磷酸氢钙蒸汽回转干燥实验研究

张洪建，吴 静，窦禹兵，杜 滨，尹凤交

（山东天力能源股份有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

磷酸氢钙是一种应用广泛的饲料添加剂。目前国内磷酸氢钙干燥主要采用烟气气流干燥工艺。一方面，该工艺利用高温烟气直接加热物料，由于热风炉产生的高温烟气易携带煤烟和煤灰杂质，对磷酸氢钙产品品质影响较大；另一方面，气流干燥尾气热损失大，干燥热效率低，能耗高，随着我国环保标准的日益严格，气流干燥后的尾气排放也面临着巨大的环保压力［1-3］。烟气气流干燥技术已越来越难以满足磷酸氢钙行业高质量发展的要求，急需探寻一种节能、高效、环保的先进干燥技术。

蒸汽回转干燥机是一种利用蒸汽热量，通过间接换热方式对物料进行干燥的回转干燥设备。干燥机筒体内布置有换热管，换热管随筒体一起转动，进入干燥机内的物料在转筒内受到换热管的升举和搅拌作用，并被换热管提供的热量干燥。

本研究利用自制蒸汽回转干燥机对蒸汽回转干燥技术应用于磷酸氢钙干燥的工艺可行性进行了验证，并对干燥时间、干燥热效率和传热系数等关键参数进行研究，以期为工程设计提供可靠的依据。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

蒸汽回转干燥机直径为0.83 m，筒体长度为4 m，安装倾角为1.5°，筒体有效容积为2 m3，换热管的加热面积为18 m2。实验装置采用饱和蒸汽作为加热热源，通过设在蒸汽管道上的调节阀和流量计对进入干燥机的蒸汽流量进行调节和计量；实验装置进料管线上设有变频旋转阀，通过标定转速和进料量的关系，可实现进料量的定量计量。干燥机出料口和进出气口均设置温度检测装置，用以测定干燥前后物料和尾气的温度；在引风管道上设有流量计，可测量干燥机尾气流量。干燥机采用饱和蒸汽作为热源，采用环境空气作为携湿气，在干燥机前设置空气预热器，经预热升温后的空气进入干燥机内，携带干燥过程脱除的水分排出干燥机。蒸汽回转干燥装置的工艺流程简述如下：湿物料经计量后由进料螺旋输送机送入蒸汽回转干燥机中，物料经干燥机干燥后由出料螺旋输送机和出料卸料阀排出，然后进入粉体流冷却器。物料经冷却降温后，由粉体流冷却器底部的成品卸料阀排出，得到干燥后产品（见图1）。

图1 蒸汽回转干燥中试装置工艺流程

1.2 实验方法

湿磷酸氢钙原料来自四川某磷制品有限公司，w（H2O）为26.1%，堆密度为630 kg/m3。为与用户现场的工业热源条件相似，实验干燥热源选用电加热蒸汽发生器提供的0.5 MPa 饱和蒸汽。在正式投料前，将蒸汽回转干燥机热态运行30 min，干燥排风温度达到90 ℃，使整个实验系统保持热态环境；实验过程的进料量保持300 kg/h，进料温度为25 ℃，环境空气温度为25 ℃，预热后空气温度为125 ℃，每组实验均稳定运行6 h，工况稳定后对产品取样进行化验分析。

蒸汽回转干燥机属于间接加热设备，物料在干燥机中的流动性和粘壁特性将直接决定干燥过程能否顺利完成，以及能否达到基本的干燥效果。此外，物料在干燥机内的停留时间是影响产品干燥品质的重要因素。本实验将重点研究磷酸氢钙在蒸汽回转干燥机中的粘壁特性，分析获得最佳干燥时间，计算传热系数及干燥热效率等参数。各组实验的工况条件见表1。

表1 实验工况条件

2 结果与讨论

2.1 干燥工艺可行性

实验过程中蒸汽回转干燥机运行稳定，物料在干燥机内松散性较好，在换热管表面无粘壁、结疤等现象（实验结束后换热管表面状态如图2 所示），说明蒸汽回转干燥工艺应用于磷酸氢钙干燥是可行的［4］。

图2 实验结束后换热管表面状态

2.2 产品干燥效果评价

产品w（H2O）与物料在干燥机内停留时间的关系见图3。由图3 可以看出，随着物料在干燥机内停留时间增加，产品w（H2O）逐渐降低。当筒体转速为4 r/min、停留时间为25 min 时，产品w（H2O）为3.2%，满足用户对产品w（H2O）≤3.5%的要求。为兼顾设备产能及能耗，建议装置设计的停留时间选取25 min。对在干燥机中停留干燥25 min的产品质量指标进行检测，结果（见表2）表明，磷酸氢钙产品的磷含量、钙含量、氟含量及粒度等主要指标均满足国标GB 22549—2017的要求［5］。

图3 产品w（H2O）随干燥机中停留时间的变化曲线

表2 在干燥机中停留干燥25 min的产品品质 %

2.3 干燥热效率及传热系数

干燥热效率是指干燥过程中热量的有效利用率［6］，即：

式中η——干燥热效率，%；

Qc——干燥有效热量，kJ/h；

Qz——干燥总输入热量，kJ/h。

传热系数是指在稳定传热条件下，换热管两侧介质温度差为1 ℃时，单位换热面积单位时间内传递的热量［6］，即：

式中K——传热系数，W/（m2·℃）；

A——换热面积，m2；

Δt——换热管两侧介质对数平均温差，℃。

选取表1 中工况2 的运行工况进行干燥热效率及传热系数的分析，中试装置在该工况下达到稳定运行时的各工艺参数见表3。

表3 稳定工况运行数据

经计算获得的干燥热效率为81.84%，传热系数为33.0 W/（m2·℃）。

2.4 工艺比较

将实验中磷酸氢钙蒸汽回转干燥工艺指标与文献［7］中磷酸氢钙气流干燥工艺指标进行对比，具体见表4。对比结果表明，蒸汽回转干燥工艺的干燥热效率比气流干燥工艺高约30.94%，而折算到单位质量产品的尾气排放量仅为气流干燥工艺的4.13%，且产品色泽较好，颗粒均匀。

表4 两种干燥工艺指标对比

3 结论

通过磷酸氢钙蒸汽回转干燥的中试实验研究，得出以下结论。

（1）将蒸汽回转干燥技术应用于磷酸氢钙干燥是可行的。干燥过程中物料在干燥机内分散性良好，在加热管表面未出现粘壁、结疤等现象。

（2）随着物料在干燥机中停留时间的增长，产品水含量逐渐降低，当停留时间为25 min时，产品w（H2O）为3.2%，且磷含量、钙含量、氟含量及粒度等产品指标均满足GB 22549—2017的要求。

（3）在筒体转速4 r/min、物料停留时间25 min的实验工况条件下，利用蒸汽回转干燥中试装置干燥热效率为81.84%，传热系数为33.0 W/（m2·℃）。

（4）与传统气流干燥工艺相比，蒸汽回转干燥工艺的干燥热效率提高30.94%，每千克磷酸氢钙产品的尾气排放量仅为气流干燥工艺的4.13%，具有良好的节能和环保效益。