一种蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置及其方法与流程

本发明涉及一种蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置及其方法，它属于湿物料干燥技术领域。

背景技术：

热干燥器是一种利用热能将湿物料中的水分蒸发脱出的装置，广泛应用于工农业及居民生活中。从加热方式上，热干燥器可分为外热式干燥器和内热式干燥器。外热式干燥器是指热源不与被干燥物料直接接触的干燥方式，多用于电加热干燥、导热油干燥和蒸汽干燥，其最大优点是被干燥物料不被换热介质污染，热利用效率高，次生环境污染小；但是，其最大的劣势在于换热强度低，较难实现湿物料干燥的工业大规模化应用。如何提高外热式干燥器的热利用效率和换热强度一直是人们努力的方向。

现有外热式干燥器，没有解决湿物料干燥后释放出水蒸气余热再利用问题，导致热利用效率低，干燥器结构系统复杂，易造成新的环境污染等问题，急需要优化改进。发明人申请了“一种利用废热蒸汽干燥脱水的方法及其装置”(专利申请号：201910702321.9)的发明专利，发明了一种利用填料扰动增加换热强度的废热蒸汽外热式干燥方法及其装置，该发明利用填料扰动方法提高了湿物料干燥换热、分散和研磨效果，有利于提高整体换热强度；但是，没有考虑湿物料干燥释放的蒸汽余热回收利用，整体上热利用效率没有大幅度提高，需要进一步优化改进；此外，由于该发明专利采用整体圆盘式换热器，湿物料只能沿筒壁干燥换热，不利于填料和湿物料在干燥器内部竖向扰动换热，干燥器利用效率较低，干燥强度及干燥效率没有充分发挥出来，干燥能力较低，还需要进一步优化改进。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有外热式干燥器存在的余热回收利用低和填料在干燥器内竖向扰动换热差的技术问题，提供一种蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置及其方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置，它由料斗、1#锁汽阀、给料器、料位限制器、给水管、布水器、上水平面板、圆形筒体、下水平面板、填料、电加热器、体外蒸汽导入管、电机、上连接件、空心转轴、体内蒸汽导入管、换热直管、换热环管、圆形筛板、筛下刮料板、下连接件、疏水器、集水器、2#锁汽阀、排渣器、集渣器、1#测温仪、2#测温仪、3#测温仪、4#测温仪、电控柜和保温层组成，所述料斗的出料口与1#锁汽阀的入料口连接，1#锁汽阀的出料口与给料器的入料口连接；所述给料器的出料口与圆形筒体上部一侧设置的入料口连接；所述料位限制器上端固定在上水平面板上，料位限制器下端与给料器出料口的上端高度平齐；所述给水管的出水口与上水平面板设置的进水口连接，且给水管的出水口位于布水器的正上方；所述体外蒸汽导入管与圆形筒体上部另一侧设置的外部蒸汽导入口连接，且体外蒸汽导入管的出汽口位置高于料位限制器的最下端；所述电加热器设在圆形筒体、上水平面板和下水平面板的外壁上并紧贴包裹，所述电加热器通过线缆与电控柜连接；所述保温层包裹在电加热器的外侧，起保温作用；所述上水平面板的下表面与圆形筒体的上端口焊接，所述圆形筒体的下端口与下水平面板的上表面焊接；所述上连接件包括调心轴承和法兰盘，所述调心轴承装在法兰盘中心设置的轴承孔中，所述法兰盘与上水平面板中心设置的上法兰盘连接，所述电机的转轴装在调心轴承的轴孔中并接触密封，所述电机转轴的下端通过联轴器与空心转轴的上端连接；所述布水器为圆环形金属筛框，其内圆环边沿水平焊接在空心转轴上，其外圆环边焊接有竖向围堰，构成圆环形金属筛框；所述体内蒸汽导入管为与空心转轴焊接连通的金属管，且蒸汽入口高于料位限制器的最下端50-100mm；所述换热环管与换热直管水平焊接连通，共同构成单组管式换热器；所述单组管式换热器中的换热直管是由至少2根空心金属直管组成，且每根换热直管的一个端口与空心转轴上设置的换热口连接；所述换热直管的另一端口封闭成盲端头；所述单组管式换热器中的换热环管是由至少2根圆弧形的空心金属管组成，且每根圆弧形空心金属管的两端口均与换热直管在水平面上设置的换热孔连接；所述单组管式换热器中的换热直管竖向等距离焊接在空心转轴上，形成干燥器整体管式换热器；所述圆形筛板是由多孔的圆环形水平金属筛板构成，位于最下一层管式换热器正下方；所述圆形筛板的内圆环边沿水平焊接在空心转轴上，其外圆环边沿距圆形筒体内壁间距应满足最小尺寸的填料不通过；所述筛下刮料板位于圆形筛板下面，由至少2块长方体形金属板组成，且一个侧面的端头沿圆周均布竖向焊接在空心转轴上，上端面焊接在圆形筛板的下表面上；所述下连接件由调心轴承、推力轴承和底座法兰盘构成，所述调心轴承和推力轴承装在底座法兰盘中心设置的轴承座中，所述底座法兰盘与下水平面板中心开口的下法兰盘连接，所述调心轴承位于推力轴承的上面，所述空心转轴下端的外侧面装在调心轴承和推力轴承的轴孔中且接触密封，所述轴承座下端面的中心位置和偏心位置分别设有排水口和测温安装口；所述疏水器的进水管口与排水口连接，疏水器的出水口通过管道与集水器入水口连接；所述2#锁汽阀的进料口通过管道与下水平面板设置的排渣口法兰连接，2#锁汽阀的出料口通过管道与排渣器的入口连接，排渣器的出料口与集渣器入口连接；所述1#测温仪与位于给料器出料口上方的圆形筒体上的安装口连接，主要测试圆形筒体内上部空间温度；所述2#测温仪与测温安装口连接，主要测试空心转轴内部中心温度；所述3#测温仪与疏水器进水管口的安装口连接，主要测试疏水器的排水温度；所述4#测温仪与2#锁汽阀的进料管口的安装口连接，主要测试2#锁汽阀的排料温度；所述电控柜通过电缆线分别与电机、1#测温仪、2#测温仪、3#测温仪、4#测温仪、给料器和排渣器连接，实现干燥器的自动控制功能。

