紙面石膏板干燥技術的現狀和發展趨勢

陳紅霞 武發德 周建中 李帆 王霞（北新集團建材股份有限公司，北京 102208）

紙面石膏板干燥技術的現狀和發展趨勢

陳紅霞 武發德 周建中 李帆 王霞（北新集團建材股份有限公司，北京 102208）

紙面石膏板干燥是與產品質量和生產能耗密切相關的重要環節。本文介紹了國內外紙面石膏板干燥技術的現狀，并指出了紙面石膏板干燥技術的發展趨勢。

紙面石膏板；干燥技術；能耗；發展趨勢

紙面石膏板是以石膏（包括天然石膏、化學石膏）和護面紙為主要原材料，摻加適量纖維、粘結劑、調凝劑、發泡劑和水等按照一定的比例，經煅燒成熟石膏、混合、成型、凝固、切斷、干燥、切邊等工序制成的輕質建筑板材。熟石膏水化所需的理論用水量為其重量的18.6%，而在石膏板成型時為了使石膏料漿具有良好的流動性，水膏比往往達到70%以上。這些多余的游離水分需要在干燥過程從板芯中蒸發出去。在水分蒸發的過程中，粘接劑（改性淀粉）隨著水分的蒸發遷移至護面紙與石膏芯表層界面之間，糊化后將護面紙與石膏芯牢固地粘接在一起。因此，干燥設備是石膏板生產線的重要設備及主要的能耗設備，直接關系到石膏板生產的成本和產品質量。隨著市場競爭的日益激烈和人們對產品質量關注度提高，降低石膏板生產的能耗和保證產品質量成為各石膏板工廠追求的目標。干燥技術、電氣控制、機械加工等相關領域的科技進步對紙面石膏板干燥設備的發展和完善起到了重大的推動作用，同時也為“保質節能”的目標實現提供了可能。

1 木材干燥技術的發展概述

由于石膏濕板與木材的物料相似性，石膏板的干燥技術是在借鑒木材干燥技術的基礎上發展起來的。從國外大部分專業石膏板干燥機生產企業的產品結構中也可以看出些端倪。當今石膏板干燥機制造巨頭——格林策巴赫公司在發展初期就涉足了木材加工行業，而后才在玻璃和石膏板等建材行業發展；已被格林策巴赫公司于2002年收購的美國BMH AKI公司也設計制造石膏板干燥設備，但其主要產品是木材干燥設備；有著160年歷史的美國COE公司的產品涉及木材、石膏板等干燥設備，但其最具競爭力的產品還是在木材干燥方面。可見，石膏板干燥技術進步離不開木材干燥技術的發展。

[1,2]目前，木材干燥工業形成了以常規蒸汽干燥為主，常規干燥，包括蒸汽、爐氣與熱水干燥，熱泵除濕干燥，真空干燥，微波干燥，高頻干燥和太陽能干燥等多種干燥方法同時發展的比較完整的產業體系。常規蒸汽干燥在我國木材干燥中占主導地位，約占80%以上，其次是以爐氣和熱水為熱源的常規干燥，以熱油作熱源的常規干燥應用較少。[2]熱泵除濕干燥具有節能效果顯著、干燥質量好、用電作能源不污染環境以及干燥技術比較成熟等優點，已成為常規干燥之后處于第二位的干燥技術。真空干燥可實現較低溫度下的快速干燥，干燥質量好，但設備投資較大，電耗高和設備裝材量少，在我國應用很少。微波和高頻干燥都是以濕木材作電解質，在微波或高頻的電磁場作用下，引起木材中水分子極化，同時由于電磁場的頻繁交變，使水分子高速頻繁擺動，摩擦生熱，從而加熱干燥木材。這兩種干燥方法都屬于體積加熱，溫度梯度小、干燥速度快、應力小。[3]太陽能干燥通常是利用太陽能直接加熱空氣，依靠風機使空氣在太陽能集熱器和干燥室材堆之間循環。太陽能干燥由于受氣候條件限制，常與其他干燥方式組合成為聯合干燥裝置。

