腐植酸复合肥料干燥因素的分析及干燥机内部结构设计探讨

陈卫民 王 玉 陈士更*

1 农业农村部腐植酸类肥料重点实验室 泰安 271600

2 山东农大肥业科技有限公司 泰安 271600

腐植酸复合肥料是以风化煤、褐煤、泥炭为腐植酸原料，经活化与无机肥料复合制得[1]。腐植酸复合肥料生产工艺多采用转鼓工艺进行生产[2]。腐植酸分子中含有大量的官能团，多种官能团的存在使腐植酸具有离子交换性、吸附性以及络合螯合性等特性，也使得腐植酸可以与各种有机、无机物质发生反应[3]。腐植酸的结构特点使得腐植酸复合肥料相较于普通复合肥料更易于吸潮，生产过程中易造成烘干系统结痂；干燥效果不充分，成品容易出现结块粉化等问题。

转鼓工艺腐植酸复合肥料生产中，烘干工段是控制水分的主要工段，干燥机是烘干工段重要的组成设备[4]，其造价成本最高、能耗最大、尺寸规格最大、附属设备最多。干燥机为回转形式的圆筒设备，头部需要配备热风炉对其进行热量供应，尾部需要配备除尘系统和引风机，尾部的引风机将头部的热风炉产生的热量引入干燥机内部，与内部的物料同向运动，圆筒内部设有不同类型的扬料板，使物料随圆筒的转动形成料幕，与热风充分接触，进行热传递，使物料中含有的水分被带走，最终换热后的热风通过引风机进入除尘系统处理后进行排放，物料则通过下料斗进入后续的生产工段。

不考虑物理性质改变和化学反应，物料在干燥机内烘干受多个方面因素的影响，包括物料停留时间、风量、温度、物料与热风的接触面积，这些都是干燥机设计过程的重点。特别是腐植酸复合肥料的结构特点对烘干提出了更高的要求。

1 选择适宜的停留时间

《复合肥料》（GB/T 15063-2020）及《腐植酸复合肥料》（HG/T 5046-2016）标准对高浓度复合肥料的水分控制标准均为≤2.0%。在实际生产中，腐植酸复合肥料水分只有达到1.5%以下才能保证产品2 个月货架期内存放不产生结块、粉化质量问题。

腐植酸复合肥料进入干燥机内的物料从造粒机出来后大部分是以颗粒形态存在。物料在干燥机内的干燥过程大致可以分为两个阶段，即表层干燥阶段和深层水分迁移干燥阶段[5]。物料颗粒表层的水分受颗粒毛细管引力和表面张力影响较小，在有热量的情况下可以迅速蒸发，然而颗粒内部的深层次的水分需要通过毛细管在颗粒水分梯度和温度梯度的影响下迁移至颗粒表面。由于水分的迁移需要一定时间，因此物料在干燥机内停留时间越长，水分迁移的过程才能越充分，整体的物料干燥效果才能越好。但物料停留时间过长，会增加干燥机负荷，增加能耗。结合生产实际，停留时间一般设计为25 ～35 min 为宜。

2 风机的选型和风量的匹配

在腐植酸复合肥料生产过程中风机的选型和风量的匹配是保证干燥效果的关键控制点，需要结合热量守恒定律和生产经验来计算[4，6]。在不考虑风阻的条件下，同等通道截面的风量取决于风速的大小，干燥机截面的风速通常选择2 ～4 m/s，低于2 m/s 热量交换能力严重不足，虽然通过提高热风温度可以进行弥补，但是容易造成物料与过热风发生长时间的接触，尤其生产高氮产品，氮含量在25%，原料中尿素占比达到10%以上的情况下容易发生熔融；风速高于4 m/s 的情况下，由于腐植酸复合肥料颗粒内部的水分迁移需要一定的时间，而水分迁移的速度主要受温度影响，因此过高的风速对于深层水分的蒸发意义不大，而且会使能耗过度增加，小颗粒及粉尘容易被引风系统带走，增加后续除尘系统负荷。因此，干燥机引风机应配备变频器以便于根据生产过程中的风速适时进行调整。

3 干燥温度的合理调控

转鼓工艺腐植酸复合肥料生产中，干燥机通常采用并流干燥的方式，即热量在干燥机内的传导方向与物料在干燥机内的移动方向是一致的。热量及物料从干燥机的头部进入，从干燥机的尾部排出。因此，干燥机头部和尾部的温度监控具有非常重要的意义。复合肥料生产过程中熔点最低的原料为尿素，与其他物料混配后熔点更是大幅度的降低，加之进入干燥机的肥料颗粒物料处于潮湿的状态以及还有部分未完成的化学反应，所以温度要平稳、精准把控，通常含有尿素的物料干燥机头部温度控制在120 ～170 ℃，尾部温度控制在60 ～70 ℃[7，8]。温度过低会出现换热不足，对于腐植酸复合肥料产品中的水分无法有效散失，影响后续操作的连续稳定进行，甚至对产品造成质量隐患；温度过高或者急速升温，会导致水溶性原料以及尿素出现大量的熔融，导致干燥机内颗粒团聚成大球，严重则出现泥浆状物料[4，9]。不含尿素的物料，头部温度可控制在150 ～200 ℃，尾部温度控制在80 ～90 ℃[10]。

