1.連州東南新材料有限公司，廣東 清遠，511500；2.靖江市得意節(jié)能科技有限公司，江蘇 泰州，225300；3.恩平白翠華實業(yè)有限公司，廣東 江門，529000。

摘要：在納米碳酸鈣干燥工藝設計過程中，對國內常見的干燥設備和不同組合方式進行熱量衡算，并結合典型企業(yè)的實際工況數(shù)據進行對比，確定了以單級網帶干燥作為最優(yōu)化的工藝及設備選型方案，比閃蒸干燥以及閃蒸干燥和網帶干燥組合的干燥系統(tǒng)，能降低綜合能耗30%以上。

關鍵詞：網帶干燥；閃蒸干燥；熱量衡算；能耗。

中圖分類號：TQ015.2     文獻標志碼：B       文章編號：

DOI:

Research on the drying design and equipment selection of nano calcium carbonate

Gao Jianming¹，Ding Xiaocheng²，Xiao Pindong³

1.Lianzhou Southeast New Materials Co., Ltd，Qingyuan, Guangdong, 511500；2. Jingjiang Yidu Energy Conservation Technology Co., Ltd., Taizhou, Jiangsu, 225300；3. Enping Baicuihua Industrial Co., Ltd., Jiangmen, Guangdong, 529000

Abstract: In the design process of nano calcium carbonate drying process, heat balance was carried out on common drying equipment and different combination methods in China, and combined with the actual operating data of typical enterprises, a single stage mesh belt drying was determined as the optimal process and equipment selection scheme. Compared with flash drying and the combination of flash drying and mesh belt drying, the drying system can reduce comprehensive energy consumption by more than 30%.

Keywords: Mesh drying; Flash drying; Heat balance calculation; energy consumption

1. 概述

納米碳酸鈣產業(yè)發(fā)展至今，在工藝技術和產品性能等方面逐漸趨于相對穩(wěn)定和成熟，在面對市場競爭，產品的應用性能以及產品質量的穩(wěn)定性，是每個企業(yè)都必須解決的首要問題，許多企業(yè)在不斷的發(fā)展過程中，工藝技術路線及產品的配方等技術，逐漸趨同，從目前國內主要的企業(yè)所采用的干燥工藝及設備可見一斑。網帶干燥和閃蒸干燥逐漸成為主流的干燥設備，但在工藝和設備的配置上略有區(qū)別。常見的有以下幾種工藝組合：第一：采用網帶干燥（或者閃蒸干燥）作為單級干燥。第二：采用網帶干燥與閃蒸干燥串聯(lián)的兩級干燥。第三：閃蒸與盤式干燥或槳葉干燥串聯(lián)的兩級或多級干燥。

2. 技術現(xiàn)狀

2.1. 從干燥的原理上分析，鏈帶干燥采用的是連續(xù)進料，在烘房內做靜態(tài)的直線運動，運行過程中通過強制的熱風穿流將物料烘干。優(yōu)點是：可以低溫烘干，充分保證產品白度，隨著網帶長度和層數(shù)的增加，換熱面積可以做得很大，所以干燥產能較高，干燥的綜合能耗低。在實際運行過程中的穩(wěn)定性也非常優(yōu)秀，它同時還具備較好的操控性能，可調節(jié)的手段很多，如：控制進風溫度和流量、排濕風量、各單元循環(huán)風風量和溫度、擠條機的給料速度（可調控網帶上料層厚度）、以及網帶運行速度（可控制物料停留時間和料層厚度）等等，只要干燥系統(tǒng)調控穩(wěn)定后一般無需時刻調整，其穩(wěn)定性和抗干擾性都較好，所以設備故障率低，生產效率高。缺點是：物料進入干燥設備后，除了隨網帶做水平方向運動外，全過程相對靜止，因此干燥的效率不高，烘干時間長，需要較大的換熱面積，設備投資和占地面積都較大，產品須粉碎解聚才能包裝成成品。濾餅必須通過擠條機或切片機破碎或造粒，不能直接進入干燥設備，其工藝的適應性稍差。網帶干燥及粉碎系統(tǒng)如下圖：

