中国干燥技术现状及发展趋势
摘要: 对中国干燥技术、干燥理论研究及技术创新的发展现状作了评述; 对干燥技术在各行业的应用现状作了全面介绍; 对干燥技术的可持续发展道路与发展趋势作了分析与探讨。
关键词: 干燥技术; 理论研究; 技术创新; 应用现状; 发展道路
1 干燥技术现状
第一届全国干燥会议于1975 年6 月23 日至30 日在南京召开, 至今已30 年了。 30 多年来, 我国干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大专院校、科研院所大约有50 多家, 领域涉及化工、医药、染料、轻工、
林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产等行业。全国共有设备制造厂600 多家, 企业自身也已拥有一支强有力的干燥科研开发队伍。通过广泛开展干燥技术基础研究、工艺研究及工业化应用研究, 使得我国干燥技术正在走近国际先进水平, 而在某些技术领域已经达到国际先进水平。30 多年来, 我国干燥技术学术交流活跃。中国化工学会化学工程委员会干燥技术专业组主办的全国干燥技术会议已举办10 届, 共发表论文665篇。这是我国规模最大、涉及行业最广的干燥技术交流盛会。除此之外, 中国农业机械学会加工机械分会干燥技术专业委员会举办过农产品干燥技术研讨会9 届; 中国林学会木材工业分会木材干燥学组举办过全国木材干燥学术讨论会10 届, 共发表论文537 篇; 中国制冷学会举办过全国真空冷冻学术讨论会10 届, 冻干技术交流活跃; 全国微波能应用学术会议由中国电子学会微波分会、中国电子学会真空电子学分会主办, 也已达10 届, 微波干燥是会议内容之一。
30 年来, 中国的许多干燥技术已得到了工业化应用, 主要有喷雾干燥、流态化干燥( 普通流化床,振动流化床, 内加热流化床, 流化床喷雾造粒干燥) 、蒸汽回转干燥、气流干燥、回转圆筒干燥、旋转快速干燥、圆盘干燥、带式干燥、双锥回转真空干燥、桨叶式干燥、冷冻干燥、微波及远红外干燥、粮食干燥等。常规干燥设备基本可以满足生产需要,有部分机型已达到国际当代水平并出口到国外。干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响, 还在于它往往是生产过程的最后工序, 操作的好坏直接影响产品质量, 从而影响市场竞争力和经济效益。我国有许多产品, 就纯度而言已经达到甚至超过国外产品, 只是因为干燥技术不如国外, 堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去, 在国际市场竞争中处于劣势, 有的售价仅为国外同类产品的三分之一。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。椐估计, 我国生产的干燥设备种类仅为国外的30%～40% 。由此可见, 我国干
燥技术研究仍然是任重而道远。
2 干燥理论研究及技术创新
2 . 1 基础理论与实用工程技术研究
近30 年, 我国学者在干燥技术领域取得了许多成果, 以下是部分实例。
中国科学院工程热物理研究所刘登瀛研究员的《在微时间尺度和高热流密度作用下的超急速传热传质》一文, 用实验验证了非傅立叶导热( 非平衡) 效应的存在, 首次提出了非傅立叶热效应和非费克扩散效应对于干燥过程的影响趋势, 并对多层流化床干燥机和对撞流干燥机中非稳态干燥过程作了全面研究。
中国农业大学刘相东教授在“多孔介质内部湿分迁移过程的孔道网络模拟及分形网络模拟”研究中对物料和干燥介质之间的质热传递过程作出了新的解释, 为干燥技术提供了理论支持。他还对“脉动燃烧干燥”技术作了深入研究。中国农业大学曹崇文教授是中国的谷物干燥专家, 他在谷物干燥过程的计算机模拟方面开发了多种软件, 研究开发的5HG- 4 , 5 粮食干燥成套设备已推广百余台。中国林业大学张璧光教授在木材干燥领域研发了“木材除湿干燥机”和“多功能热泵干燥机”,在太阳能木材干燥过程的传热传质研究方面也取得多项研究成果。中国林业科学院林化所的王宗濂研究员与课题组的同志一起在上世纪80 年代就开发了10 万厘泊高粘度物料的喷雾干燥技术, 在离心喷雾雾化器的研究中以三支点力学模型解决了挠性轴系的一系列理论问题。还研制了生产能力50t/d 的能生产0.3 ～0.5mm 粒径的分散染料高压喷雾干燥设备。