張衛(wèi)國(guó) 馬 玲 羿宏雷* 李朔南

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.中國(guó)林業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100026)

1 設(shè)計(jì)背景

我國(guó)竹子種類(lèi)和竹林面積約占全球總量的四分之一，竹產(chǎn)品超過(guò)10 000多種，涵蓋建筑、裝飾、食品、化工等多個(gè)行業(yè)，年產(chǎn)值超過(guò)2 000億元[1]。竹產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)林業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是推動(dòng)我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的特色產(chǎn)業(yè)[2]。竹產(chǎn)品生產(chǎn)加工的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量的竹粉，這些竹粉如果作為燃料焚燒，不但會(huì)造成很大的浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[3]，隨著環(huán)保政策的嚴(yán)格執(zhí)行，這種行為將被嚴(yán)格禁止。竹粉中包含大量的竹纖維，是制作優(yōu)質(zhì)竹炭的最佳原材料，但竹粉在進(jìn)入炭化爐炭化之前，必須通過(guò)制棒機(jī)將其壓制成型[4]，而這一過(guò)程中的竹粉含水率不能過(guò)高，否則會(huì)影響壓制過(guò)程以及竹炭質(zhì)量。竹粉除了可以用來(lái)生產(chǎn)竹炭，還可以作為建筑裝飾材料、造紙、化工類(lèi)、生活用品等多種產(chǎn)品的原料，用途十分廣泛，但竹粉在應(yīng)用之前必須經(jīng)過(guò)干燥處理，除去其內(nèi)部的水分，根據(jù)用途不同，要求的最終含水率也不同，一般要求在5%以內(nèi)。

竹粉干燥屬于流化干燥，該技術(shù)起源于1921年，1958年以后在我國(guó)得到進(jìn)一步應(yīng)用。干燥過(guò)程中，物料在干燥室底部熱空氣的作用下上下翻動(dòng)且呈流動(dòng)狀態(tài)，因此稱(chēng)之為流化干燥，在這一過(guò)程中物料與熱空氣有很大的接觸面積，因此熱傳遞與水分傳遞效率都非常高[5-6]。近年來(lái)，該技術(shù)在化工、輕工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，流化干燥器分為多種，包括多層圓筒形干燥器，臥式多室流化床干燥器，振動(dòng)流化床干燥器，攪拌流化床干燥器等。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本設(shè)備設(shè)計(jì)干燥效率為200 kg/h，除去物料中的非結(jié)合水，熱效率達(dá)到70%，除去物料中的結(jié)合水，熱效率30%～50%，節(jié)能10%以上，干燥后，竹粉的含水率達(dá)到2%～5%，且能有效去除竹粉纖維中的結(jié)合水。

3 結(jié)構(gòu)與原理

流化干燥設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱效率高，生產(chǎn)能力大，非常適合干燥無(wú)凝集作用的散粒狀物料，設(shè)備主要由加料機(jī)、過(guò)濾器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、尾氣排濕系統(tǒng)及控制柜單元等組成，臥式干燥器原理如圖1所示。

圖1 臥式干燥器原理

臥式流化床干燥器為一矩形箱式結(jié)構(gòu)，底部為多孔孔板，其開(kāi)孔率為3%～13%，孔徑為1.5～2 mm，孔板上方有豎向擋板，將流化床干燥器分隔成若干個(gè)小室，每個(gè)小室在隔板底部相通，每塊擋板均可上下移動(dòng)，以調(diào)節(jié)與孔板的間距，從而避免未完全干燥的竹粉提前排出，該設(shè)計(jì)不但可以控制干燥時(shí)間，使干燥后竹粉的含水率較為均勻，還可以在干燥后期進(jìn)行冷卻[7]。

每個(gè)小干燥室下方都有一只進(jìn)氣管，空氣經(jīng)過(guò)濾器、加熱器加熱后，由每個(gè)支管分別進(jìn)入小干燥室底部，通過(guò)多孔孔板進(jìn)入干燥室，使多孔孔板上的物料受到流化干燥，達(dá)到氣固相的熱質(zhì)交換。支管上有調(diào)節(jié)氣流量的閥門(mén)，調(diào)節(jié)各室的進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)量，并逐室降低，從而可提高熱效率[8]。

待干燥的竹粉由加料機(jī)構(gòu)連續(xù)加入干燥室的第一室，由于竹粉成流化狀態(tài)，所以可以自由地由第一室移向最后一室，干燥后的竹粉由最后一室卸料口排出，該過(guò)程相當(dāng)于多個(gè)干燥室串聯(lián)，可有效控制竹粉在每個(gè)小干燥室的停留時(shí)間，從而使竹粉干燥更為均勻。設(shè)計(jì)在流化床上鋪一層300目以上的不銹鋼網(wǎng)，這樣可以保證竹粉顆粒不漏向干燥器底部。干燥尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離器、袋式過(guò)濾器分離出細(xì)小竹粉后，由干燥室頂部引風(fēng)機(jī)排出，經(jīng)除濕機(jī)去除水分后，將熱量返回到干燥室，從而提高熱效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

