新型埋管流化床硫酸铵干燥特性研究.pdf

技 术 讨 论新型埋管流化床硫酸铵干燥特性研究宗利国(上海市安装工程集团有限公司设计研究院,上海 2 0 0 0 8 0)摘要:通过试验研究新型埋管流化床的干燥特性,考察了硫酸铵干燥过程的流化风速、进风温度、进料速度对埋管流化床干燥性能的影响,得到了该新型埋管流化床干燥硫酸铵的平均热效率为8 1.1 7%,平均干燥强度为1 4 0 k g(H2O)/m2h,硫酸铵的最佳流化速度1.2 m/s,进风温度1 5 0。开发的内置换热器的埋管流化床高效干燥技术解决了传统硫酸铵干燥工艺中存在众多问题,为硫酸铵企业的干燥生产提供了有利的操作依据,并在一定程度上推动整个硫酸铵行业的发展。关键词:硫酸铵;埋管流化床;干燥;热效率;传热系数 中图分类号:T Q 0 5 1.8 9 2 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 5-8 3 7 0(2 0 2 3)0 3-0 9-0 4 硫酸铵在常温下呈白色结晶粉末状,水溶液显酸性,具有吸潮、吸湿易结块的特点。因其丰富的氮、硫元素成为多元复合肥的高效配合肥料,能促进各种作物对微量元素的吸收,改善作物的品质,具有良好的市场前景1。硫铵除了作为铵态氮肥,其在医药、食品、制酒、纺织、矿石浮选、稀土元素回收、蓄电池生产等行业也有重要应用,如用作酶的发酵氮源、用作 酵母菌生产 鲜酵母、用作 染料印染助 剂等2。硫酸铵在工业和农业等领域中具有广泛的应用,国内硫酸铵的产量也逐年增加。在己内酰胺以及钢铁焦炉气的生产过程中产生的废料经进一步处理可以得到副产品硫酸铵,这也是国内硫酸铵的主要来源。硫酸铵产品的含水质量分数在国家标准(G B 5 3 5-1 9 9 5)中 有 严 格 的 要 求,优 等 品 为0.2%,可见硫酸铵的干燥工艺十分重要。干燥单元是硫酸铵生产过程的最后工序,产品品质、干燥热效率及能耗都是这一过程要考虑的重要因素,也是企业市场竞争能力和经济效益的核心问题。目前,在硫酸铵工业生产中,其干燥过程所采用的工艺有转筒干燥、气流干燥、振动床干燥、喷雾干燥、流化 床干燥等,使 用较多的为 流化床干燥 工艺3。但因硫酸铵的干燥特性,在干燥过程中也存在如下问题:1)干燥所需气量大,尾气含尘量高,能耗损失大。2)硫酸铵干燥的布风板为一般的直孔或风帽式,干燥过程形成的大块物料无法排出流化床外,随着堆积越来越多,最后发生“坐床”。3)硫酸铵本身有粘壁、结块以及熔化分解的特点,如果粘结于换热管或布风板上,会影响换热器的传热效果及流化床流化效果。4)运行周期短,一般在2 0天以内,且离心机工况的波动,会对干燥系统的稳定运行产生影响,多数干燥系统一周需要清床一次,清床时工人劳动强度极大。本文利用新型埋管流化床研究了硫酸铵的干燥特性,考察了流化风速、进风温度、进料速度对埋管流化床干燥性能的影响,得到了该新型埋管流化床的平均热效率、平均干燥强度以及最佳流化风速和进风温度,开发的内置换热器的埋管流化床高效干燥技术解决了传统硫酸铵干燥工艺中存在众多问题,为硫酸铵企业的干燥生产提供了有利的操作依据,并在一定程度上推动整个硫酸铵行业的发展。1 硫酸铵埋管流化床干燥特性研究1.1 埋管流化床简介埋管流化床是将热交换器置于普通流化床流化段中,换热器及流化风的热量均可用于物料脱水,使物料与加热介质传热更充分,提高设备的干燥效率92 0 2 3年第3期 宗利国:新型埋管流化床硫酸铵干燥特性研究和干燥强度,是一种高效节能的干燥设备。埋管流化床的主体采用不锈钢制成,床层的截面为1 0 0 0 mm3 0 0 mm,溢流板高度为6 0 0 mm。