大连理工大学王喜忠教授和同事王宝和教授、于才渊教授对中国的喷雾干燥设备进行了广泛研究, 设计了年产万吨的大型干燥装置。在磷脂油脚和番茄红素的微胶囊化技术、静电雾化技术、超临界干燥和纳米粉体干燥研究方面也都处于国内领先地位。香港科技大学化工系的陈国华博士对纸的热风冲击、穿透及冲击穿透干燥方面作了深入研究,并首次发现有二次升速阶段天津科技大学的潘永康教授在研究生物活性物料和蔬果动态干燥时发现, 有些生物物料干燥时如果进风的湿球温度接近于生物物料的发酵温度,则可最大限度地保存生物产品的活性( 90% 以上) 。蔬果切片的动态快速干燥可在0.5 小时内将湿含量从90% 降至10% , 其有效营养成分损失甚少。还对流化床的工业应用作了开发研究。东北大学徐成海教授近年来研制成功了“连续真空干燥设备”和“连续真空冷冻干燥设备”, 可冷冻干燥活菌、活毒、皮肤、骨骼、角膜等生物制品, 在医学上有重要意义。山东省科学院史勇春研究员及其团队在流态化干燥技术、蒸汽回转干燥技术研究方面, 在国内位处前列。研究的内加热流化干燥机在纯碱干燥煅烧、精制盐干燥中替代了传统产品和进口产品。
在国内首次研究出PTA 干燥工业模型。
2 . 2 技术创新
企业是技术创新的主体, 我国干燥技术的产业化走了一条产学研相结合的路子。目前我国干燥机类型有20 多个系列250 多种规格品种。有些产品已达到国际水平, 可替代进口。以下是国内生产的部分干燥设备与技术现状。
⑴带式干燥机: 有穿流气流带式干燥机和多层带式干燥机, 生产厂家较多, 有六七个型号, 广泛用于化工、食品、医药等行业。国外有240m大型带式干燥机, 我国现有设备的最大干燥面积为140m。大型设备开发是今后的主要任务。⑵箱式干燥机: 生产厂家较多, 国内有热风循环、药用GMP 烘箱和隧道式结构, 三类烘箱型号有20 多种。⑶喷雾干燥机: 生产厂家较多, 雾化器仍然是压力式、离心式和气流式三种。型号近30 种。喷雾干燥技术已比较成熟, 干燥机的质量和综合性能已接近丹麦尼鲁公司水平。近20 年来喷雾干燥技术
与设备的进步主要体现在: 解决了粘壁问题, 改善了产品物性, 生产了喷雾与其他操作单元相结合的一体化干燥机, 开发了喷雾和其他干燥装置结合的组合干燥工艺。
⑷流态化干燥设备: 包括普通流化床干燥机、振动流化床干燥机( 卧式振动流化床干燥机, 立式振动流化床干燥机, 双质体振动流化床干燥机) 、内加热流化床干燥机、搅拌流化床干燥机、惰性粒子流化床干燥机。型号近50 种。其中普通流化床干燥机、振动流化床干燥机为常规产品, 生产厂家很多,有几百家。内加热流化床干燥机近年来技术进步很快, 达到了国际先进水平, 可替代德国苏尔寿产品。
⑸气流干燥机: 有直管气流、脉冲气流、强化气流、旋风气流、蜗旋气流等型式, 是我国散粒状物料干燥的实用技术。生产厂家很多, 型号近40 种。
⑹闪蒸干燥机: 国内生产厂家很多, 自上世纪80 年引进以来, 已发展到第四代, 在技术水平上已可以替代安海达诺干燥机。型号近10 种。
⑺桨叶式干燥机: 是在吸收日本奈良机技术基础上发展起来的, 主要用于精细化工、石油化工产品的干燥。大型的桨叶式干燥机主要用于城市的污泥干燥。目前国内已有多家企业能制造这种设备,型号有七八种, 但仅限于双轴式, 四轴以上的大型设备未见有制造的报道。最近我国又引进了日本栗本铁工所桨叶技术。
⑻盘式干燥机: 上世纪80 年代初期, 上海化工装备研究所开始开发此项技术, 近几年国内多家干燥企业开始开发此类产品, 目前技术已基本成熟,用于化工、医药、食品的干燥。规格有近20 种。
⑼管束干燥机: 热效率高, 总传热效率可达80%～90% , 特别适用于干燥温度在150℃
以下的物料。国外较有代表性的企业是日本大川原化机株式会社。国内生产厂家较多, 主要用于槽渣和矿物的干燥, 型号有五六种。
⑽直接换热回转圆筒干燥机: 有普通回转圆筒干燥机、自清理回转圆筒干燥机、打散回转圆筒干燥机、穿流回转圆筒干燥机等, 是最古老的干燥设备之一。经过对回转圆筒内抄板形式的改进, 使其具有更广阔的应用空间, 广泛用于化工、建材、饲料和冶金等领域。型号有近20 种。
⑾蒸汽干燥机: 属间接传热式干燥机, 与普通回转干燥机的差别在于在筒内安装有贯穿于整个干燥机的蒸汽加热管, 适用于连续干燥大批量物料, 广泛应用于化工、石化、冶金、饲料、环保等行业。该干燥机用于PTA 干燥, 属于重大干燥装备的国产化项目, 型号有十一二种。