在干燥室里，當(dāng)進(jìn)入的熱空氣較少時(shí)，竹粉顆粒保持靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)氣體流速持續(xù)增大，空氣與竹粉粒子作用力剛好等于竹粉粒子重力時(shí)，竹粉粒子開(kāi)始懸浮于向上吹過(guò)的熱空氣中，這時(shí)竹粉粒子不再互相支撐而各自運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的氣流速度叫做臨界流化速度，而且粒子不會(huì)被氣流吹走，竹粉干燥達(dá)到流化階段。如果氣流速度繼續(xù)增大，超過(guò)竹粉沉降速度，則竹粉會(huì)被吹走，這時(shí)速度為帶出速度，干燥過(guò)程中，需保證空氣的流速在臨界速度與帶出速度之間，從而使竹粉顆粒在干燥室間熱空氣內(nèi)上下翻動(dòng)，呈流動(dòng)狀態(tài)，且不被吹走。干燥室內(nèi)外風(fēng)壓的控制也是技術(shù)難點(diǎn)，風(fēng)壓過(guò)高或過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致熱空氣溢出或冷空氣滲入，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用微壓差傳感器，將干燥室內(nèi)壓力狀況實(shí)時(shí)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，精確控制進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的開(kāi)合，調(diào)節(jié)冷熱空氣進(jìn)氣量，從而使竹粉的干燥過(guò)程更加合理、有效[9-10]。

竹粉的干燥過(guò)程可以分為三個(gè)階段。首先是預(yù)熱階段，即干燥過(guò)程的初始階段，此階段主要表現(xiàn)為竹粉溫度的迅速上升，以及少量水分的蒸發(fā)；第二階段為恒速階段，該階段主要是竹粉從熱空氣中吸收大量的熱量，從而迅速蒸發(fā)大量水分，而表面溫度上升緩慢，干燥速率基本恒定；第三為干燥過(guò)程的降速階段，此時(shí)竹粉表面水分蒸發(fā)殆盡，熱量向竹粉內(nèi)部移動(dòng)，水分由內(nèi)向外擴(kuò)散，干燥速率逐漸降低，直至達(dá)到平衡含水率為止。

4 設(shè)備運(yùn)行機(jī)制

運(yùn)用多種傳感器，實(shí)時(shí)采集竹粉干燥各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，建立溫濕度控制模型、風(fēng)量風(fēng)速控制模型、除濕排濕啟動(dòng)模型，并建立各模型之間的匹配關(guān)系，優(yōu)化干燥工藝，實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程全程自動(dòng)化。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先開(kāi)啟加熱器，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通入熱風(fēng)，當(dāng)內(nèi)部溫度升高到所需溫度時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加料機(jī)構(gòu)，進(jìn)行定量均勻的加料作業(yè)；同時(shí)，排濕機(jī)持續(xù)排出干燥過(guò)程中產(chǎn)生的熱蒸氣，經(jīng)過(guò)除濕處理排出水分，將熱空氣返回加熱器，從而達(dá)到節(jié)能的目的，設(shè)備運(yùn)行流程如圖2所示。

5 技術(shù)特點(diǎn)

(1)實(shí)現(xiàn)各干燥室空氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)量的單獨(dú)調(diào)節(jié)，回收生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣，將熱量返回到干燥室，從而大幅提高竹粉的干燥效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

(2)建立自動(dòng)控制系統(tǒng)，優(yōu)化竹粉干燥技術(shù)方案，在保證干燥效率的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。

(3)通過(guò)豎向擋板的自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制竹粉的干燥時(shí)間，最終控制竹粉含水率。

(4)整臺(tái)設(shè)備的材料采用符合要求的不銹鋼及碳鋼材質(zhì)制造，圓角過(guò)渡，消除設(shè)備死角，方便清洗，保證了每次干燥物料的潔凈度。

(5)設(shè)備無(wú)傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，干燥過(guò)程中竹粉始終處于懸浮流動(dòng)狀態(tài)，使竹粉與熱空氣的接觸面積大幅增加，極大地提高了干燥速率。

圖2 設(shè)備運(yùn)行流程

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在臥式多室流化干燥器經(jīng)典設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出加裝除濕機(jī)這一技術(shù)方案，通過(guò)過(guò)濾干燥過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸汽，將熱量返回到干燥室，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

運(yùn)用多種傳感器，采集干燥過(guò)程中各環(huán)節(jié)技術(shù)參數(shù)，并與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，建立多種參數(shù)控制模型與最佳匹配方案，實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程全程自動(dòng)控制，從而降低人為因素干擾，提高干燥效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

經(jīng)檢驗(yàn)，本設(shè)計(jì)完全滿足技術(shù)要求，而竹粉的加工再利用以及干燥過(guò)程中的節(jié)能技術(shù)，也可以為以林業(yè)產(chǎn)業(yè)為核心的鄉(xiāng)村地區(qū)提高行業(yè)自動(dòng)化水平，提供實(shí)踐基礎(chǔ)與理論依據(jù)。