從木材干燥技術的發展趨勢來看，研究的熱點主要在以下兩個方面：其一，研究各種干燥方法干燥過程中物性參數和過程參數，并建立數學模型；其二，兩種或多種干燥方法聯合應用，以適應對提高干燥質量和節能環保的要求。

2 國內石膏板干燥技術的現狀和發展

目前國內外石膏板廠大多使用輥道式干燥機，干燥機采用對流式熱風干燥，形式有縱向和橫向對流。縱向對流就是熱氣流運動方向與板的運動方向是平行的；橫向對流式的熱氣流運動方向與板的運動方向垂直，每個區段都設有供熱和控制裝置。與縱向干燥相比，橫向干燥的熱效率高，干燥效果好，但熱工和機械設備數量較多，控制要求嚴格，因此造價比縱向相應偏高。我國大部分石膏板廠采用縱向干燥機，極少數采用橫向干燥機。紙面石膏板干燥過程是一個復雜的傳熱傳質過程。干燥過程可分為三個階段：加速干燥階段、等速干燥階段和降速干燥階段。[7]通過對紙面石膏板干燥過程的分段解析與模擬發現，加速干燥階段和等速干燥階段時間耗費相對較短，水份蒸發量相對較大，可適當加大能量的供給量，而在降速干燥階段，干燥時間較長，單位時間水份蒸發量較小，可適當延長干燥時間，減少能量供給量，以達到節能的目的。

近年來，還出現一種橫向和縱向結合的干燥機。[5]這種干燥機的特點是單室橫向循環干燥氣流和噴吹管直吹板面干燥。烘干段前段采用橫向循環氣流干燥，后段采用縱向循環氣流脫除剩余15%左右的水分。它結合了橫向干燥熱效率高和縱向干燥投資成本低的特點，不僅能降低生產能耗、縮短生產線的長度，而且還降低了投資成本（與單一的橫向干燥機相比）。

此外，按照供熱方式可分為直接熱風式，間接熱風式。[4]干燥機的熱源有多種供熱方案。如燃煤-熱煙氣-熱交換器加熱循環濕空氣，簡稱熱煙氣加熱；蒸汽加熱；循環有機油加熱和天然氣直接加熱。[6]中小型紙面石膏板生產線大多采用蒸汽鍋爐進行干燥。燃煤蒸汽鍋爐熱效率一般不超過70%；蒸汽通過熱交換器轉換成熱空氣，轉換中有部分熱損失，再加上蒸汽輸送過程中的熱損失，整個系統熱效率僅為50%左右。

石膏板干燥機作為一個熱工設備，除了干燥技術方面外，其機械結構、控制系統、殼體保溫、余熱利用也是保證其高效節能運行的關鍵。[12]用內置散熱設備替代外置熱風烘干設備，省去熱風轉換，提高熱效率。[13]采用絲杠調節調風板與進口夾角，調風板可以可靠定位在調節范圍內的任意位置，實現對熱風流量的控制。彭曉晉[8]對北新二線的干燥機溫度控制設計的主要特點進行了介紹；鐘偉等[9]介紹了紙面石膏板在干燥機內部位置精準計算方法，以便中控室操作人員清晰直觀地了解石膏板在干燥機內的位置；周建中等[10]發明了一種熱風類干燥機的模糊控制系統來實現熱風溫度的調節。合理的殼體保溫能使干燥機降低熱損失?？砂床煌瑴囟葏^域采用不同的保溫厚度，還可采用多節一扇門來減少鋼立柱的外露金屬表面的熱損失。從干燥機排出的熱濕氣體溫度在130℃以上，含有大量的顯熱和潛熱，因此干燥機余熱回收利用可降低干燥能耗。[11]在石膏板干燥機每個區的循環風道上新開一個排濕孔，排濕孔上連接間接式換熱裝置，換熱裝置的余氣排放口上連接調速軸流風機、冷凝水排放口上連接有汲水器；換熱裝置的進水口連接在自來水管道上、出水口連接在熱水管上。通過這些措施可實現石膏板干燥機的余熱利用。目前余熱回收利用系統在各條大型石膏板生產線上已廣泛應用，生產能耗明顯降低。表1所示北新建材紙面石膏板生產線的干燥方式及特點。