进一步地，所述填料是由导热性良好的空心钢球组成，填充在圆形筛板上方的圆形筒体内部空间，且填料在干燥器内填充高度应满足不高于给料器的出料口高度前提下，获得干燥器最大有效利用空间。

进一步地，最上一组管式换热器的顶端与体内蒸汽导入管管口的距离为100-300毫米，避免物料直接进入体内蒸汽导入管内。

进一步地，所述布水器的开孔率应依据干燥器的干燥能力具体设计，原则上应满足给水量和给水均匀的要求；布水器的直径应满足在干燥器内无障碍旋转的条件下取得最大值。

进一步地，所述换热直管的外端距圆形筒体内壁间距应满足填料自由穿过的前提下获得最大换热面积。

进一步地，所述单组管式换热器中的换热环管之间的水平距离，应满足被干燥物料自由通过而填料不通过的前提下，获得干燥器最大换热面积；上下相邻两组管式换热器之间的竖向距离，应满足填料在相邻两组管式换热器之间自由通过的前提下，获得干燥器最大换热面积。

进一步地，所述圆形筛板与其上方紧邻的单组管式换热器之间的竖向距离，应满足填料在紧邻的单组管式换热器与圆形筛板之间自由通过的前提下，获得干燥器最大换热面积；所述圆形筛板的开孔率应满足干燥后物料排出量的要求，圆形筛板的筛孔径大小应同时满足开孔率和小于填料最小尺寸1/3，以免填料从筛孔漏出或卡堵筛孔；所述圆形筛板外圆环边沿距圆形筒体内壁之间的距离，保证圆形筛板在圆形筒体内自由水平转动的前提下，避免填料通过或卡堵。