系统的鼓风机和引风机电源均采用变频器精准调控系统风量及操作压力。内置换热器选择使用水平蛇行管错排结构,加热介质为饱和蒸汽。设备特点:1)节能效果明显,系统内换热管直接给硫酸铵的干燥和冷却提供热量和冷量,和普通流化床相比系统热能可节约3 0%4 0%。2)热效率高,硫酸铵在流化过程中与换热管冲刷碰撞,气固两相流与换热器管壁的热阻降低,提高了传热系数。3)采用机械返料预混技术,降低了进入预混器的物料水分的不均匀性对干燥系统的影响,同时在预混器中加设打散装置,通过机械作用,进一步提高物料松散度,系统操作的连续性优于其它工艺。4)采用了新型压条式布风板,结构压力分配更均匀,利于大块物料的排出,设备不宜“坐床”,操作周期大大延长。1.2 影响埋管流化床热效率的主要因素埋管流化床的具体操作和设备结构均能对传热效果产生一定的影响4。其中主要影响因素为:流化床的流化风速、进风温度、进料速度、进料的含水量、内置换热器的安装位置、内加热器的结构等。本文试验主要研究前三种因素的影响。1.3 工艺流程首先,将需要干燥的硫酸铵物料(初始含水量在2%)输送至预混器,干燥的硫酸铵产品也由返料装置输送至预混器;干湿硫酸铵在预混器内充分混拌后输送进入埋管流化床。硫酸铵与流化风充分接触,使硫酸铵在流化风中悬浮形成流化状态;管式换热器位于换热器流化段,与流化的硫酸铵充分接触,换热管和流化风为硫酸铵脱水提供热量。干燥后的硫酸铵输送到干燥机的冷却端进行冷却,冷却方式包括冷却空气及通有冷却水的管式换热器,干燥后的终产品由出料口排出。干燥过程产生的含尘气体依次经过旋风除尘器和湿式除尘器进行净化除尘,然后由引风机排入大气中。1.4 试验方法热效率和干燥强度q是埋管流化床干燥性能的重要指标5。有效热量与输入总热量的比值是热图1 埋管流化床工艺流程图效率,脱水量与流化段截面积的比值是干燥强度。即:=WH+G2C p2(2-1)/(LCa(t2-t1)+G1C p11+Mrs)(1)q=W/A式中:热效率,%;W 脱水量,k g/h;H 物料中水分的气化潜热,k c a l/k g;G1、G2 加入、排出物料量,k g/h;C p1、C p2 加入、排出物料的比热,k c a l/k g;1、2 加入、排出物料的温度,;L 流化空气质量流量,k g/h;Ca 空气比热,k c a l/k g;t1、t2 气体进入、排出流化床的温度,;M 蒸汽冷凝水量,k g/h;rs 蒸汽冷凝热,k c a l/k g;q 干燥机面积干燥强度,k g(H2O)/m2h;A 干燥机流化段截面积,m2。传热系数的计算公式如下:=Q/S(tw-tf)(2)式中:传热系数,k J/m2;Q 内加热管束输入热量,k J/h;tw 内加热管管壁温度,;tf 床层温度,;S 内加热管束的外表面积,m2。2 流化风速对硫酸铵干燥的影响试验2.1 试验步骤开启埋管流化床的鼓风机和引风机,并根据试验要求设置风机频率,使系统保持微负压并开启加01纯 碱 工 业热系统。待温度升至试验要求后,利用进料绞龙进行硫酸铵加料,然后调节试验装置,使硫酸铵在埋管流化床内状态正常。控制其他操作参数不变,改变流化风速,在系统稳定时记录数据,并重复试验得到多组试验数据。2.2 结果分析图2为操作气速对换热系数与干燥效率的影响曲线图。换热系数曲线呈先上升又略微下降的趋势,随着操作气速的增加而增加,达到峰值;继续增大流化风速时,换热系数下降。根据两相流传热的流体膜理论,流化速度越大,硫酸铵颗粒的运动速度越大,传热系数越高。但是,流化速度越大,硫酸铵床层的膨胀系数越大,即床层密度越小,传热系数越小。对于传热而言,存在最佳的流化速度,使内置换热器与两相流之间的传热系数最大。