4 提高换热面积的抄板设计

换热面积是干燥效率的核心因素，同规格干燥机的换热面积主要与抄板设计相关，抄板设计合理，物料充分扬起，才能与热风充分接触。常规滚筒复合肥料设备的干燥机设计，干燥机滚筒的直径为1.6 ～3.2 m[11]，抄板一般只有导料抄板和135°扬料板。而对于腐植酸复合肥料的生产应根据物料走向、原料的物理化学性质、热风的进出方向等，将干燥机设计为螺旋导料区、二次成球区、直抄板区、表层干燥区、深层干燥区、空白区6个功能区[12，13]（图1）。

图1 干燥机抄板设计Fig.1 Plate making design of dryer

（1）螺旋导料区：长度2 m，其与干燥机头部断面夹角45°，单个扬料板的长度为2690 mm，扬料板的高度通常为滚筒直径的1/5，周布数量为滚筒直径的1/3（取整数），与头部挡圈有缝隙100 mm，目的是为防止螺旋抄板布局形成死角，加快物料在干燥机头部的推送速度。

（2）二次成球区：长度2 m，抄板形式为直抄板，单个扬料板的长度为900 mm，扬料板的高度通常为滚筒直径的1/20，周布数量为滚筒直径的1/2（取整数），相邻两圈的抄板之间垂直间距为100 mm，相邻两圈抄板之间的错开距离为100 mm，此处是物料最佳成球区，应避免物料过度扬起，导致物料与干燥炉热风过多接触形成返料。

（3）直抄板区：也称抛光滚圆定型区，长度2 m，抄板形式为直抄板，单个扬料板的长度为900 mm，扬料板的高度通常为滚筒直径的1/8，周布数量为滚筒直径的1/2（取整数），相邻两圈的抄板之间垂直间距为100 mm，相邻两圈抄板之间的错开距离为100 mm，此处仍需避免物料过度扬起，导致物料与热风接触过多，致使物料在潮湿状态迅速升温，出现熔融状态；而直抄板将物料扬起的高度有限，可预先让热风与物料进行小面积接触，促使颗粒表皮干燥，以达到物料基本定型的目的，避免在后部仍因物料潮湿相互粘合。

（4）表层干燥区：也称135°/90°抄板螺旋分布区，抄板形式为135°和90°弯度的抄板按照螺旋递进的方式进行排布，单个扬料板的长度为900 mm，扬料板的整体垂直高度通常为滚筒直径的1/8，抄板的弯板长度为立板长度的1/2，周布数量为滚筒直径的1/2（取整数），相邻两圈的抄板之间垂直间距为100 mm，相邻两圈抄板之间的错开距离为100 mm，此处开始加大物料与热风的接触面积，通过螺旋形式的排布结构，使扬起的物料形成螺旋通道，有助于高温热风迅速通过，避免热量过度聚集并与物料发生长时间接触。虽然经过直抄板区的初步烘干后，物料颗粒表皮开始干燥，但是颗粒整体水分仍然较大，颗粒受热风影响后温度升高，水分蒸发，内部无机盐溶解度加大，出现熔融现象，颗粒内部仍然比较柔软，扬起过高容易导致颗粒摔扁。

（5）深层干燥区：也称135°/90°抄板交叉分布区，抄板形式为135°和90°弯度的抄板交错排布，单个扬料板的长度为900 mm，扬料板的整体垂直高度通常为滚筒直径的1/8，抄板的弯板长度为立板长度的1/2，周布数量为滚筒直径的1/2（取整数），下圈抄板位置应定在上圈抄板间隙的中心处，相邻两圈抄板之间的错开距离为100 mm，此处物料颗粒能够被充分扬起，此时颗粒表皮的水分在前部区域已基本被干燥，颗粒已完成定型可以接受更大的热量，被抄板扬起的物料形成的螺旋通道被交叉扬起的物料以帘幕形态所填充，物料能够与前部来的热风发生充分接触，颗粒深层的水分在毛细管和热量的作用下逐步少量的向表层迁移，随后被充分接触的热风带走。

（6）空白区：长度1.5 m，避免物料扬起过高，导致大量粉尘和小粒进入烘干除尘引风系统。

5 总结

腐植酸复合肥料生产中的干燥环节是最为关键的阶段，每个生产厂家以及设备制作厂家都有各自不同的见解，这与使用的生产工艺的差异以及人员操作习惯有一定的关系，但都要从停留时间、风量、温度以及换热面积4 个因素中寻求平衡点。干燥机抄板设计尤为重要，需要根据物料特性结合干燥机的规格尺寸设计不同的功能区和抄板形状进行系统统筹排布。