进一步地，所述下水平面板的上表面距筛下刮料板下边的距离，应依据所干燥物料的组成特性具体设计，原则上应满足干燥后物料及时排出。

一种所述的蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置的方法，其外部热源首先通过扰动的填料传递给湿物料，湿物料受热蒸发产生的水蒸汽或外部输入的水蒸汽，直接进入空心转轴上设置的管式换热器中；水蒸汽通过管式换热器与扰动的填料及湿物料进行间接换热，湿物料水分蒸发产生的水蒸汽上行同样进入空心转轴上设置的管式换热器中，参与填料及湿物料的间接换热；间接换热后的蒸汽变成冷凝水由下连接件底部的疏水器排出，完成蒸汽体内换热冷凝；干燥脱水后的固体物料则在填料挤压研磨和自身重力作用下，经过圆形筛板和筛下刮料板，从排渣器连续排出，完成湿物料的干燥脱水和排料过程。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用蒸汽余热体内换热冷凝排水方法，将湿物料蒸发产生的水蒸汽和外部输入水蒸汽直接引入体内换热器，蒸汽在换热器内部与物料间接换热，换热后冷凝水排出体外，实现了物料干燥产生的水蒸气余热短流程直接回收利用，大大提高了干燥器的热利用效率，并有效减少环境污染，达到显著降低干燥成本和高效节能环保的双重效果。

(2)本发明干燥器内的搅拌换热器采用立体交叉结构，使填料和物料可以在换热管之间竖向和横向充分扰动，不仅增加了干燥器换热面积，而且提高了物料的立体扰动程度，从而显著提升了干燥器的换热强度，有利于扩大干燥器的干燥能力和物料适应范围，易于实现干燥器工业大规模生产。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明搅拌及换热装置结构主视图；