         圖1：鏈帶干燥系統(tǒng)設備圖

2.2. 閃蒸干燥屬于流化床干燥，物料進入干燥系統(tǒng)后，由底部或側向環(huán)隙的高速熱風將半干料和濕物料充分混合，并懸浮于干燥塔底，形成沸騰的流化床狀態(tài)，同時干燥塔底的打散葉片可將顆粒狀物料逐漸粉碎，物料在動態(tài)平衡的情況下，逐步從大顆粒變?yōu)樾☆w粒，其比表面積成幾何級數(shù)增大，使干燥速度明顯加快，干燥效率大幅提高，故稱為“閃蒸”干燥。優(yōu)點是：物料處于動態(tài)的平衡，氣固接觸面積極大，濾餅可以直接進入干燥器內，其水分不斷從40%降至1%以下，粉體顆粒中的內水可以快速滲透至微細顆粒表面并得到蒸發(fā)，在熱氣流作用下，穿過分級機高速葉輪進入布袋除塵器內。閃蒸干燥設備體積和占地面積較小，工藝適應性較好。缺點是：由于閃蒸干燥的主軸為高速立式傳動軸，高度4～5米，其維修頻率及費較高，由于考慮到設備的維修，設備保溫受到一定的影響；在φ1000的干燥筒體內形成沸騰床形態(tài)，需要較高氣體流速，所以進風流量大，且干燥溫度約300～450℃，排濕氣體溫度為80～120℃，造成系統(tǒng)損失熱量較大，能耗高。在操控的穩(wěn)定性方面也較差，由于干燥主機內的物料是流化床狀態(tài)的一個動態(tài)平衡，要保證這個動態(tài)平衡的相對穩(wěn)定，就必須要保證系統(tǒng)的氣流速度和溫度、濾餅進料量的穩(wěn)定，最難保持穩(wěn)定的因素就是系統(tǒng)內的氣流均衡，由于干燥主機直徑一般為Φ1000～1600，物料進口在主機側壁，當給料不正常時會漏風，會擾亂干燥主機內的氣流平衡，在整個圓形截面上也很難保證氣體流速的平衡，熱風一般從底部孔板或者底部的環(huán)隙中進入，容易堵塞或形成局部區(qū)域氣流滯留現(xiàn)象；另外，由于排濕風機將大量的含塵氣體抽入布袋除塵器內，大量粉塵會吸附在布袋表面，必須通過定時脈沖反吹系統(tǒng)控制布袋的透氣性能，由于在高壓氣流沖擊下，布袋使用年限較短，布袋的維護管理難度很大，更換時要長時間停機處理，一旦布袋損壞，對整個干燥體系的氣流的穩(wěn)定性會造成重大影響，操控難度明顯增大，所以會配專職熟練工24小時實時監(jiān)控操作。閃蒸干燥及燃氣供熱系統(tǒng)如下圖：

圖2:閃蒸干燥系統(tǒng)設備圖

2.3. 組合式干燥優(yōu)點是：干燥速度及效率較高，尤其可以解決濾餅在鏈帶烘干過程中最后10mm顆粒的內部水分難烘干的問題，一級鏈帶按含水率20%出料，可大幅提高鏈帶干燥的產能，兩級組合時鏈帶干燥的設計能力可提高70%左右。組合缺點是：增加一套閃蒸干燥需增加整個約200%干燥系統(tǒng)總功率，以年產５萬噸裝備納米鈣生產線的干燥系統(tǒng)計算，由此增加電耗、維護及運行成本等合計約30元/t。干燥的能耗沒有降低反而提高約30%左右，以現(xiàn)有標煤價2000元/t估算需增加約100元/t成本，以上兩項合計后組合的干燥成本增加約130元/t。

