陶瓷干燥技術(shù)

工業(yè)上，陶瓷的生產(chǎn)有不同的工藝，坯料與坯體的干燥是陶瓷工業(yè)中重要的工藝過程之一。在坯料(砂石、黏土)及釉料的制備過程中，一般需要對泥漿進行壓濾脫水或噴霧干燥，使其達到一定的含水率。一般地，注漿成型法，坯料含水率為28%～38%；可塑成型法，坯料含水率為19%～25%；壓制成型法，坯料含水率為3%～7%。坯體中含有一定量的水分，其強度較低，在運輸和再加工(如黏結(jié)、修坯)過程中，很容易變形或因強度不高而破損，因而為了提高成型后坯體的強度，要進行干燥。通過干燥處理，坯體失去可塑性，具有一定的彈性與強度。另一方面，坯體中含水率高，其吸附釉漿的能力差，所以為了提高坯體吸附釉層能力，其含水率應(yīng)達到一定的程度(比如對于日用陶瓷，施釉時坯體需要干燥至含水率2%～4%)。此外，經(jīng)干燥除去坯體中絕大多數(shù)的自由水之后，坯體很少發(fā)生收縮，從而使坯體在燒成階段可以快速升溫，而不發(fā)生制品變形或開裂，既保證了燒成質(zhì)量又可以縮短燒成周期，最終提高窯爐利用率，降低能耗。通常坯體入窯前的含水率應(yīng)干燥至2%以下。但過分干燥，也是不必要的，因為當坯體放置在大氣中時，會再吸附水分而膨 圖23—3坯體強度與含水率及干燥溫度的關(guān)系脹，也可能發(fā)生開裂。不過，日用陶瓷坯體的干燥是與整個成型過程相聯(lián)的，應(yīng)根據(jù)各工序操作的工藝需求來確定排除多少水分。例如，許多陶瓷制品在成型后要進行濕修、鑲接或干修，它們都有自己合適的坯體含水量，因此，成型后的坯體的水分不能一次干燥到1%～3%，而要根據(jù)成型中各加工工序的要求，分階段地進行干燥，最后干燥到適合進窯的最終含水率。

水分擴散

干燥過程中，水分擴散是靠外擴散和內(nèi)擴散來進行的。外擴散指坯體表面的水分以蒸汽形式從表面擴散到周圍介質(zhì)中的過程；內(nèi)擴散則是水分在坯體內(nèi)部進行移動的過程，內(nèi)擴散根據(jù)水分移動的推動力不同，有濕傳導(dǎo)和熱濕傳導(dǎo)兩種形式。

(1)濕傳導(dǎo)：坯體在干燥過程中，由于表面水分的蒸發(fā)，在其表面與內(nèi)部之間形成了水分濃度差，因此在坯體厚度的方向上有一個水分濃度梯度，由此引起水分的移動。水分從坯體內(nèi)部移動到表面，主要是靠擴散滲透和毛細管力的作用來進行的。因為水分的擴散及移動速度與水分濃度梯度成比例，所以這種現(xiàn)象稱為濕傳導(dǎo)，又叫濕擴散。

(2)熱濕傳導(dǎo)：使用輻射熱或高溫熱空氣干燥坯體時，由于坯體的導(dǎo)熱性較差，或者由于坯體表面水分蒸發(fā)時需要吸收大量的熱量，往往造成坯體的內(nèi)、外溫度不同，在坯體的厚度方向上產(chǎn)生溫度梯度，由于坯體內(nèi)的溫度梯度而引起水分移動的現(xiàn)象稱熱濕傳導(dǎo)，也叫熱擴散。產(chǎn)生熱擴散的原因可由毛細管現(xiàn)象來解釋。水的表面張力是隨溫度的增加而減小的，毛細管兩端存在溫差，導(dǎo)致兩端的表面張力不同，從而產(chǎn)生水分移動，由表面張力較小處向表面張力較大處移動，即由熱端向冷端移動。因此熱擴散的方向與熱流的方向是一致的。