图3为图2的俯视图；

图中：1-料斗，2-1#锁汽阀，3-给料器，4-料位限制器，5-给水管，6-体外蒸汽导入管，7-电加热器，8-保温层，9-上水平面板，10-圆形筒体，11-下水平面板，12-电机，13-上连接件，14-空心转轴，15-布水器，16-体内蒸汽导入管，17-换热环管，18-换热直管，19-圆形筛板，20-筛下刮料板，21-填料，22-下连接件，23-保温层，24-疏水器，25-集水器，26-2#锁汽阀，27-排渣器，28-集渣器，29-1#测温仪，30-2#测温仪，31-3#测温仪，32-4#测温仪，33-电控柜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1～图3所示，本实施例中的一种蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置，它由料斗1、1#锁汽阀2、给料器3、料位限制器4、给水管5、布水器15、上水平面板9、圆形筒体10、下水平面板11、填料21、电加热器7、体外蒸汽导入管6、电机12、上连接件13、空心转轴14、体内蒸汽导入管16、换热直管18、换热环管17、圆形筛板19、筛下刮料板20、下连接件22、疏水器24、集水器25、2#锁汽阀26、排渣器27、集渣器28、1#测温仪29、2#测温仪30、3#测温仪31、4#测温仪32、电控柜33和保温层23组成，所述料斗1的出料口与1#锁汽阀2的入料口连接，1#锁汽阀2的出料口与给料器3的入料口连接；所述给料器3的出料口与圆形筒体10上部一侧设置的入料口连接；所述料位限制器4上端固定在上水平面板9上，料位限制器4下端与给料器3出料口的上端高度平齐；所述给水管5的出水口与上水平面板9设置的进水口连接，且给水管5的出水口位于布水器15的正上方；所述体外蒸汽导入管6与圆形筒体10上部另一侧设置的外部蒸汽导入口连接，且体外蒸汽导入管6的出汽口位置高于料位限制器4的最下端；所述电加热器7设在圆形筒体10、上水平面板9和下水平面板11的外壁上并紧贴包裹，所述电加热器7通过线缆与电控柜33连接；所述保温层23包裹在电加热器7的外侧，起保温作用；所述上水平面板9的下表面与圆形筒体10的上端口焊接，所述圆形筒体10的下端口与下水平面板11的上表面焊接；所述上连接件13包括调心轴承和法兰盘，所述调心轴承装在法兰盘中心设置的轴承孔中，所述法兰盘与上水平面板9中心设置的上法兰盘连接，所述电机12的转轴装在调心轴承的轴孔中并接触密封，所述电机转轴的下端通过联轴器与空心转轴14的上端连接；所述布水器15为圆环形金属筛框，其内圆环边沿水平焊接在空心转轴上，其外圆环边焊接有竖向围堰，构成圆环形金属筛框，所述布水器15随空心转轴14水平旋转，起到给入水均匀洒落的布水作用；所述体内蒸汽导入管16为与空心转轴焊接连通的金属管，且蒸汽入口高于料位限制器4的最下端50-100mm；所述换热环管17与换热直管18水平焊接连通，共同构成单组管式换热器；所述单组管式换热器中的换热直管是由至少2根空心金属直管组成，且每根换热直管18的一个端口与空心转轴14上设置的换热口连接；所述换热直管18的另一端口封闭成盲端头；所述单组管式换热器中的换热环管17是由至少2根圆弧形的空心金属管组成，且每根圆弧形空心金属管的两端口均与换热直管18在水平面上设置的换热孔连接；所述单组管式换热器中的换热直管18竖向等距离焊接在空心转轴14上，形成干燥器整体管式换热器；所述圆形筛板19是由多孔的圆环形水平金属筛板构成，位于最下一层管式换热器正下方；所述圆形筛板19的内圆环边沿水平焊接在空心转轴14上，其外圆环边沿距圆形筒体内壁间距应满足最小尺寸的填料不通过；所述筛下刮料板20位于圆形筛板19下面，由至少2块长方体形金属板组成，且一个侧面的端头沿圆周均布竖向焊接在空心转轴14上，上端面焊接在圆形筛板19的下表面上；所述下连接件22由调心轴承、推力轴承和底座法兰盘构成，所述调心轴承和推力轴承装在底座法兰盘中心设置的轴承座中，所述底座法兰盘与下水平面板中心开口的下法兰盘连接，所述调心轴承位于推力轴承的上面，所述空心转轴14下端的外侧面装在调心轴承和推力轴承的轴孔中且接触密封，所述轴承座下端面的中心位置和偏心位置分别设有排水口和测温安装口；所述疏水器24的进水管口与排水口连接，疏水器24的出水口通过管道与集水器25入水口连接；所述2#锁汽阀26的进料口通过管道与下水平面板11设置的排渣口法兰连接，2#锁汽阀26的出料口通过管道与排渣器27的入口连接，排渣器27的出料口与集渣器28入口连接；所述1#测温仪29与位于给料器3出料口上方的圆形筒体上的安装口连接，主要测试圆形筒体10内上部空间温度；所述2#测温仪30与测温安装口连接，主要测试空心转轴14内部中心温度；所述3#测温仪31与疏水器24进水管口的安装口连接，主要测试疏水器24的排水温度；所述4#测温仪32与2#锁汽阀26的进料管口的安装口连接，主要测试2#锁汽阀26的排料温度；所述电控柜33通过电缆线分别与电机12、1#测温仪29、2#测温仪30、3#测温仪31、4#测温仪32、给料器3和排渣器27连接，实现干燥器的自动控制功能。

所述填料21是由导热性良好的空心钢球组成，填充在圆形筛板19上方的圆形筒体10内部空间，且填料21在干燥器内填充高度应满足不高于给料器3的出料口高度前提下，获得干燥器最大有效利用空间。

最上一组管式换热器的顶端与体内蒸汽导入管16管口的距离为100-300毫米，避免物料直接进入体内蒸汽导入管内。

所述布水器15的开孔率应依据干燥器的干燥能力具体设计，原则上应满足给水量和给水均匀的要求；布水器15的直径应满足在干燥器内无障碍旋转的条件下取得最大值。

所述换热直管18的外端距圆形筒体10内壁间距应满足填料自由穿过的前提下获得最大换热面积。

所述单组管式换热器中的换热环管17之间的水平距离，应满足被干燥物料自由通过而填料21不通过的前提下，获得干燥器最大换热面积；上下相邻两组管式换热器之间的竖向距离，应满足填料21在相邻两组管式换热器之间自由通过的前提下，获得干燥器最大换热面积。

