煤泥微波烘干技術及設備的研究

煤泥泛指煤粉含水形成的半固體物，是煤炭生產過程中的一種副產品。由于煤泥具有高水分、高粘性、高灰分、低熱值、遇風飛揚遇水流失等特點，因此必須進行深度干燥來提升其熱值。于是微波烘干設備開始運用起來。

1 我國煤泥干燥技術現狀

目前，我國煤泥干燥技術主要有煤泥濾餅碎干機干燥和滾筒式干燥機干燥。

(1)煤泥濾餅碎干技術是一項將煤泥定量破碎和干燥結合在一起的干燥工藝。該技術通過將煤泥濾餅定量破碎，增加與熱介質接觸的干燥表面積，使干燥過程熱交換充分，可達到機械流體脫水的極限。碎干工藝對煤泥水分的控制有兩條途徑:一是提高干燥介質的溫度，二是降低穿流網帶的速度。提高干燥介質的溫度會造成部分運動部件在高溫環境中運行，而降低穿流網帶速度則必然減少煤泥的干燥量。碎干技術處理后的煤泥水分通常只能一次降低10%左右，煤泥中仍有15%～20%的含水量，必須進行再度干燥。

(2)滾筒式干燥機依靠自身滾筒的轉動和傾斜度，通過內部揚料板將煤泥不停地翻滾，與進入滾筒內的高溫煙氣形成對流換熱，從而實現對煤泥的干燥。并且，該技術可根據用戶要求，通過設計滾筒長度和直徑來達到所需的產品水分。自上世紀80年代開始，歷經30多年的發展，滾筒式干燥機因運轉安全可靠、操作簡單、熱效率高，目前已成為煤泥干燥的主導設備。但其占地面積大，成本高，噪聲污染、熱污染以及對周圍環境的粉塵污染嚴重。

目前，微波干燥技術以其干燥效率高，干燥清潔無污染，易實現自動化控制等優點，在食品、醫藥、木材、橡膠工業、污水處理等各個領域已得到了廣泛應用和高度重視[4]。與現有煤泥干燥技術相比，微波烘干設備具有能耗低，效率高;烘干煤泥時間短，產量大;生產過程無污染，工人工作環境好;設備簡單，施工安裝簡便等優點。因此，對煤泥的微波烘干技術有必要進行深入探討與研究。

2 微波特性及微波烘干設備機理

2.1 微波特性

微波是一種電磁波，其頻率在300MHz～300GHz之間，波長在1mm～1m(不含1m)之間。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對于有些材質，微波幾乎可以穿越而不被吸收，如玻璃、塑料和瓷器;有些材質會吸收微波使其自身發熱，如水和食物;有的材質則會反射微波，如金屬類東西。與其他方式相比，在工業加熱干燥方面，微波具有以下優點:

(1)物料干燥過程中的干燥層首先在物料內層形成，然后由內而外擴展。原因是微波透入物料內部時會被吸收，其能量瞬時轉為熱能而使物料(包括里層物料及其所含有的水分)整體升溫。此時，里層水蒸氣壓力驟升，在該壓力的驅動下，水蒸氣向物料表層排除。

(2)微波加熱為瞬時加熱，因此無熱慣性，易于操作。

(3)根據干燥物料的不同，微波加熱可選擇不同功率進行干燥，實現功率可調，因此可避免能源的浪費。

(4)微波加熱技術操作易控制，可以實現連續自動化生產

2.2 微波烘干設備機理

微波在加熱物料時，由于被加熱物料中的水分子是極性分子，它在快速變化的高頻點磁場作用下，極性取向將隨著外電場的變化而變化，使分子發生運動并相互摩擦，使微波場的場能轉化為熱能，從而使物料的溫度升高，達到微波加熱干燥的目的。物料在微波場中吸收功率P aV的計算公式為:

式中:εr為被干燥介質的介電常數;ω為微波的工作頻率，ω =2πfω;tanδ為介質損耗角的正切值;E2為電場強度有效值;V為物料的體積。

2.3 微波加熱與常規加熱的區別

在微波加熱與常規加熱下，物料干燥層形成示意圖以及熱量和質量遷移方向如圖1所示。

圖1 常規加熱與微波加熱機理以及熱量和質量遷移方向模型示意圖

從傳熱動力學觀點來分析，常規加熱法對物料加熱時呈現如圖1(a)所示的狀態:物料中溫度梯度由內層指向外表面，而熱量傳導方向與蒸汽遷移方向相反。這說明常規加熱時物料里面和外表層的溫差大，整體溫度分布相當不均勻，而且傳遞熱量會受到質量遷移阻礙，于是延緩了整體溫升過程，使得加熱時間較長。對于微波加熱圖1(b)來說，在加熱過程中，物料是整體加熱溫升，由于物料表面水分的蒸發，使外表面溫度相對于里層的要低，其溫度梯度由物料外表面指向里層，而熱量傳導方向也與蒸汽遷移方向相同。

3 煤泥微波烘干設備

3.1 設備結構

為了防止微波泄漏，煤泥微波烘干設備采用了封閉式烘干室，煤泥輸送設備安放于烘干室內，烘干室頂部裝有微波加熱器、微波控制器以及紅外測溫儀，另外由輸送設備速度控制器來調節輸送設備速度。煤泥微波烘干設備結構如圖2所示。

圖2 微波烘干設備結構示意圖

3.2 工作原理

煤泥微波烘干設備工作時，通過轉載機等其他設備將煤泥通過進料口裝載到輸送設備上;輸送設備連續運轉，將煤泥輸送至烘干室;當輸送的煤泥通過微波加熱器時，煤泥受到微波輻射而被加熱，煤泥中含有的水分受熱后部分蒸發;烘干后的煤泥通過出料口輸送出去。

輸送設備速度控制器用來調節和控制輸送設備速度，從而達到調節干燥時間的目的;紅外測溫儀隨時監測煤泥表面溫度，并實時反饋給微波控制器;微波控制器控制微波加熱器的功率，使功率隨需求變化，達到能源利用大化，從而避免了能源的浪費。

3.3 經濟性分析

判別該設備是否節能，需要與其他加熱方式進行比較，即比較在達到相同干燥效果時設備所消耗的總的能量的多少，以總能耗量值小者為優。

一般說，物料受熱工程中總能耗為如下分配:

式中:P1為物料加熱升溫所需要的能量;P2為加熱過程中散失給物料周圍環境中的能量以及加熱設備部件升溫消耗的能量;P3為物料中水分加熱蒸發所需消耗能量;P為總能耗量。

顯然，P1和P3為物料加熱脫水時所必需的能耗量，稱為有效耗能。故加熱效率η可表示為:η=(P1+P3)/P， (3)式中比值η表示物料被加熱時的能量有效利用率，η值越大，表明加熱設備的熱效率高，設備越節能。

微波烘干設備烘干室箱體采用金屬原料，金屬對微波具有反射功能，所以當微波加熱設備對物料加熱時，物料吸收微波的量遠大于微波加熱區設備部件(箱體)對微波的吸收，物料溫升遠大于箱體。而常規加熱則將設備部件同時加熱，因此微波設備能量利用率遠大于常規加熱設備。

我國微波加熱技術起步較晚，與國外一些國家存在差距，但是近幾十年來也取得了一定的成績和進展。與現有的干燥設備相比，微波烘干設備具有干燥瞬時性、無污染、干燥效率高等優越性，目前已經在多個領域得到了廣泛應用，因此很有必要對微波烘干設備在煤泥干燥領域的應用做進一步研究，以使其實現效率大化、產品系列化、連續自動化，進而能夠使微波干燥技術替代現有的煤泥干燥方式，減少目前煤泥干燥在生產中帶來的各種污染，在環保及節能減排方面做出應有貢獻。

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