3. 能耗分析：

      3.1. 單級網帶干燥基本工況：每小時生產7噸納米鈣產品，年產5萬噸，兩套干燥系統(tǒng)每套生產能力產年2.5萬，單套生產能力3.5t/h，濾餅進料水分40%，溫度30℃，出口水分0.5%，溫度80℃，干燥溫度150℃，進口冷空氣溫度為20℃，相對濕度為60%，干燥排濕風機風量為16000m³/h，排濕溫度80℃，出口粉體溫度為40℃。通過以下公式進行熱量衡算，濕空氣焓值計算公式：

i=1.01t+(2490+1.84t)d或i=(1.01+1.84d)t+2490d(kJ/kg干空氣)。

Δi=1.01（t₂- t₁）+2490（d₂-d₁）+1.84（t₂d₂- t₁d₁）

式中：i濕空氣焓值kJ/kg；t指空氣溫度℃；d指空氣的含濕量kg/kg干空氣；1.01指干空氣的平均定壓比熱kJ/(kg·K)；1.84指水蒸氣的平均定壓比熱kJ/(kg·K)；2490指0℃時水的汽化潛熱kJ/kg。

標準大氣壓0℃時空氣密度為1.293 kg/m³；根據標準氣態(tài)方程：P₁V₁/T₁=P₂V₂/T₂可以得到20℃空氣密度為1.205 kg/m³，80℃空氣密度為1.000 kg/m³，120℃空氣密度為0.898 kg/m³；查表可得：20℃，相對濕度60%時，絕對濕度為10.36g/kg，此時絕對濕度為：d₂₀=10.36/1.205*1000=0.0086kg/kg。

干燥出口排濕空氣溫度80℃，流量為16000 m³/h，根據標準氣態(tài)方程：P₁V₁/T₁=P₂V₂/T₂可以得到20℃冷空氣流量為：V₁ =V₂ T₁/ T₂=（273+20）/（273+80）*16000=13280 m³/h；

干燥入口冷空氣帶入水分質量流量為：M₁=13280*10.36/1000=137.6 kg/h；

碳酸鈣產品物料流量為：3518 kg/h（含水0.5%），其中濾餅含水40%，水分質量流量為：M₂=0.4*3518/0.6=2345 kg/h

排濕空氣中水分總流量為：M=M₁+M₂=137.6+2345=2482.6 kg/h；

排濕空氣絕對濕度為：D₈₀=2482.6/16000*1.0=0.155kg/kg

因為：t₁=20℃，t₂=80℃， d₂₀ =0.0086kg/kg， d₈₀=0.155kg/kg；所以; Δi=1.01（80-20）+2490（0.155-0.0086）+1.84（80*0.155-20*0.0086）=447.6kJ/kg

排濕空氣輸出熱量Q₁：Q₁=447.6*（16000*1.0+2482.6）/4.18=197.9*10⁴kcal/h

碳酸鈣粉體輸出熱量為Q₂，粉體比熱為0.84Kj/(kg℃)，Q₂=3518*0.84*（80-30）/4.128=3.5*10⁴kcal/h

干燥系統(tǒng)輸出熱量為Q_出：Q_出= Q₁+ Q₂=（197.9+3.5）*10⁴=201.4*10⁴kcal/h

系統(tǒng)熱量損失Q_損為20%：Q_損=0.2*201.4*10⁴/0.8=50.4*10⁴kcal/h

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（201.4+50.4）*10⁴=251.8*10⁴kcal/h

1噸0.8MPa蒸汽的標準熱值為68*10⁴kcal/h，所以：單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：251.8/68 =3.70t/h；產品單耗為：3.70/3.518=1.05t蒸汽/h噸產品。

3.2. 兩級串聯(lián)式干燥：第一級為網帶干燥，干燥溫度為150℃，排濕溫度為80℃，排濕風量為12000 m³/h，濾餅進口水分為40%，溫度30℃，出口水分為20%，溫度60℃；第二級為閃蒸干燥，干燥溫度為260℃，排濕溫度為120℃，排濕風量為22000 m³/h濾餅進口水分為20%，溫度60℃，出口水分為0.5%，溫度80℃。

一級網帶干燥冷空氣進口流量為：V₁ =V₂ T₁/ T₂=（273+20）/（273+80）*12000=9960m³/h

一級干燥空氣帶入水分流量：9960*10.36/1000=103.2kg/h；兩級干燥蒸發(fā)水分總流量2345kg/h，濾餅水分40%，一級出口水分為20%，一級干燥蒸發(fā)水分流量為：2345-0.2*3518/0.8=2345-879.5=1465.5kg/h；

