屋脊式干燥塔结构设计及研究方向

卢海峰 张小卫

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

屋脊式干燥塔具有热效率高、 结构简单、干燥物料适用范围广及设计灵活性强等特点。 作为一种较新型干燥设备，目前，对屋脊式干燥塔的研究基本还停留在经验设计阶段，只能通过已投产设备运行情况调整设计思路。 笔者介绍了屋脊式干燥塔的工作原理和结构设计过程，提出了该设备结构的设计思路，并针对其特点，指出了屋脊式干燥塔结构研究的新方向。

1 屋脊式干燥塔结构及工作原理

1.1 屋脊式干燥塔结构

屋脊式干燥塔是由多层类似于屋脊状的管子错落布置形成的立式封闭箱体干燥设备。 干燥塔由若干个独立的干燥段组成，每个干燥段一般由4～8 层屋脊式管子组成，相邻干燥段之间设有料封段，防止热介质互窜。 如屋脊式干燥塔结构和气流走向示意图（图1）所示，热介质与物料为逆流接触换热，即热介质由塔底部进入，然后逐级被过滤加热后进入下一级，直至走完整个流程后从塔顶部排出，进入后续处理系统。 干燥段内，排布上下错落相邻的屋脊式管子，一根为热介质入口，称之为进气管，通过热介质压力进入立式箱体内对物料进行干燥， 一根为热介质出口，称之为排气管，在排气口负压作用下将携带水分的热介质排出箱体外，经过过滤、再加热后进入下一个干燥段内循环使用。 热介质入口端进气管敞开、排气管封闭，热介质出口端排气管敞开、进气管封闭，实现了在同一个管箱中热介质进入和排出的功能。

1.2 屋脊式干燥塔工作原理

屋脊式干燥塔的工作原理是将含有水分的物料从塔入口通过物料均布器均匀分布到塔内部，直至物料充满整个干燥塔，达到干燥要求后，通过塔底部的密封旋转卸料阀排出后由气力输送送至后续加工单元，此时即形成一个连续的干燥过程，即进入干燥塔的物料和干燥后排出的物料达到平衡状态，实现连续生产。 加热介质通过换热器加热后由塔底部进入屋脊式干燥管，然后在热介质的压力下从管子上的若干个小孔进入被干燥物料内，与物料直接接触换热，降温后的热介质通过相邻的屋脊式干燥管上的若干个小孔，在下一级单元抽风机的作用下排出，然后经过过滤、加热后再循环至下一级，以此类推逐级完成干燥后从塔顶排出。 相邻每个单元之间设有料封段，防止热介质互窜造成热介质偏流。 屋脊式干燥塔底部设有密封旋转卸料阀，旋转阀具有变频调节功能，能够调整物料干燥停留时间和干燥后的水分，直至满足要求，屋脊式干燥塔每个单元的料封段设置测温元件，便于热介质流量的调节，实现多级干燥后物料水分的要求。

2 屋脊式干燥塔结构设计

2.1 屋脊式干燥塔结构设计原理

通过分析屋脊式干燥塔的结构特点和工作原理可知，合理的结构设计是保证干燥连续性和干燥性能的基础。

图1 屋脊式干燥塔结构和气流走向示意图

设备应具有高度灵活性，根据物料特性或特殊要求易于设计新设备或改造旧设备；物料自上而下通过重力作用缓慢流动，因此，气流管路不应阻碍物料下行；由于塔内气流管道会影响内部物料流动方向， 气流管道应起到均布物流作用；气流管路结构设计考虑物料粘性和休止角度，防止物料粘壁或堆积，从而影响干燥效果或物料品质；气流经进气管一侧进入塔内，进气管结构设计应保证塔内气流均匀分布；气流排气管应考虑气体有足够停留时间的情况下均匀排出塔内，以确保新气源顺畅进入干燥塔。

2.2 屋脊式干燥管结构设计

2.2.1 串联立式结构设计

屋脊式干燥塔结构由进料段、干燥段和出料段3 个基本模块组成，进料段和出料段可根据物料特性设计其高度，干燥段可由若干个干燥分段串联而成。 设计过程中，针对相近的物料特性，可设计结构相同的干燥段，再根据不同的含水量要求确定干燥段段数即可，简化了设计流程。 若旧设备需要提升干燥性能，也可分段优化干燥段或增加干燥段。

