竹粉干燥设备节能技术研究

张卫国 马 玲 羿宏雷* 李朔南

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；3.中国林业集团有限公司，北京 100026)

1 设计背景

我国竹子种类和竹林面积约占全球总量的四分之一，竹产品超过10 000多种，涵盖建筑、装饰、食品、化工等多个行业，年产值超过2 000亿元[1]。竹产业已经成为我国林业重点发展的支柱产业，也是推动我国乡村振兴战略的特色产业[2]。竹产品生产加工的各个环节都会产生大量的竹粉，这些竹粉如果作为燃料焚烧，不但会造成很大的浪费，而且会对环境造成严重的污染[3]，随着环保政策的严格执行，这种行为将被严格禁止。竹粉中包含大量的竹纤维，是制作优质竹炭的最佳原材料，但竹粉在进入炭化炉炭化之前，必须通过制棒机将其压制成型[4]，而这一过程中的竹粉含水率不能过高，否则会影响压制过程以及竹炭质量。竹粉除了可以用来生产竹炭，还可以作为建筑装饰材料、造纸、化工类、生活用品等多种产品的原料，用途十分广泛，但竹粉在应用之前必须经过干燥处理，除去其内部的水分，根据用途不同，要求的最终含水率也不同，一般要求在5%以内。

竹粉干燥属于流化干燥，该技术起源于1921年，1958年以后在我国得到进一步应用。干燥过程中，物料在干燥室底部热空气的作用下上下翻动且呈流动状态，因此称之为流化干燥，在这一过程中物料与热空气有很大的接触面积，因此热传递与水分传递效率都非常高[5-6]。近年来，该技术在化工、轻工、医药、食品等领域应用较为广泛，流化干燥器分为多种，包括多层圆筒形干燥器，卧式多室流化床干燥器，振动流化床干燥器，搅拌流化床干燥器等。

2 设计参数

本设备设计干燥效率为200 kg/h，除去物料中的非结合水，热效率达到70%，除去物料中的结合水，热效率30%～50%，节能10%以上，干燥后，竹粉的含水率达到2%～5%，且能有效去除竹粉纤维中的结合水。

3 结构与原理

流化干燥设备设计结构简单，热效率高，生产能力大，非常适合干燥无凝集作用的散粒状物料，设备主要由加料机、过滤器、鼓风机、引风机、尾气排湿系统及控制柜单元等组成，卧式干燥器原理如图1所示。

图1 卧式干燥器原理

卧式流化床干燥器为一矩形箱式结构，底部为多孔孔板，其开孔率为3%～13%，孔径为1.5～2 mm，孔板上方有竖向挡板，将流化床干燥器分隔成若干个小室，每个小室在隔板底部相通，每块挡板均可上下移动，以调节与孔板的间距，从而避免未完全干燥的竹粉提前排出，该设计不但可以控制干燥时间，使干燥后竹粉的含水率较为均匀，还可以在干燥后期进行冷却[7]。

每个小干燥室下方都有一只进气管，空气经过滤器、加热器加热后，由每个支管分别进入小干燥室底部，通过多孔孔板进入干燥室，使多孔孔板上的物料受到流化干燥，达到气固相的热质交换。支管上有调节气流量的阀门，调节各室的进风温度及风量，并逐室降低，从而可提高热效率[8]。

待干燥的竹粉由加料机构连续加入干燥室的第一室，由于竹粉成流化状态，所以可以自由地由第一室移向最后一室，干燥后的竹粉由最后一室卸料口排出，该过程相当于多个干燥室串联，可有效控制竹粉在每个小干燥室的停留时间，从而使竹粉干燥更为均匀。设计在流化床上铺一层300目以上的不锈钢网，这样可以保证竹粉颗粒不漏向干燥器底部。干燥尾气经旋风分离器、袋式过滤器分离出细小竹粉后，由干燥室顶部引风机排出，经除湿机去除水分后，将热量返回到干燥室，从而提高热效率，达到节能减排的目的。