干燥特性

(1)加熱階段：坯體置于干燥介質(zhì)(熱空氣)中，坯體表面被加熱，水分蒸發(fā)速度很快地增大。但由于該階段時間很短，除去的水量不多。

加熱階段應(yīng)防止黏土制品表面上凝聚水分，因為這樣會使其強度(結(jié)合性)下降，并且產(chǎn)生的應(yīng)力可能使制品中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。最有效的加熱方法是制品在成型以前用蒸汽加熱黏土坯料，這不但可以縮短干燥時間，還可降低坯體中的應(yīng)力，提高制品質(zhì)量。也可以在相對濕度高的介質(zhì)中利用紅外線輻射來加熱制品。

(2)恒速干燥階段：當坯體內(nèi)部水分移動速度(內(nèi)擴散速度)等于表面水分蒸發(fā)速度(亦等于外擴散速度)，坯體表面維持濕潤狀態(tài)。干燥介質(zhì)傳給坯體表面的熱量等于水分汽化所需的熱量，坯體表面溫度不變，等于介質(zhì)的濕球溫度。此時，干燥速度穩(wěn)定，故稱恒速干燥階段。在這一階段，是自由水(非結(jié)合水)進行蒸發(fā)，坯體會產(chǎn)生體積收縮，并往往產(chǎn)生能使坯體成為廢品的收縮應(yīng)力。干燥過快，坯體容易變形、開裂。恒速干燥階段結(jié)束時，物料水分降低到臨界值。此時盡管物料內(nèi)部可能仍有自由水，但在表層內(nèi)已為結(jié)合水。到達臨界點后，表層停止收縮，再繼續(xù)干燥時僅增加坯體內(nèi)的孔隙，因此恒速干燥階段是干燥的重要階段。

干燥速度(蒸發(fā)速度)與坯體表面和周圍介質(zhì)的水蒸氣濃度差、分壓差、溫度差有關(guān)，也與坯體表面的空氣速度有關(guān)(增大坯體表面的氣流速度可以使氣膜阻力下降)。

(3)降速干燥階段：進入降速干燥階段，坯體含水率減少，內(nèi)擴散速度小于表面水分蒸發(fā)速度及外擴散速度，表面不再維持濕潤狀態(tài)，干燥速率逐漸降低。此階段，物料溫度開始逐漸升高，由于是排出結(jié)合水，坯體不產(chǎn)生體積收縮(有時略有收縮)，不會產(chǎn)生干燥廢品。降速階段的干燥速度，取決于內(nèi)擴散速率，故又稱內(nèi)擴散控制階段，此時坯體的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等因素影響著干燥速率。

(4)平衡階段：當坯體干燥到表面水分達到平衡水分時，干燥速度降為零。此時，坯體與周圍介質(zhì)達到平衡狀態(tài)。平衡水分的多少與坯體材料性質(zhì)和周圍介質(zhì)的溫度和濕度有關(guān)，用吸附等溫線表示。

干燥收縮及缺陷

未經(jīng)干燥的濕坯體內(nèi)固體顆粒被水膜所分隔。在干燥過程中，隨著自由水的排除，顆粒逐漸靠攏，從而坯體發(fā)生收縮，收縮量大約等于排除的自由水的體積。Hasatani等指出，收縮量并不總是等于所除去的自由水的體積，它與溫度也有關(guān)系。當水膜厚度減薄到臨界狀態(tài)一坯體中各顆粒達到相互接觸的程度，內(nèi)擴散阻力增大，干燥速度及收縮速度發(fā)生顯著變化，收縮基本結(jié)束。若干燥繼續(xù)進行，坯體中相互比鄰的各顆粒間的孔隙水開始排出，此時固體顆粒不再有顯著的靠近，收縮很小，孔隙逐漸被空氣所占據(jù)，最后坯體孔隙中的水分被干燥到只剩下平衡水。 2100433B

陶瓷干燥技術(shù)一般采用熱風(fēng)烘干技術(shù)，能源來源方式有天然氣燃燒，煤炭燃燒及電爐等三種方式，但是其干燥周期長而致資金周轉(zhuǎn)慢，均勻性稍差，并且陶瓷干燥窯爐占地面積大，能耗較大。SYNOTHERM陶瓷微波干燥技術(shù)的出現(xiàn)適時的解決了這些問題。