2.2.2 屋脊式气流管结构设计

屋脊式气流管截面示意图如图2 所示，其三维模型如图3 所示。 气流管截面设计类似于三角形屋脊状而得名，物料自上而下流动沿气流管顶端滑下，可在改变物料流动方向的同时不阻碍其流动。

图2 屋脊式气流管截面示意图

图3 屋脊式气流管截面三维模型

2.2.3 屋脊式气流管排布方式

屋脊式气流管采用多层错落式排布，即首层是进气管， 通过一定间隔排布在方形塔内， 第2层为排气管， 相较首层进气管错落一定间隔排布。 排布方式如气流管排布截面图所示（图4）。

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截面第1 层为进气管，按固定间隔在塔内同一平面均匀排布，物料沿屋脊壁面均匀下落至第2 层排气管， 排气管按上层两个进气管间隔位置错落布管，管子间隔与进气管间隔相同，物料沿屋脊壁均匀下落至下一层，按此方式交替布管。

图4 气流管排布截面图

气流管排布间隔非常重要，既要保证足够多的气流管向塔内通入足量的热介质，又要保证物流的流通性能，因此排布间隔需要根据要求反复核算。 错落式排布保证上层物料沿屋脊壁流下时可直接流向下层气流管壁面，多次改变物料向下流动方向，增大物料与热介质接触面积与接触几率。

2.2.4 屋脊角度设计

屋脊式气流管的屋脊角度直接影响气流管尺寸和塔内气流管数量， 按目前的设计经验，屋脊最佳角度一般为40～60°。 若角度过小，不仅气流管尺寸会增大，而且根据物料沿屋脊壁流动特性，塔内需设置更多的气流管，这样势必会影响塔体内容积和物料的流动性能； 若角度过大，不仅使塔内气流管数量过少，直接影响热介质进入和排出的效率，而且物料极易发生堆积和粘壁效应。

2.2.5 屋脊式进、排气方式设计

屋脊式排气管采用排气端敞开、进气端封闭结构设计方式， 排气管底部为三角排布的小圆孔，参与完热交换的热介质通过底面小圆孔均匀流出。

根据图5 分析屋脊塔内气流流动方向，可知气体排出方式对气流均匀分布影响较大，通过对排气管结构分析，对气流分布影响最大的因素是排气孔开孔率，目前经验值一般为35%左右。

图5 屋脊塔内气流流动方向

2.3 屋脊式干燥塔结构优势

通过分析屋脊式干燥塔结构设计，相比桨叶式干燥机、滚筒式干燥机、流化床干燥器、转鼓干燥机等其他干燥设备，屋脊式干燥塔具有以下优点：

a. 直接接触式干燥方式，蒸发水分被热介质直接带走， 干燥效率较高的同时热损耗较低，非常适合含水量要求极低的干燥工况；

b. 由于依靠重力输送物料且内部错落排布屋脊式气流管，物料不易粘壁、堆积和碎化，同时气流管还具有一定均布物料的作用，物料干燥后含水量均一度较好，此种结构尤其适合干燥絮片状湿物料；

c. 停留时间可通过下料旋转阀控制，操作简单，可根据塔底物料含水量与干燥要求含水量差值自动反馈调节阀门开度，确保成本含水量处于合格范围以内；

d. 整体设备由进料段、干燥段和出料段串联而成，设备可根据物料特性、干燥水分要求及停留时间等参数定制其串联数量，可定制化程度高的同时大幅度降低设计周期；

e. 设备整体采用静密封方式， 密封性能极佳，干燥器内氧含量极低，尤其适用于对氧含量敏感性高的材料；

f. 能耗和维护成本低廉，经济性能优。

3 屋脊式干燥塔研究方向

屋脊式干燥塔作为热介质与物料直接接触式静密封干燥结构，相较传动干燥设备，具有诸多优势。 目前来看，可从以下几点研究方向入手，推动该设备的市场应用：

a. 根据物料性质， 研究最佳屋脊角度和间距；

b. 利用数值模拟方法优化屋脊式气流管结构，如模拟排气管最佳开孔率、优化排气管结构设计及优化排气管开孔方向等；

c. 根据干燥要求， 量化产品规格和串联量，使之成为非标设备中的系列化产品。

4 结束语

屋脊式干燥塔作为一种新型干燥设备，可针对其设备特点，进行结构优化或改进以增进其竞争优势，通过数值模拟和试验配合方式解锁多种物料的干燥分析数据，针对不同的物料，建立一整套标准化产品，降低成本的同时提升干燥效率和物料品质才能扩大其应用范围。