屋脊式干燥塔結構設計及研究方向

盧海峰 張小衛

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

屋脊式干燥塔具有熱效率高、 結構簡單、干燥物料適用范圍廣及設計靈活性強等特點。 作為一種較新型干燥設備，目前，對屋脊式干燥塔的研究基本還停留在經驗設計階段，只能通過已投產設備運行情況調整設計思路。 筆者介紹了屋脊式干燥塔的工作原理和結構設計過程，提出了該設備結構的設計思路，并針對其特點，指出了屋脊式干燥塔結構研究的新方向。

1 屋脊式干燥塔結構及工作原理

1.1 屋脊式干燥塔結構

屋脊式干燥塔是由多層類似于屋脊狀的管子錯落布置形成的立式封閉箱體干燥設備。 干燥塔由若干個獨立的干燥段組成，每個干燥段一般由4～8 層屋脊式管子組成，相鄰干燥段之間設有料封段，防止熱介質互竄。 如屋脊式干燥塔結構和氣流走向示意圖（圖1）所示，熱介質與物料為逆流接觸換熱，即熱介質由塔底部進入，然后逐級被過濾加熱后進入下一級，直至走完整個流程后從塔頂部排出，進入后續處理系統。 干燥段內，排布上下錯落相鄰的屋脊式管子，一根為熱介質入口，稱之為進氣管，通過熱介質壓力進入立式箱體內對物料進行干燥， 一根為熱介質出口，稱之為排氣管，在排氣口負壓作用下將攜帶水分的熱介質排出箱體外，經過過濾、再加熱后進入下一個干燥段內循環使用。 熱介質入口端進氣管敞開、排氣管封閉，熱介質出口端排氣管敞開、進氣管封閉，實現了在同一個管箱中熱介質進入和排出的功能。

1.2 屋脊式干燥塔工作原理

屋脊式干燥塔的工作原理是將含有水分的物料從塔入口通過物料均布器均勻分布到塔內部，直至物料充滿整個干燥塔，達到干燥要求后，通過塔底部的密封旋轉卸料閥排出后由氣力輸送送至后續加工單元，此時即形成一個連續的干燥過程，即進入干燥塔的物料和干燥后排出的物料達到平衡狀態，實現連續生產。 加熱介質通過換熱器加熱后由塔底部進入屋脊式干燥管，然后在熱介質的壓力下從管子上的若干個小孔進入被干燥物料內，與物料直接接觸換熱，降溫后的熱介質通過相鄰的屋脊式干燥管上的若干個小孔，在下一級單元抽風機的作用下排出，然后經過過濾、加熱后再循環至下一級，以此類推逐級完成干燥后從塔頂排出。 相鄰每個單元之間設有料封段，防止熱介質互竄造成熱介質偏流。 屋脊式干燥塔底部設有密封旋轉卸料閥，旋轉閥具有變頻調節功能，能夠調整物料干燥停留時間和干燥后的水分，直至滿足要求，屋脊式干燥塔每個單元的料封段設置測溫元件，便于熱介質流量的調節，實現多級干燥后物料水分的要求。

2 屋脊式干燥塔結構設計

2.1 屋脊式干燥塔結構設計原理

通過分析屋脊式干燥塔的結構特點和工作原理可知，合理的結構設計是保證干燥連續性和干燥性能的基礎。

圖1 屋脊式干燥塔結構和氣流走向示意圖

設備應具有高度靈活性，根據物料特性或特殊要求易于設計新設備或改造舊設備；物料自上而下通過重力作用緩慢流動，因此，氣流管路不應阻礙物料下行；由于塔內氣流管道會影響內部物料流動方向， 氣流管道應起到均布物流作用；氣流管路結構設計考慮物料粘性和休止角度，防止物料粘壁或堆積，從而影響干燥效果或物料品質；氣流經進氣管一側進入塔內，進氣管結構設計應保證塔內氣流均勻分布；氣流排氣管應考慮氣體有足夠停留時間的情況下均勻排出塔內，以確保新氣源順暢進入干燥塔。

2.2 屋脊式干燥管結構設計

2.2.1 串聯立式結構設計

屋脊式干燥塔結構由進料段、干燥段和出料段3 個基本模塊組成，進料段和出料段可根據物料特性設計其高度，干燥段可由若干個干燥分段串聯而成。 設計過程中，針對相近的物料特性，可設計結構相同的干燥段，再根據不同的含水量要求確定干燥段段數即可，簡化了設計流程。 若舊設備需要提升干燥性能，也可分段優化干燥段或增加干燥段。