就热效率而言,随着流化速度的提高,尾气带走的热量也随之增大,热效率应有所降低,随着操作气速的加大,热效率随之下降。最佳流化速度的确定是新型埋管流化床设计的关键。如图3所示,随着操作气速的加大,尾气含尘量也会随之增大,超过1.2 m/s以后,尾气含尘量的增长速率明显加快,且超过1 0 m g/m3。图2 气速对换热系数与干燥效率的影响3 进风温度对硫酸铵干燥的影响试验3.1 试验步骤 开启埋管流化床的鼓风机和引风机,并根据试验要求设置风机频率,使系统保持微负压并开启加图3 气速对尾气含尘量的影响热系统。待温度升至试验要求后,利用进料绞龙进行硫酸铵加料,然后调节试验装置,使硫酸铵在埋管流化床内状态正常。控制其他操作参数不变,调节进风电加热器的输入功率进而改变进风温度,在系统稳定时记录数据,并重复试验得到多组试验数据。3.2 结果分析 进风温度的升高对埋管流化床内加热管及两相流间的换热系数有一定影响。如图4曲线所示,随着进风温度升高至1 5 0,换热系数缓慢增大,越过1 5 0,换热系数又呈下降趋势。进风温度对硫酸铵干燥速率影响较小,在进风温度升至1 6 0 过程中干燥效率曲线相对平缓,但温度高于1 6 0 后曲线有下降趋势,干燥效率开始降低。图4 温度对换热系数与干燥效率的影响112 0 2 3年第3期 宗利国:新型埋管流化床硫酸铵干燥特性研究4 进料速度对硫酸铵干燥的影响试验4.1 试验步骤 开启埋管流化床的鼓风机和引风机,并根据试验要求设置风机频率,使系统保持微负压并开启加热系统。待温度升至试验要求后,利用进料绞龙进行硫酸铵加料,然后调节试验装置,使硫酸铵在埋管流化床内状态正常。控制其他操作参数不变,调节进料绞龙转速进而改变加料速度,在系统稳定时记录数据,并重复试验得到多组试验数据。4.2 结果分析 如图5、图6所示,干燥效率和换热系数曲线随进料速度的增加均呈上升趋势。进料速度增大会使流化床内物料的平均含水量增大,平均温度会降低,有利于传热。试验结果与理论分析是一致的。但进料的速度也会对物料的终水分和流化质量产生影响,因此,要控制加料速度保证产品终水分合格和正常的流化状态。图5 进料速度对换热系数的影响图6 进料速度对干燥效率的影响5 试验总结本文通过试验研究了影响埋管流化床热效率的主要因素流化速度、进风温度、进料速度等,利用经验公式计算出传热系数,可以满足工程计算的精度要求。通过硫酸铵物料(初始含水量在2%)在该装置上进行多个工况的稳定试验,经过分析试验数据得到以下结论:新型埋管流化床干燥硫酸铵的平均热效率为8 1.1 7%,平均干燥强度为1 4 0 k g(H2O)/(m2h),硫酸铵的最佳流化速度1.2 m/s,进风温度1 5 0,这些基础数据可以为企业的工业化生产提供最基本的参考依据。参考文献1 刘越,张乃于,曹梦瑶,等.硫酸铵与腐植酸及改性腐植酸配施对 氨挥 发的 影 响J.中 国土 壤与 肥 料,2 0 2 2(0 5):1 5 8-1 6 5.2 李亚仙,刘宝,葛娟,等.浅谈硫酸铵废水的蒸发结晶工艺J.甘肃科技,2 0 1 6,3 2(1 1):6 3-6 4.3 史元芝,倪春林,刘峰,等.浅谈氨法脱硫中硫酸铵的干燥工艺J.电力环境保护,2 0 0 9,2 5(0 6):2 5-2 6.4 苗帅.己二酸埋管流化床干燥工艺研究与开发D.天津大学,2 0 0 8.5 尤长升,梁国林,陈际显,等.埋管流化床干燥机在多聚甲醛干燥中的应用J.化工装备技术,2 0 1 4,3 5(0 3):2 4-2 6.收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 521纯 碱 工 业