微波干燥技術(shù)的原理微波是頻率在300兆赫的電磁波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻電磁場作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化，造成分子的運動和相互摩擦效應(yīng)。此時微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化和膨化等一系列物化過程而達到微波加熱干燥的目的。

按泥料的不同含水量，可分為等速干燥和降速干燥兩個階段。以可塑成型壞體為例，此種坯體含水分高，其固體物料量相對較少，水分充填于坯體的固體顆粒之間，表面水分均布，干燥時表面水分蒸發(fā)。固體顆粒間水分逐步排除而相互靠攏。整個坯體產(chǎn)生收縮。這時，當周圍溫度、濕度等環(huán)境條件不變時，水分以近于相等的速度排除。這一階段為等速干燥階段。當坯體進一步干燥，顆粒逐步相互靠攏貼緊。此時水分連續(xù)體不復(fù)存在，水分僅存在于顆粒間的空隙。干燥所排除的水分已不再來自坯體水分的連續(xù)體，而必須經(jīng)由坯體內(nèi)的通道擴散至表面再蒸發(fā)排出。隨著坯體水分的減少，干燥速度逐漸下降，由于顆粒已經(jīng)靠攏、坯體不再收縮。這一階段為降速干燥階段。半干和干法成型坯體含水分少。沒有等速于燥階段，坯體干燥收縮少，非大型或特異型制品不致因坯體收縮而產(chǎn)生廢品，干燥控制比較容易。干燥過程中，為防止產(chǎn)生廢品，可先在常溫下預(yù)干燥，然后再進一步進行燥。

褐煤干燥技術(shù)分六類

（1）轉(zhuǎn)筒干燥技術(shù)——轉(zhuǎn)筒干燥的核心是一個略帶傾斜并能回轉(zhuǎn)的圓筒體，筒體的傾斜度可以調(diào)節(jié)，范圍一般為2°~10°；按照濕物料和熱載體的接觸方式，工業(yè)中開發(fā)利用的褐煤轉(zhuǎn)筒干燥裝置主要有直接加熱轉(zhuǎn)筒干燥器、回轉(zhuǎn)管式干燥器和蒸汽管間接加熱轉(zhuǎn)筒干燥器。

（2）帶式干燥技術(shù)——褐煤由進料端經(jīng)加料裝置被均勻分布到輸送帶上，輸送帶通常用穿孔的不銹鋼薄板制成，由電機經(jīng)變速箱帶動，可以調(diào)速，最常用的干燥介質(zhì)是熱空氣或熱煙氣。

（3）氣流干燥技術(shù)——氣流干燥也稱為“瞬間干燥”，是流態(tài)化稀相輸送在干燥方面的應(yīng)用；按照干燥介質(zhì)和操作溫度的不同，氣流干燥可分為直管式和床混式兩種。

（4）流化床干燥技術(shù)——工業(yè)上開發(fā)應(yīng)用的褐煤流化床干燥設(shè)備主要是以過熱蒸汽或空氣作為流化介質(zhì)(或干燥介質(zhì))，并且流化床內(nèi)部帶有換熱器；褐煤流化床干燥技術(shù)主要包括過熱蒸汽流化床干燥技術(shù)和蒸汽-空氣聯(lián)合干燥技術(shù)。

（5）振動干燥技術(shù)——振動干燥是利用機械振動實現(xiàn)固體顆粒在干燥器中流動，并同時在干燥介質(zhì)（如熱煙氣等）的作用下實現(xiàn)干燥過程。褐煤振動干燥設(shè)備主要有振動混流干燥器和振動流化床干燥器。轉(zhuǎn)筒干燥技術(shù)中的回轉(zhuǎn)管干燥技術(shù)是工業(yè)中應(yīng)用最為成熟的褐煤脫水干燥技術(shù)。

（6）K-燃料技術(shù) ——最為一項非蒸發(fā)式干燥技術(shù)，該項技術(shù)利用原煤與蒸汽在提質(zhì)裝置中直接接觸，通過調(diào)節(jié)時間、溫度和壓力三個要素，將原煤中的水分以液態(tài)水的方式脫除，在“擠”出煤中水分的同時，改變煤的孔隙結(jié)構(gòu)及親水性能，提升低階煤的品質(zhì)。在美國懷俄明州建設(shè)有年處理75萬噸的提質(zhì)工廠。

