陶瓷干燥技術干燥過程

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，有濕傳導和熱濕傳導兩種形式。

(1)濕傳導：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，又叫濕擴散。

(2)熱濕傳導：使用輻射熱或高溫熱空氣干燥坯體時，由于坯體的導熱性較差，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，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(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。

加熱階段應防止黏土制品表面上凝聚水分，因為這樣會使其強度(結合性)下降，并且產(chǎn)生的應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力，提高制品質量。也可以在相對濕度高的介質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力。干燥過快，坯體容易變形、開裂。恒速干燥階段結束時，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的水蒸氣濃度差、分壓差、溫度差有關，也與坯體表面的空氣速度有關(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，此時坯體的結構、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，坯體與周圍介質達到平衡狀態(tài)。平衡水分的多少與坯體材料性質和周圍介質的溫度和濕度有關，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

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，可先在常溫下預干燥，然后再進一步進行燥。

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、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。

陶瓷干燥技術一般采用熱風烘干技術，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陶瓷微波干燥技術的出現(xiàn)適時的解決了這些問題。

微波干燥技術的原理微波是頻率在300兆赫的電磁波，被加熱介質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，其極性取向將隨著外電場的變化而變化，造成分子的運動和相互摩擦效應。此時微波場的場能轉化為介質內(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。

褐煤干燥技術分六類

（1）轉筒干燥技術——轉筒干燥的核心是一個略帶傾斜并能回轉的圓筒體，筒體的傾斜度可以調節(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)利用的褐煤轉筒干燥裝置主要有直接加熱轉筒干燥器、回轉管式干燥器和蒸汽管間接加熱轉筒干燥器。

（2）帶式干燥技術——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，可以調速，最常用的干燥介質是熱空氣或熱煙氣。

（3）氣流干燥技術——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用；按照干燥介質和操作溫度的不同，氣流干燥可分為直管式和床混式兩種。

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

（5）振動干燥技術——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（如熱煙氣等）的作用下實現(xiàn)干燥過程。褐煤振動干燥設備主要有振動混流干燥器和振動流化床干燥器。轉筒干燥技術中的回轉管干燥技術是工業(yè)中應用最為成熟的褐煤脫水干燥技術。

（6）K-燃料技術 ——最為一項非蒸發(fā)式干燥技術，該項技術利用原煤與蒸汽在提質裝置中直接接觸，通過調節(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，改變煤的孔隙結構及親水性能，提升低階煤的品質。在美國懷俄明州建設有年處理75萬噸的提質工廠。

（7）高溫流化床干燥技術

（a）高溫流化床煤炭干燥技術簡介

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)相關部門對流化床煤炭干燥機的粉塵爆炸進行調查結果顯示：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致的粉塵爆炸。另外，所有設備的開車程序，設備連鎖，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)范而導致的粉塵爆炸。

3. 系統(tǒng)泄爆裝置的設計和安裝。

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）由流化床干燥機側部的溢流口（Discharged Gate）排出；細顆粒（0-1mm）則被熱風帶到除塵器（Dust Collector）分離后由底部關風器（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計要點

由于布風板(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計只要解決布風板及其上部50mm-100mm處的耐高溫設計即可。采用用于航空發(fā)動機的耐高溫材料制作布風板，經(jīng)多年證實，完全可以在1000度以下長時間工作。