部分，这将显著增加干燥时间。例如，初始湿含量为lOqo的30C的砂子放在150的过热蒸汽中会增加40%的水分。此外，在干燥机的起动和停止时，这种凝结现象也常出现。因此，过热蒸造干燥对物料的喂入
12、温度有较高的要求。2.3过热蒸汽干燥不适合热敏性物料由于过热蒸汽干燥物料温度超过lOO，这对于十些热敏性物料是不适宜的。例如在超过lOO的条件下，有些物料产生熔化，有些木头也产生不希望的色变使产品等级下降。如果在真空条件下操作虽会使产品的质量得到保证，又会显著提高设备的成本和操作的复杂性.这也是过热蒸汽干燥没有普遍大规模应用的主要原因。2,4过热蒸汽干燥不能获得较低的湿含量过热蒸汽干燥由于涉及到被干燥物料和过热蒸汽的平衡问题，在有些情况下对有些物料很难获得较低的湿含量。2.5节能受条件限制过热蒸汽干燥过程中如果废气没有被充分利用，这种干燥的节能优点不存在。3过热蒸汽干燥的发展早在1908年德国
13、科学家Hausbrand就在Dryingbymeansofairandsteam中提出了过热蒸汽干燥的设想，并讨论了这种干燥的优缺点。图22-1是Hausbrand设想的过热蒸汽干燥机示意图。1920年瑞典工程师Karren报道了一些根据Hausbrand的设想做的过热蒸汽干燥试验，并研制了以过热蒸汽为干燥介质的批式煤炭干燥机。当时由于缺乏必要的设备，以及设备费用的增加，再加上能源价格较低和对环境控制不严，限制了这项技术的发展。50年代开始人们才逐渐注意到过热蒸汽干燥的优点。特别是70年代的能源危机，这一技术获得了进一步开发利用的动力。在1978年第一次出现了工业用的过热蒸汽干燥机。80年代以
14、来许多发达国家致力于开发这项新技术的商业应用。国际干燥协会主席Mujumdar在HandbookofIndustrialDrying(1995)把过热蒸汽干燥称为是一种在未来具有巨大潜力、实用可行的干燥技术2。并且指出大多数过热蒸汽干燥的文献出现在60一70年代，大多数商业应用出现在过去的10年里。现在至少有10个干燥机制造厂在世界范围内提供商业用的一系列过热蒸汽干燥技术和设备。目前这项干燥技术已被应用于农业、化工、轻工和环保等行业。表22-3给出了80年代以来典型的过热蒸汽干燥应用领域和使用情况。5几种典型的过热蒸汽干燥机5,1过热蒸汽陶瓷盆干燥机该干燥机为批式，干燥室为1000x1000m
15、m的方形结构，每批可烘干8个陶瓷盆，陶瓷盆用黏土制成，每个重17kg。初水分为45%，终水分为2%整个干燥室为一密封结构，内有电热丝，功率34kW。在通道内设有小轴流风机，以便使蒸发的水分循环，此外还设有冷凝装置，使凝结的水分排出。试验结果表明，采用蒸汽烘干陶瓷制品有以下优点:干燥效率提高原用低温热风干燥需要四周，采用过热蒸汽后，只需要一天就干了。干燥品质改善由于采用蒸汽，产品无裂纹，不变形，干燥应力小。可以回收一部分余热。干燥过程容易控制，节能效果明显。5.2过热蒸汽流化床干燥机图22-7为过热蒸汽流化床干燥机的剖面图18，l9除风机外，所有其他部件都是固定不动的，风机位于机器的底部，它将过
16、热蒸汽通过16个气室鼓向上方，螺旋式喂料器将湿物料喂送到16个气室中的第一个;物料沿顺时针方向由第一室运动到第16室，然后由排料螺旋从16气室的底部排出机外。在干燥室的上方设有轻杂物分离系统。带有杂物的蒸汽通过固定式叶片5，在圆筒6内产生一个涡流，轻杂物沿圆筒壁运动经过一个缝隙被送到离心分离器内，再通过射流器8被送至第16气室中。高压蒸汽经过人口9，流人蒸汽换热器2，被压力为16icfPa的蒸汽再加热到200C，然后再通过风机送向上方。多余的湿蒸汽通过排气管排出机外。图22-8给出一个气室的结构图，在气室的下方分布板的稍上一些，有一个三角块，它可以使气室的水平截面减小，因而蒸汽的流速增加，较大的物料也可以被吹动，另外它还可以在床内产生一个旋流，如图中箭头所示，旋流的压力和流速均较大，足以使大的物料流动并通过开口流到下一个气室，这样，可以提高机器的生产能力并避免在壳上结露。气室的上部为锥形，蒸汽流经b板的，中间，小而轻的物料被吹到气室上部后;由于截面增大，汽速减小，小粒物料下落到斜板上而下滑