排濕空氣水分質量流量總和為：1465.5+103.2=1568.7kg/h

排濕空氣的絕對濕度為d₈₀：d₈₀=1568.7/12000*1.0=0.131 kg/kg

因為：t₁=20℃，t₂=80℃， d₂₀ =0.0086kg/kg， d₈₀=0.131kg/kg，所以; Δi=1.01（80-20）+2490（0.131-0.0086）+1.84（80*0.131-20*0.0086）=384.4kJ/kg

排濕空氣輸出熱量Q₁：Q₁=384.4*（12000*1.0+1568.7）/4.18=124.8*10⁴kcal/h

碳酸鈣粉體輸出熱量為Q₁：粉體比熱為0.84kJ/(kg℃)，Q₂=3518*0.84*（60-30）/4.8=2.1*10⁴kcal/h

干燥系統(tǒng)輸出熱量為Q_出：Q_出= Q₁+ Q₂=（124.8+2.1）*10⁴=126.9*10⁴kcal/h

系統(tǒng)熱量損失Q_損為20%：Q_損=0.2*126.9*10⁴ /0.8=31.7*10⁴kcal/h

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（126.9+31.7）*10⁴=158.6*10⁴kcal/h

1噸0.8MPa蒸汽的標準熱值為68*10⁴kcal/h，所以：單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：158.6/68 =2.33t/h； 

二級閃蒸干燥冷空氣進口流量為：V₁ =V₂ T₁/ T₂=（273+20）/（273+120）*22000=16402m³/h

二級干燥空氣帶入水分流量：16402*10.36/1000=169.9kg/h

二級進口水分為20%，出口水分為0.5%，二級干燥蒸發(fā)水分流量為：0.2*3500/0.8=875kg/h，排濕空氣水分質量流量總和為：875+169.9=1044.9kg/h；

排濕空氣的絕對濕度為d₈₀：d₈₀=1044.9/22000*0.898=0.053 kg/kg

因為：t₁=20℃，t₂=120℃， d₂₀ =0.0086kg/kg， d₈₀=0.053kg/kg，所以; Δi=1.01（120-20）+2490（0.053-0.0086）+1.84（120*0.053-20*0.0086）=223kJ/kg

排濕空氣輸出熱量Q₁：Q₁=223*（22000*0.898+1044.9）/4.18=111*10⁴kcal/h

碳酸鈣粉體輸出熱量為Q₂：粉體比熱為0.84kJ/(kg℃)，Q₂=3518*0.84*（80-60）/4.8=1.4*10⁴kcal/h；

干燥系統(tǒng)輸出熱量為Q_出：Q_出= Q₁+ Q₂=（111+1.4）*10⁴ =112.4*10⁴kcal/h

系統(tǒng)熱量損失Q_損為20%：Q_損=0.2*112.4*10⁴ /0.8=28.1*10⁴kcal/h

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（112.4+28.1）*10⁴ =140.5*10⁴kcal/h

1噸0.8MPa蒸汽的標準熱值為68*10⁴kcal/h，所以：單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：140.5/68 =2.07t/h；兩級干燥蒸汽總消耗量為：2.33+2.07=4.4t/h，單位產品干燥能耗為：4.4/3.518=1.25t/h噸產品。另：由于閃蒸干燥保溫條件有限，系統(tǒng)熱損失較為嚴重，熱損失取30%，則其熱量損失為：Q_損=0.3*112.4*10⁴ /0.7=48.2*10⁴kcal/h；

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（112.4+48.2）*10⁴ =160.6*10⁴kcal/h

單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：160.6/68 =2.36t/h；兩級干燥蒸汽總消耗量為：2.33+2.36=4.69t/h，單位產品干燥能耗為：4.69/3.518=1.33t/h噸產品。

3.3. 單級閃蒸干燥基本工況：每小時生產3噸納米鈣產品，單套年產2.2萬噸，濾餅進料水分40%,溫度30℃，出口水分0.5%，溫度為100℃，干燥溫度380℃，進口冷空氣溫度為20℃，相對濕度為60%，干燥排濕風機風量為32000m³/h，排濕溫度120℃。