（7）高溫流化床干燥技術(shù)

（a）高溫流化床煤炭干燥技術(shù)簡介

流化床干燥用于煤炭干燥始于1955年前后，在其后逐漸成為煤炭干燥的首選干燥機。1958年全美有6臺轉(zhuǎn)筒干燥機，64臺振動流化床干燥機，44臺氣流干燥機，6臺振動流化床干燥機用于煤炭干燥，到了1961年，則有11臺轉(zhuǎn)筒干燥機，66臺振動流化床干燥機，40臺氣流干燥機，23臺振動流化床干燥機用于煤炭干燥。截止到1980年，總共有170余臺流化床干燥機用于煤炭干燥。其中一些干燥機運行時間已超過30年。主要是由于流化床干燥機用于煤炭干燥具有以下優(yōu)勢：

1. 可以采用高溫進氣，最高可達950度；

2. 由于采用高溫進氣，因此設(shè)備緊湊，投資低，能耗低；

3. 單機產(chǎn)量大：已投產(chǎn)的最大水份蒸發(fā)量可達150噸/時（流化面積為33平米，根據(jù)需要可達100平米）；

4. 可以直接干燥寬篩分物料：0-2"(0-50mm);

5. 可以實現(xiàn)粗細顆粒干燥和分離。

(b)煤炭干燥的爆炸問題

眾所周知，煤粉的Kst大約為80，屬于輕微但有破壞性爆炸的粉塵。煤粉的爆炸問題是煤炭干燥首先要解決的安全問題。

褐煤干燥技術(shù)防爆措施

1. 由于粉塵爆炸的三角形（褐煤更容易爆炸，其氧氣濃度：7-8%）為：1），溫度：600度；2），氧氣濃度：11%；3），粉塵濃度：80g/m3。所以在設(shè)計和運行中至少必須去除粉塵爆炸的三角形中的一個邊。

2. 根據(jù)相關(guān)部門對流化床煤炭干燥機的粉塵爆炸進行調(diào)查結(jié)果顯示：60%左右的爆炸是由于人為操作不當所致；40%左右的爆炸是由于錯誤的操作規(guī)范所致。因此流化床煤炭干燥機的全自動控制可以避免為操作不當而導(dǎo)致的粉塵爆炸。另外，所有設(shè)備的開車程序，設(shè)備連鎖，緊急停車程序，干燥工藝的HAZOP分析，重要儀表都必須仔細地，嚴格地，定期地進行檢查，以徹底杜絕因錯誤的操作規(guī)范而導(dǎo)致的粉塵爆炸。

3. 系統(tǒng)泄爆裝置的設(shè)計和安裝。

根據(jù)實際運行經(jīng)驗，流化床煤炭干燥的爆炸問題是可以完全得到徹底地解決。

（c）工藝流程

待干燥的煤炭（0-50mm）加入料斗（Wet Coal Bin）, 通過加料器（Feeder）進入流化床干燥機的內(nèi)部（即布風(fēng)板(Bed Plate)的上部），在其中被來自燃燒室的高溫煙氣（500-1000度）所加熱干燥：粗顆粒（0.5-50mm）由流化床干燥機側(cè)部的溢流口（Discharged Gate）排出；細顆粒（0-1mm）則被熱風(fēng)帶到除塵器（Dust Collector）分離后由底部關(guān)風(fēng)器（Rotary Discharge）排出；尾氣經(jīng)由布袋除塵器或濕式除塵器（Scrubber）進一步除塵后排出。

(d) 高溫流化床干燥機的設(shè)計要點

由于布風(fēng)板(Bed Plate)的下部（燃燒室及管道系統(tǒng)）為內(nèi)襯耐火水泥，其工作溫度可達1200度以上；而布風(fēng)板(Bed Plate)的上部（大約50mm），即干燥室的內(nèi)部溫度大約為尾氣出口溫度（60-100度），高溫流化床干燥機的設(shè)計只要解決布風(fēng)板及其上部50mm-100mm處的耐高溫設(shè)計即可。采用用于航空發(fā)動機的耐高溫材料制作布風(fēng)板，經(jīng)多年證實，完全可以在1000度以下長時間工作。