⑿制药造粒包衣设备: 生产厂家以常州地区最为集中, 主要有喷雾干燥制粒机、一步制粒机、高效沸腾制粒机, 以小型制药设备为主, 机型有20 多种, 已出口到国外。
⒀冷冻干燥机: 主要有医药类和食品类冻干设备, 型号近20 种, 部分产品出口到国外。 ⒁真空干燥设备: 有真空耙式干燥机、双锥回转真空干燥机、真空干燥机, 用于制药、化工、食品等行业, 有20 多种机型。
⒂微波干燥设备: 有箱式微波干燥机、隧道式微波干燥机、平板式微波干燥机, 用于食品工业、医药工业的干燥灭菌和化工、冶金、电子、陶瓷等行业的微波干燥。设备型号有近20 种。
⒃组合干燥技术: 组合干燥有利于节约能源和保证产品质量, 操作更灵活。常用的组合干燥有气流—流化床干燥系统、转筒—振动流化床干燥系统、双级气流干燥系统、桨叶—闪蒸干燥系统、喷雾—带式干燥系统等十几种。
⒄部分具有特色的成套技术: 江苏宜兴格兰特干燥浓缩设备有限公司生产的淀粉成套设备, 郑州中原干燥设备有限公司聚酯切片成套生产装置, 东台食品机械厂生产的变性淀粉成套设备, 山东天力干燥设备有限公司生产的大型氯化胆碱成套设备、用脱硫石膏生产石膏板的成套装置和纯碱煅烧、干燥成套装置, 沈阳新阳速冻设备制造有限公司生产的食品速冻成套装置, 天水花园公司生产的微波真空干燥中药浸膏成套装置, 石家庄工大化工设备公司研制的碳酸钙生产成套装置等。
3 干燥技术在各行业的应用
3 . 1 化工
化工行业需要处理的物料种类繁多, 大量的无机盐与有机物特性各异, 达数千种。它们性状差异极大, 质量要求各不相同。就形态而言, 有溶液、悬浮体、淤浆、粘膏、粉体、颗粒、块状体、纤维、不定形状的散乱物料等; 就性质而言, 有松散和粘结性的,有耐热和高热敏性的, 受热脱水时有不变形和易开裂变形的; 物料中的水分也有表面水、孔隙水和结晶水等不同的贮存形态。干燥产物的质量除了湿含量这一最基本的要求外, 一般还要求化学、生化甚至电、磁性质保持不变; 有许多产品对堆积密度、粒度和色泽等物理性质有特定的要求; 某些物料还要求干燥过程中不发生变形、断裂等。显然, 不同类型的物料要求用不同的技术和设备解决其干燥问题。化工生产中, 常用的干燥设备有十几种, 有近百个规格。常用的干燥机类型有: 厢式、洞道式、带式、气流、喷雾、流化床及振动流化床、内加热流化床、流化床喷雾造粒、回转、滚筒、真空耙式、真空双锥回转、桨叶式、闪蒸、微波及远红外干燥机等, 以及上述这些干燥方式的两种以上的组合。
经过20 多年发展, 大多数干燥设备我国都能制造, 扭转了干燥设备靠进口的局面, 有的已达到国际先进水平。但是, 我国干燥技术在基础理论研究、加工质量、自控水平、实验条件和能力、特殊物料干燥工艺的研究及设备的大型化、成套化、标准化方面与国外仍有差距。我国化工行业对干燥设备需求量巨大, 已成为世界主要精细化工产品生产国之一, 染料产量已稳居世界第一位, 农药也居第一位, 涂料居第四位。各类精细化工产品不仅能基本满足国民经济发展的需要, 而且许多产品在国际市场上已占有相当份额有的甚至具有举足轻重的地位。作为终端环节, 干燥设备需求量大。在无机盐化工行业, 许多产品需要干燥处理, 如硫酸钾、元明粉、氯化钠、硫酸镁、硫酸钡、精制盐等。
目前, 化工行业干燥设备正在向大型化方向发展。如我国生产的闪蒸干燥设备, 直径可达2.4m, 桨叶干燥机的传热面积可达160m, 盘式干燥机最大传热面积已达到180m。机械离心式喷雾干燥机的处理量可达45t/h , 机电一体的离心雾化器的处理量也已达5t/h 的规模, 离心喷雾干燥机直径已达10m以上。压力式喷雾干燥机可以达到直径8m、总高约50m, 处理能力4t/h 。回转圆筒干燥机直径可达3m、长30m。带式干燥机面积也达到140 m。蒸汽回转干燥机直径可以达到4m、长48m。换热面积达2400 m的内加热流化床干燥机、24 m的普通流化床干燥机也实现了工业化应用。
20 多年来, 在化工领域有关干燥理论和技术的研究与开发主要集中在以下几方面: 提高效率, 降低能耗; 提高干燥速率, 使设备紧凑; 提高控制水平, 优化干燥机性能, 改善产品质量; 安全操作和控制环境污染; 增强灵活性, 开发可用于多种产品的干燥系统; 开发多目标加工系统, 使干燥与化学反应、烧结、加热或冷却、涂布、混合、分级等过程中的二种
中国干燥技术现状及发展趋势讲解