2.2.2 屋脊式氣流管結構設計

屋脊式氣流管截面示意圖如圖2 所示，其三維模型如圖3 所示。 氣流管截面設計類似于三角形屋脊狀而得名，物料自上而下流動沿氣流管頂端滑下，可在改變物料流動方向的同時不阻礙其流動。

圖2 屋脊式氣流管截面示意圖

圖3 屋脊式氣流管截面三維模型

2.2.3 屋脊式氣流管排布方式

屋脊式氣流管采用多層錯落式排布，即首層是進氣管， 通過一定間隔排布在方形塔內， 第2層為排氣管， 相較首層進氣管錯落一定間隔排布。 排布方式如氣流管排布截面圖所示（圖4）。

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截面第1 層為進氣管，按固定間隔在塔內同一平面均勻排布，物料沿屋脊壁面均勻下落至第2 層排氣管， 排氣管按上層兩個進氣管間隔位置錯落布管，管子間隔與進氣管間隔相同，物料沿屋脊壁均勻下落至下一層，按此方式交替布管。

圖4 氣流管排布截面圖

氣流管排布間隔非常重要，既要保證足夠多的氣流管向塔內通入足量的熱介質，又要保證物流的流通性能，因此排布間隔需要根據要求反復核算。 錯落式排布保證上層物料沿屋脊壁流下時可直接流向下層氣流管壁面，多次改變物料向下流動方向，增大物料與熱介質接觸面積與接觸幾率。

2.2.4 屋脊角度設計

屋脊式氣流管的屋脊角度直接影響氣流管尺寸和塔內氣流管數量， 按目前的設計經驗，屋脊最佳角度一般為40～60°。 若角度過小，不僅氣流管尺寸會增大，而且根據物料沿屋脊壁流動特性，塔內需設置更多的氣流管，這樣勢必會影響塔體內容積和物料的流動性能； 若角度過大，不僅使塔內氣流管數量過少，直接影響熱介質進入和排出的效率，而且物料極易發生堆積和粘壁效應。

2.2.5 屋脊式進、排氣方式設計

屋脊式排氣管采用排氣端敞開、進氣端封閉結構設計方式， 排氣管底部為三角排布的小圓孔，參與完熱交換的熱介質通過底面小圓孔均勻流出。

根據圖5 分析屋脊塔內氣流流動方向，可知氣體排出方式對氣流均勻分布影響較大，通過對排氣管結構分析，對氣流分布影響最大的因素是排氣孔開孔率，目前經驗值一般為35%左右。

圖5 屋脊塔內氣流流動方向

2.3 屋脊式干燥塔結構優勢

通過分析屋脊式干燥塔結構設計，相比槳葉式干燥機、滾筒式干燥機、流化床干燥器、轉鼓干燥機等其他干燥設備，屋脊式干燥塔具有以下優點：

a. 直接接觸式干燥方式，蒸發水分被熱介質直接帶走， 干燥效率較高的同時熱損耗較低，非常適合含水量要求極低的干燥工況；

b. 由于依靠重力輸送物料且內部錯落排布屋脊式氣流管，物料不易粘壁、堆積和碎化，同時氣流管還具有一定均布物料的作用，物料干燥后含水量均一度較好，此種結構尤其適合干燥絮片狀濕物料；

c. 停留時間可通過下料旋轉閥控制，操作簡單，可根據塔底物料含水量與干燥要求含水量差值自動反饋調節閥門開度，確保成本含水量處于合格范圍以內；

d. 整體設備由進料段、干燥段和出料段串聯而成，設備可根據物料特性、干燥水分要求及停留時間等參數定制其串聯數量，可定制化程度高的同時大幅度降低設計周期；

e. 設備整體采用靜密封方式， 密封性能極佳，干燥器內氧含量極低，尤其適用于對氧含量敏感性高的材料；

f. 能耗和維護成本低廉，經濟性能優。

3 屋脊式干燥塔研究方向

屋脊式干燥塔作為熱介質與物料直接接觸式靜密封干燥結構，相較傳動干燥設備，具有諸多優勢。 目前來看，可從以下幾點研究方向入手，推動該設備的市場應用：

a. 根據物料性質， 研究最佳屋脊角度和間距；

b. 利用數值模擬方法優化屋脊式氣流管結構，如模擬排氣管最佳開孔率、優化排氣管結構設計及優化排氣管開孔方向等；

c. 根據干燥要求， 量化產品規格和串聯量，使之成為非標設備中的系列化產品。

4 結束語

屋脊式干燥塔作為一種新型干燥設備，可針對其設備特點，進行結構優化或改進以增進其競爭優勢，通過數值模擬和試驗配合方式解鎖多種物料的干燥分析數據，針對不同的物料，建立一整套標準化產品，降低成本的同時提升干燥效率和物料品質才能擴大其應用范圍。