所述圆形筛板19与其上方紧邻的单组管式换热器之间的竖向距离，应满足填料在紧邻的单组管式换热器与圆形筛板19之间自由通过的前提下，获得干燥器最大换热面积；所述圆形筛板19的开孔率应满足干燥后物料排出量的要求，圆形筛板19的筛孔径大小应同时满足开孔率和小于填料21最小尺寸1/3，以免填料21从筛孔漏出或卡堵筛孔；所述圆形筛板19外圆环边沿距圆形筒体内壁之间的距离，保证圆形筛板19在圆形筒体内自由水平转动的前提下，避免填料21通过或卡堵。

所述下水平面板11的上表面距筛下刮料板20下边的距离，应依据所干燥物料的组成特性具体设计，原则上应满足干燥后物料及时排出。

一种上述的蒸汽体内换热冷凝干燥脱水的装置的方法，其外部热源首先通过扰动的填料传递给湿物料，湿物料受热蒸发产生的水蒸汽或外部输入的水蒸汽，直接进入空心转轴上设置的管式换热器中；水蒸汽通过管式换热器与扰动的填料及湿物料进行间接换热，湿物料水分蒸发产生的水蒸汽上行同样进入空心转轴上设置的管式换热器中，参与填料及湿物料的间接换热；间接换热后的蒸汽变成冷凝水由下连接件底部的疏水器排出，完成蒸汽体内换热冷凝；干燥脱水后的固体物料则在填料挤压研磨和自身重力作用下，经过圆形筛板和筛下刮料板，从排渣器连续排出，完成湿物料的干燥脱水和排料过程。

所述外部热源可以是单独用电加热或单独用蒸汽，也可以同时或交替使用电加热和蒸汽。

所述湿物料是指具有良好分散性或干燥脱水后可分散的含水物料，包括但不限于高含盐废水、市政污泥、电石渣(泥)、工业石膏、煤泥等。

本发明的工作过程为(以干燥固体湿物料为例)：

第一步：启动电机12，调节电机12的变频器调节空心转轴14的转速在设定范围内；电机12转轴通过联轴器带动空心转轴14转动，空心转轴14带动布水器15、体内蒸汽导入管16、换热环管17、换热直管18、圆形筛板19和筛下刮料板20一起转动，换热环管17、换热直管18和圆形筛板19相应带动填料21在圆形筒体10内扰动。

第二步：开启电加热器7或体外蒸汽导入管6的给汽阀向圆形筒体10内输入外部热源。当采用电加热时，热量由圆形筒体10传递给扰动填料21，再由扰动填料21传递给湿物料；当采用外部蒸汽热源时，蒸汽进入圆形筒体10内腔上部空间，先将热量传递给圆形筒体10上部填料21，同时从体内蒸汽导入管16进入空心转轴14中，再由空心转轴14进入换热环管17和换热直管18中，并通过换热环管17和换热直管18的金属管壁向管外的填料21传热。

第三步：当2#测温仪30的温度达到设定值时，将待干燥的湿物料加入料斗1中，然后开启给料器3和料斗1下方的1#锁汽阀2，将湿物料给入高温圆形筒体10内的热填料21表面上，在热填料21的分散和碾轧下，湿物料在热填料21中快速分散，同时被加热干燥脱水，部分干燥脱水后的物料沿填料21的缝隙继续向下移动，不断与圆形筒体10内的中下部热填料21换热，并不断被扰动的填料21分散、碾轧和加热，直到全部干燥脱水，干燥后物料穿过圆形筛板19，在筛下刮料板20作用下进入2#锁汽阀26，再由2#锁汽阀26进入排渣器27，由排渣器27进入集渣器28。湿物料中水分受热蒸发产生水蒸汽，不断上行从体内蒸汽导入管16进入空心转轴14、换热环管17和换热直管18，参与蒸汽冷凝换热，蒸汽热量通过金属管壁传给管外的填料和物料，换热后的蒸汽变成冷凝水，汇集后通过下连接件底部的疏水器24进入集水器25。