干燥出口排濕空氣溫度120℃，流量為32000 m³/h，根據標準氣態(tài)方程P₁V₁/T₁=P₂V₂/T₂可以得到20℃冷空氣流量為：V₁ =V₂ T₁/ T₂=（273+20）/（273+120）*32000=23858 m³/h；

干燥入口冷空氣帶入水分質量流量為：M₁=23858*10.36/1000=247.2 kg/h

物料流量為：3009 kg/h（含水0.5%），其中濾餅含水40%，水分質量流量為：M₂=0.4*3009/0.6=2006kg/h；排濕空氣水分總流量為：M=M₁+M₂=247.2+2006=2253.2kg/h；

排濕空氣絕對濕度為：D₈₀=2253.2/32000*0.898=0.078kg/kg

因為：t₁=20℃，t₂=80℃， d₂₀ =0.0086kg/kg， d₈₀=0.078kg/kg，所以; Δi=1.01（120-20）+2490（0.078-0.0086）+1.84（120*0.078-20*0.0086）=290.7kJ/kg

排濕空氣輸出熱量Q₁：Q₁=290.7*（32000*0.898+2253.2）/4.18=215.5*10⁴kcal/h

碳酸鈣粉體輸出熱量為Q₁：粉體比熱為0.84kJ/( kg℃)，Q₂=3009*0.84*（100-30）/4.18=4.2*10⁴kcal/h

干燥系統(tǒng)輸出熱量為Q_出：Q_出= Q₁+ Q₂=（215.5+4.2）*10⁴ =219.7*10⁴kcal/h

系統(tǒng)熱量損失Q_損為20%：Q_損=0.2*219.7*10⁴ /0.8=54.9*10⁴kcal/h

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（219.7+54.9）*10⁴ =274.6*10⁴kcal/h

1噸0.8MPa蒸汽的標準熱值為68*10⁴kcal/h，單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：274.6/68 =4.04t/h；產品單耗為：4.04/3.009=1.34蒸汽t/h噸產品。如果系統(tǒng)熱量損失按30%計算：Q_損=0.3*219.7*10⁴ /0.7=94.2*10⁴kcal/h

系統(tǒng)輸入熱量為Q_入：Q_入= Q_出+ Q_損=（219.7+94.2）*10⁴ =313.9*10⁴kcal/h

1噸0.8MPa蒸汽的標準熱值為68*10⁴kcal/h，單級網帶干燥耗用蒸汽流量為：313.9/68 =4.62t/h；產品單耗為：4.62/3.009=1.54蒸汽t/h噸產品。

4. 不同設備及工藝的能耗對比

4.1. 單級網帶干燥和閃蒸干燥：閃蒸干燥的能耗明顯高于網帶干燥，在單套產能方面閃蒸干燥也低于網帶干燥，目前網帶干燥單套產能基本可以做到5萬噸/年以上，但閃蒸干燥單套比較難達到年產2.5萬噸。網帶干燥在投資相同的情況下，由于具有較高產能，且能耗低，其經濟效益明顯高于閃蒸干燥。另外，從國內使用閃蒸干燥設備的企業(yè)分析，主機及布袋除塵系統(tǒng)大多都沒有進行保溫處理，致使系統(tǒng)熱損失能達到30%，造成其能耗非常高。

4.2. 單級干燥與兩級串聯(lián)干燥相比較：單級干燥工藝在能耗方面存在明顯優(yōu)勢，兩級干燥不僅設備投資增加近一倍，設備裝機容量增加近200%，而且兩級干燥對熱源配制提出新的難題，采用熱風分配，很難實現(xiàn)合理的熱風均衡控制。如果采用燃氣爐直接1:1配制，則會造成多點燃燒設置，既存在安全隱患，同時增加操作控制的難度。比較合適的供熱方式只能是蒸汽或導熱油集中供熱，供熱管道略為復雜，熱損失會有所增加。