在干燥室里，当进入的热空气较少时，竹粉颗粒保持静止状态，当气体流速持续增大，空气与竹粉粒子作用力刚好等于竹粉粒子重力时，竹粉粒子开始悬浮于向上吹过的热空气中，这时竹粉粒子不再互相支撑而各自运动，此时的气流速度叫做临界流化速度，而且粒子不会被气流吹走，竹粉干燥达到流化阶段。如果气流速度继续增大，超过竹粉沉降速度，则竹粉会被吹走，这时速度为带出速度，干燥过程中，需保证空气的流速在临界速度与带出速度之间，从而使竹粉颗粒在干燥室间热空气内上下翻动，呈流动状态，且不被吹走。干燥室内外风压的控制也是技术难点，风压过高或过低，会导致热空气溢出或冷空气渗入，本系统设计使用微压差传感器，将干燥室内压力状况实时反馈给自动控制系统，通过数学模型，精确控制进风口与出风口的开合，调节冷热空气进气量，从而使竹粉的干燥过程更加合理、有效[9-10]。

竹粉的干燥过程可以分为三个阶段。首先是预热阶段，即干燥过程的初始阶段，此阶段主要表现为竹粉温度的迅速上升，以及少量水分的蒸发；第二阶段为恒速阶段，该阶段主要是竹粉从热空气中吸收大量的热量，从而迅速蒸发大量水分，而表面温度上升缓慢，干燥速率基本恒定；第三为干燥过程的降速阶段，此时竹粉表面水分蒸发殆尽，热量向竹粉内部移动，水分由内向外扩散，干燥速率逐渐降低，直至达到平衡含水率为止。

4 设备运行机制

运用多种传感器，实时采集竹粉干燥各个环节的技术参数，通过生产实践，建立温湿度控制模型、风量风速控制模型、除湿排湿启动模型，并建立各模型之间的匹配关系，优化干燥工艺，实现干燥过程全程自动化。

系统运行时，首先开启加热器，启动风机，通入热风，当内部温度升高到所需温度时自动启动加料机构，进行定量均匀的加料作业；同时，排湿机持续排出干燥过程中产生的热蒸气，经过除湿处理排出水分，将热空气返回加热器，从而达到节能的目的，设备运行流程如图2所示。

5 技术特点

(1)实现各干燥室空气温度、风速、风量的单独调节，回收生产过程中产生的水蒸气，将热量返回到干燥室，从而大幅提高竹粉的干燥效率，达到节能的目的。

(2)建立自动控制系统，优化竹粉干燥技术方案，在保证干燥效率的前提下，实现设备自动运行。

(3)通过竖向挡板的自动调节，控制竹粉的干燥时间，最终控制竹粉含水率。

(4)整台设备的材料采用符合要求的不锈钢及碳钢材质制造，圆角过渡，消除设备死角，方便清洗，保证了每次干燥物料的洁净度。

(5)设备无传动部件，结构简单，操作方便，干燥过程中竹粉始终处于悬浮流动状态，使竹粉与热空气的接触面积大幅增加，极大地提高了干燥速率。

图2 设备运行流程

6 结束语

本文在卧式多室流化干燥器经典设计的基础上，提出加装除湿机这一技术方案，通过过滤干燥过程中产生的水蒸汽，将热量返回到干燥室，从而达到节能的目的。

运用多种传感器，采集干燥过程中各环节技术参数，并与实践经验相结合，建立多种参数控制模型与最佳匹配方案，实现干燥过程全程自动控制，从而降低人为因素干扰，提高干燥效率，实现节能的目标。

经检验，本设计完全满足技术要求，而竹粉的加工再利用以及干燥过程中的节能技术，也可以为以林业产业为核心的乡村地区提高行业自动化水平，提供实践基础与理论依据。