第四步：工作过程中要注意观察电控柜33表盘上的料位报警和温度参数。当湿物料给料速度过快，多余的物料就会堆积在填料层的上部空间，当湿物料在圆形筒体10内堆积高度达到料位限制器4的最底部时，料位限制器4就会感应到湿物料，并迅速将信号传递给电控柜33，电控柜33就会发出指令(报警)并自动降低给料器3的给料速度，减少湿物料给入量；当湿物料的料位高度降低，料位限制器4没有感应到料位时，给料器3就会以设定的速度正常给料。2#测温仪30和4#测温仪32为主要控制参数。当2#测温仪30和4#测温仪32的温度低于设定值时，电控柜33会自动提高电加热器7的输出功率或体外蒸汽导入管6的蒸汽流量或减少给料器3的给料量，以保证排渣温度；当2#测温仪30和4#测温仪32的温度高于设定值时，电控柜33会自动减少电加热器7的输出功率或体外蒸汽导入管6的蒸汽流量或适度增加给料器3的给料量，以保证排渣温度。正常生产时，1#测温仪29、2#测温仪30、3#测温仪31和4#测温仪32的温度值应保持相对稳定。具体控制参数应依据物料特性和干燥脱水要求进行具体设定。

本发明的另一工作过程为(以蒸发高含盐废水为例)：

第一步：启动电机12，调节电机12的变频器调节空心转轴14的转速在设定范围内；电机12转轴心通过联轴器带动空心转轴14转动，空心转轴14带动布水器15、体内蒸汽导入管16、换热环管17、换热直管18、圆形筛板19和筛下刮料板20一起转动，换热环管17、换热直管18和圆形筛板19相应带动填料21在圆形筒体10内扰动。

第二步：开启电加热器7或体外蒸汽导入管6的给汽阀向干燥器中输入外部热源。当采用电加热时，热量由圆形筒体10传递给扰动填料21，再由扰动填料21传递给湿物料；当采用外部蒸汽热源时，蒸汽进入圆形筒体10内腔上部空间，先将热量传递给圆形筒体10上部填料21，同时从体内蒸汽导入管16进入空心转轴14中，再由空心转轴14进入换热环管17和换热直管18中，并通过换热环管17和换热直管18的金属管壁向管外的填料21传热。

第三步：当2#测温仪30的温度达到设定值时，开启给水管5的给水调节阀，将高含盐废水给入布水器15，由布水器15将高盐废水定量均匀喷洒在高温圆形筒体10内的热填料21表面上，在热填料21的扰动下，高盐水在热填料21中快速分散，同时被加热蒸发水分，蒸发脱水后的废盐沿填料21的缝隙继续向下移动，不断与圆形筒体10内的中下部热填料21换热，并不断被扰动的填料21分散、碾轧和加热，结晶粘附在填料21、换热环管17和换热直管18表面的废盐，在填料21的扰动、摩擦、撞击和研磨下，不断从其粘附表面剥离、脱落和粉化，干燥粉化后的废盐穿过圆形筛板19，在筛下刮料板20作用下进入2#锁汽阀26，再由2#锁汽阀26进入排渣器27，由排渣器27进入集渣器28。高盐水中水分受热蒸发产生水蒸汽，不断上行从体内蒸汽导入管16进入空心转轴14、换热环管17和换热直管18，参与蒸汽冷凝换热，蒸汽热量通过金属管壁传给管外的填料和物料，换热后的蒸汽变成冷凝水，汇集后通过下连接件底部的疏水器24进入集水器25。

第四步：工作过程中要注意观察电控柜33表盘上的温度参数，2#测温仪30和4#测温仪32为主要控制参数。当2#测温仪30和4#测温仪32的温度低于设定值时，应考虑提高电加热器7的输出功率或体外蒸汽导入管6的蒸汽流量或减少给水管5的给水量，以保证排盐温度；当2#测温仪30和4#测温仪32的温度高于设定值时，应考虑增加水管5的给水量，以保证排盐温度，提高生产效率。正常生产时，1#测温仪29、2#测温仪30、3#测温仪31和4#测温仪32的温度值应保持相对稳定。具体控制参数应依据物料特性和干燥脱水要求进行具体设定和调节。