4.3. 干燥系統(tǒng)綜合性能比較：在干燥設計時除了考慮設備的產能及煤耗以外，還要考慮干燥設備對產品質量的影響，由于納米碳酸鈣產品表面包覆有機活性劑，有機物的表面介質如硬脂酸熔點在72℃，長時間暴露在80℃以上的環(huán)境中會發(fā)生發(fā)黃、發(fā)紅的情況，在200℃左右硬脂酸會發(fā)生斷裂分解，直至焦化變黑，因此低溫或短時間處于高溫狀態(tài)，是保證納米鈣產品白度的重要條件。網帶干燥烘箱內溫度在150℃左右，由于物料含水從40%逐步降低到0.5%，整個干燥過程中，只有接近出料口最底層的物料基本為干基狀態(tài)，物料溫度較高，在實際生產控制過程中會將該區(qū)域的溫度控制在100℃左右，避免過高溫度造成產品白度降低，其他區(qū)域由于物料含水較高，所以環(huán)境溫度可以控制在較高狀態(tài)。閃蒸干燥的溫度一般在300℃以上，最高可達到380℃，沸騰床內物料處于干濕混合狀態(tài)，形成一種動態(tài)平衡，烘干且被打散至細微顆粒后，即可隨氣流進入布袋除塵器內，這種干基物料停留時間很短，約1～2秒，也能保證產品的白度不受影響，但其操控穩(wěn)定性差，一般合格品率比較低。

4.4. 干燥設備及工藝組合的能耗對照情況：

注：每噸蒸汽折標煤138Kg；標煤按2000元/t；電價按0.6元/kwh計算。

表1：不同干燥及組合的能耗對照表

                   圖3：三種干燥能耗比較

5. 結論

5.1. 通過網帶干燥和閃蒸干燥，以及網帶和閃蒸組合三種實際生產工況的熱量衡算對比，如：圖3所示，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，網帶干燥在熱耗和綜合能耗方面都具有明顯優(yōu)勢，其綜合成本比其他兩種工藝節(jié)能34%和26%。

5.2. 根據干燥的機理分析：決定干燥速率即干燥推動力的關鍵因素不是溫度，而是空氣的濕度和氣固界面的傳質速率，因此如何降低干燥體系內物料周邊空氣濕度，與濕物料表面的空氣濕度形成較大的濕度梯度，加快濕空氣的快速傳導，對提高物料界面水分蒸發(fā)至關重要。網帶干燥是動態(tài)的烘房烘干，只要有足夠多的干空氣持續(xù)烘干物料，即使在常溫條件下，濕物料停留時間足夠長，也可以將濾餅烘干，網帶干燥設計核心就是在干燥時間和熱風溫度之間找到最佳的平衡關系，即達到高效又充分的節(jié)能。

5.3. 隨著目前市場上各種型號的納米鈣產品的質量相對穩(wěn)定和成熟，行業(yè)中較多企業(yè)采用了單級網帶干燥系統(tǒng)，生產的產品已涵蓋了國內從低端到高端的所有系列產品，其產品的部分性能指標，如：堆積密度和白度已超過了采用閃蒸干燥設備生產的產品，在汽車底涂、高檔建筑硅酮膠、高檔膠印油墨等專用納米鈣的高端產品上，網帶干燥的產品已占據市場的主導地位。納米碳酸鈣產品的質量和應用性能不再是市場競爭的決定性因素，而產品的成本和質量的穩(wěn)定性才是市場占有率的關鍵，且起到決定性的作用。所以在干燥工藝設計和設備選型時應摒棄采用閃蒸干燥、或多級串聯(lián)式的干燥工藝，避免產品過高的綜合能耗，未來的產品才有可能在市場中具有較強的競爭力。

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13. 姚玉英等主編，《化工原理》天津科學技術出版社， 1992年11月第一版，ISBN7-5308-1060-X，第89頁至90頁。

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作者簡介：高建明（1968-），男，大專，研究方向為納米碳酸鈣，xpd678@126.com；丁曉成（1975-），男，大專，研究方向為干燥設備；肖品東（1967-），男，本科，研究方向為納米碳酸鈣，xpd828@126.com，手機：13929095439