煤泥微波烘干技术及设备的研究

煤泥泛指煤粉含水形成的半固体物，是煤炭生产过程中的一种副产品。由于煤泥具有高水分、高粘性、高灰分、低热值、遇风飞扬遇水流失等特点，因此必须进行深度干燥来提升其热值。于是微波烘干设备开始运用起来。

1 我国煤泥干燥技术现状

目前，我国煤泥干燥技术主要有煤泥滤饼碎干机干燥和滚筒式干燥机干燥。

(1)煤泥滤饼碎干技术是一项将煤泥定量破碎和干燥结合在一起的干燥工艺。该技术通过将煤泥滤饼定量破碎，增加与热介质接触的干燥表面积，使干燥过程热交换充分，可达到机械流体脱水的极限。碎干工艺对煤泥水分的控制有两条途径:一是提高干燥介质的温度，二是降低穿流网带的速度。提高干燥介质的温度会造成部分运动部件在高温环境中运行，而降低穿流网带速度则必然减少煤泥的干燥量。碎干技术处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，必须进行再度干燥。

(2)滚筒式干燥机依靠自身滚筒的转动和倾斜度，通过内部扬料板将煤泥不停地翻滚，与进入滚筒内的高温烟气形成对流换热，从而实现对煤泥的干燥。并且，该技术可根据用户要求，通过设计滚筒长度和直径来达到所需的产品水分。自上世纪80年代开始，历经30多年的发展，滚筒式干燥机因运转安全可靠、操作简单、热效率高，目前已成为煤泥干燥的主导设备。但其占地面积大，成本高，噪声污染、热污染以及对周围环境的粉尘污染严重。

目前，微波干燥技术以其干燥效率高，干燥清洁无污染，易实现自动化控制等优点，在食品、医药、木材、橡胶工业、污水处理等各个领域已得到了广泛应用和高度重视[4]。与现有煤泥干燥技术相比，微波烘干设备具有能耗低，效率高;烘干煤泥时间短，产量大;生产过程无污染，工人工作环境好;设备简单，施工安装简便等优点。因此，对煤泥的微波烘干技术有必要进行深入探讨与研究。

2 微波特性及微波烘干设备机理

2.1 微波特性

微波是一种电磁波，其频率在300MHz～300GHz之间，波长在1mm～1m(不含1m)之间。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于有些材质，微波几乎可以穿越而不被吸收，如玻璃、塑料和瓷器;有些材质会吸收微波使其自身发热，如水和食物;有的材质则会反射微波，如金属类东西。与其他方式相比，在工业加热干燥方面，微波具有以下优点:

(1)物料干燥过程中的干燥层首先在物料内层形成，然后由内而外扩展。原因是微波透入物料内部时会被吸收，其能量瞬时转为热能而使物料(包括里层物料及其所含有的水分)整体升温。此时，里层水蒸气压力骤升，在该压力的驱动下，水蒸气向物料表层排除。

(2)微波加热为瞬时加热，因此无热惯性，易于操作。

(3)根据干燥物料的不同，微波加热可选择不同功率进行干燥，实现功率可调，因此可避免能源的浪费。

(4)微波加热技术操作易控制，可以实现连续自动化生产

2.2 微波烘干设备机理

微波在加热物料时，由于被加热物料中的水分子是极性分子，它在快速变化的高频点磁场作用下，极性取向将随着外电场的变化而变化，使分子发生运动并相互摩擦，使微波场的场能转化为热能，从而使物料的温度升高，达到微波加热干燥的目的。物料在微波场中吸收功率P aV的计算公式为:

式中:εr为被干燥介质的介电常数;ω为微波的工作频率，ω =2πfω;tanδ为介质损耗角的正切值;E2为电场强度有效值;V为物料的体积。

2.3 微波加热与常规加热的区别

在微波加热与常规加热下，物料干燥层形成示意图以及热量和质量迁移方向如图1所示。

图1 常规加热与微波加热机理以及热量和质量迁移方向模型示意图

从传热动力学观点来分析，常规加热法对物料加热时呈现如图1(a)所示的状态:物料中温度梯度由内层指向外表面，而热量传导方向与蒸汽迁移方向相反。这说明常规加热时物料里面和外表层的温差大，整体温度分布相当不均匀，而且传递热量会受到质量迁移阻碍，于是延缓了整体温升过程，使得加热时间较长。对于微波加热图1(b)来说，在加热过程中，物料是整体加热温升，由于物料表面水分的蒸发，使外表面温度相对于里层的要低，其温度梯度由物料外表面指向里层，而热量传导方向也与蒸汽迁移方向相同。

3 煤泥微波烘干设备

3.1 设备结构

为了防止微波泄漏，煤泥微波烘干设备采用了封闭式烘干室，煤泥输送设备安放于烘干室内，烘干室顶部装有微波加热器、微波控制器以及红外测温仪，另外由输送设备速度控制器来调节输送设备速度。煤泥微波烘干设备结构如图2所示。

图2 微波烘干设备结构示意图

3.2 工作原理

煤泥微波烘干设备工作时，通过转载机等其他设备将煤泥通过进料口装载到输送设备上;输送设备连续运转，将煤泥输送至烘干室;当输送的煤泥通过微波加热器时，煤泥受到微波辐射而被加热，煤泥中含有的水分受热后部分蒸发;烘干后的煤泥通过出料口输送出去。

输送设备速度控制器用来调节和控制输送设备速度，从而达到调节干燥时间的目的;红外测温仪随时监测煤泥表面温度，并实时反馈给微波控制器;微波控制器控制微波加热器的功率，使功率随需求变化，达到能源利用大化，从而避免了能源的浪费。

3.3 经济性分析

判别该设备是否节能，需要与其他加热方式进行比较，即比较在达到相同干燥效果时设备所消耗的总的能量的多少，以总能耗量值小者为优。

一般说，物料受热工程中总能耗为如下分配:

式中:P1为物料加热升温所需要的能量;P2为加热过程中散失给物料周围环境中的能量以及加热设备部件升温消耗的能量;P3为物料中水分加热蒸发所需消耗能量;P为总能耗量。

显然，P1和P3为物料加热脱水时所必需的能耗量，称为有效耗能。故加热效率η可表示为:η=(P1+P3)/P， (3)式中比值η表示物料被加热时的能量有效利用率，η值越大，表明加热设备的热效率高，设备越节能。

微波烘干设备烘干室箱体采用金属原料，金属对微波具有反射功能，所以当微波加热设备对物料加热时，物料吸收微波的量远大于微波加热区设备部件(箱体)对微波的吸收，物料温升远大于箱体。而常规加热则将设备部件同时加热，因此微波设备能量利用率远大于常规加热设备。

我国微波加热技术起步较晚，与国外一些国家存在差距，但是近几十年来也取得了一定的成绩和进展。与现有的干燥设备相比，微波烘干设备具有干燥瞬时性、无污染、干燥效率高等优越性，目前已经在多个领域得到了广泛应用，因此很有必要对微波烘干设备在煤泥干燥领域的应用做进一步研究，以使其实现效率大化、产品系列化、连续自动化，进而能够使微波干燥技术替代现有的煤泥干燥方式，减少目前煤泥干燥在生产中带来的各种污染，在环保及节能减排方面做出应有贡献。

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