3 國外石膏板干燥技術的最新研究熱點

國外石膏板干燥在干燥方式上，除了熱風干燥外，還有干燥板材的熱風-微波設備[14]，如圖1所示。此設備可以干燥膠合板，石膏板，纖維板等大塊板材，采用對流干燥和高頻干燥。對流干燥，可分為幾層干燥板材，從底部吹熱風，設備6干燥時溫度控制很重要，干燥板材時溫度約是240℃，出板時熱風溫度約為80℃，它可冷卻板材。裝置9可以將板材一塊一塊的輸送到設備高頻干燥箱10中。該干燥機充分利用熱風對流干燥和微波干燥的優點，降低干燥能耗。

圖1 熱風干燥-高頻微波干燥石膏板原理圖

與國內石膏板廠幾乎都采用縱向干燥機的狀況不同，橫向干燥機在國外應用比較普遍。格林策巴赫公司有20多年制造橫向噴射氣流干燥機的經驗。而且國外的干燥機制造商對于干燥機應用中的包括機械設備、電氣控制以及干燥過程等方面的細節研究較多。[15]格林策巴赫公司發明了一種體積小、熱交換率高、便于組裝的熱交換器。[16]AKI公司發明了一種能使石膏板邊部均勻干燥的裝置，解決了干燥時石膏板邊部易過火的問題。

國外在干燥機控制方面的研究優勢明顯。對于在干燥機中的石膏板傳輸探測系統，AKI公司有堵板探測裝置的專利[17]，拉法基公司有板偏探測電路的專利[18]。對于石膏板干燥機的過程控制方面，BPB公司[19]和WESTRO公司[20]有針對干燥過程控制系統的專利。國外針對石膏板干燥過程中比較關鍵的兩個因素——溫度和濕度控制的研究和應用也較多。[21]英國石膏公司用成熟的商用QMS(質量檢測軟件)在線監測石膏板干燥過程中溫度和濕度的變化，提高了生產效率。IMPS-4000濕度自動探測系統是目前比較成熟的石膏板濕度檢測和分析系統，它能在線測量各層石膏板不同位置的濕度。使用Raytek TIP-450紅外成像儀可以提供實時的石膏板表面成像和平均溫度的歷史趨勢，有助于精確管理干燥工藝。

近年來，由于經濟萎縮導致建筑業不景氣，國外的石膏板需求量增長不大。因此石膏板制造商更關注降低能耗和提高質量，對于干燥過程的研究有助于干燥機改進設計和控制生產，有利于降低產品能耗和提高產品質量。D.Neuman[22]將干燥過程中的可接受的濕度變化量定義為設備引起的濕度變化和操作引起的濕度變化，并提出實現最小化濕度變化的措施，對以單一產品為主的生產線和品種多樣化的生產線干燥機設計給出了建議。T.Defraeye等[23]對石膏板熱風對流干燥過程進行建模分析，為干燥機的設計提供了參考。

4 結 語

與其他應用領域的干燥技術發展趨勢一樣，降低能耗、提高熱利用效率也是石膏板干燥技術的發展方向。總體來說，國內石膏板干燥機設計水平較高，但是在設備制造精度、電氣控制、殼體保溫等方面較國外的干燥機有差距；而且國內對干燥過程的理論分析研究開展也較少。除了干燥技術本身的發展能促進石膏板干燥過程的節能降耗，其他技術發展也將推動干燥過程的節能降耗。近年來國外石膏板紛紛使用聚羧酸系減水劑降低水膏比，以減少干燥機所需蒸發的水量；保溫技術的發展能減少干燥過程中的熱損失；控制技術越來越精確化也有利于干燥過程降低能耗。

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Status and development trend of plasterboard drying technology

Drying is the most process in plasterboard production,which is closely related to product quality and energy consumption.This paper presents the current status and development trend of plasterboard drying technology at home and aboard.

Plasterboard;Drying technology;Energy consumption;Development trend

TQ177.3

B

1003-8965(2017)04-0029-03