干燥是选矿厂最终产品(精矿)或中间产品脱水的方法之一,它的作用是进一步降低产品的水分,以满足用户或下道生产工序的要求。
目前,我国选矿厂对精矿外运防冻、包装等含水率的要求日益严格,如钨精矿为0.05~0.8%,钼精矿小于4%,锰精矿8~9%,钛精矿小于1%,萤石精矿小于0.5%,铜精矿、铅锌精矿小于8%.由此可见,对此类产物的脱水仅采用浓缩、过滤作业难于达到要求,尚需进行干燥脱水。同时,位于我国东北、西北、华北等地区的选矿厂,由于冬季气温较低,一般在-14℃以下,选矿厂精矿的贮存和外运需设防冻措施的情况下,也应根据需要考虑设置干燥作业。
干燥是利用热能除去物料中部分湿(水分)的一种作业。常用的方法有间接或直接传热干燥法,即以热气体为介质,将热间接或直接传递给湿物料,使湿物料表面上的湿分汽化,并通过表面处的气膜向气流主体扩散;与此同时,由于物料表面上湿分气化的结果,使物料内部和表面之间产生湿分差,物料内部的湿分以气态或液态的形式向表面扩散,从而使物料得到干燥。
物料干燥的必要条件是物料表面上水汽的压强(即汽化强度)必须大于干燥介质中水汽的分压。两者的压差越大,干燥速度就越快,干燥介质应及时地将汽化的水汽带走。若压差为零,干燥作业也就停止。由此可见,干燥是传热和汽化强度相结合的过程。图1表示热气体与湿物料之间的传热和汽化强度的情况。
用热气体对物料进行干燥有两种方式,一种为直接干燥即热气体直接与湿物料接触使物料干燥;另一种为间接干燥即热气体与湿物料不直接接触,而是通过器壁将热传递给被干燥的物料使之干燥。直接干燥过程是一种传热与带走水分同时进行的过程,即用流动的高温气体为载热剂与物料直接接触,把热量传递给湿物料,同时又带走由物料中汽化出来的水分。而间接干燥过程是一种由热气体加热容器从而使容器中物料的水分汽化而得到干燥的过程。
当物料同高温气体(空气或烟道气)进行直接干燥时,其过程比较复杂,但可从物料内部水分的流动情况和外界条件(气体的温度、湿度和流速、物料与气体的接触情况、物料的形状和粒度等)两个方面来研究这个过程。
松散物料中的水分,由非结合水分或由结合水分组成。非结合水分是指以自由状态存在于物料中的一种水分,即物料的表面润湿水分以及孔隙水(毛细管水),此种水分易于除去。结合水分是物料中的吸收水,即结晶水,此种水分难以除去。[next]
存在于物料中的各种水分可由图2表明。任何物料都只能干燥到平衡水分为止。平衡水分系指物料表面上的蒸汽压与周围空气中的蒸汽分压达到平衡时物料的含水量。
干燥过程根据干燥速度的变化分为四个阶段:预热阶段,恒速阶段,降速阶段和物料的含水量已达到一定条件下的平衡阶段即物料中所含水分与空气的湿度相平衡的阶段。
干燥速度有两种表示方法:
一种是用在单位时间内,单位蒸发面积上的蒸发量表示,即:
R=W/(A·t) (1)
式中 R———干燥速度,kg/(m2·h);
w———蒸发水量,kg;
A———单位蒸发面积,m2;
t———单位时间,h.
另一种是用在单位时间内降低的含水率表示,即:
RW=W/(Md·t) (2)
式中 RW———干燥速度,kg/(kg·h);
W———蒸发水量,kg;
Md———物料重量,kg;
t———单位时间,h.
R与Rw的关系用下式表示:
R=Rw(Md/A) (3)
由于干燥机理和干燥过程的复杂性,通常干燥速度都是通过实验测定得到的。为了简化影响因素,干燥实验应在恒定的干燥条件下进行,实验为间歇操作,利用大量的空气干燥少量的物料,因此,空气进、出干燥器时的状态如温度、湿度以及气速,空气与物料的流动方式均恒定不变。
在实验过程中,定时测定物料重量的变化,即记录每一时间间隔△t内物料的重量变化△W′和物料的表面温度。实验进行到物料的重量恒定为止。此时物料与空气达到了动平衡状态,物料中所含水分即为该条件下的平衡水分。然后再将物料放到电烘箱内烘干到恒重时为止,即可测得绝干物料的重量。根据实验数据整理绘成曲线,按物料的平均含水量与干燥时间的关系绘成的曲线称为干燥曲线。按照含水量随时间的变化值求得的干燥速度绘成的曲线称为干燥速度曲线。如图3所示。
图3为典型的干燥曲线和干燥速度曲线,图中还绘出了物料的温度与时间的变化关系。在干燥曲线(物料含水与时间的关系)上,AB线代表预热阶段,BC线是一条直线,说明含水量均匀地下降,代表恒速阶段,CD线则说明了降速阶段的情况。[next]
图4表示物料含水量与干燥速度关系的干燥速度曲线,从此曲线上可以清楚地看出干燥过程中四个阶段的特征。
(1)预热阶段:被干燥物料的温度很低,当物料与干燥介质(热空气)接触时,热空气的热量首先将物料和水分的温度升高,使其达到水分汽化的温度,这一阶段时间称之为预热阶段。这一阶段的特征是干燥速度由零迅速地增加到一个定值,时间很短。
(2)恒速阶段:随着热量的继续传递,使水分及物料表面温度更高,但表面上的水分因蒸汽压力(在物料表面温度下的蒸汽压和热空气中蒸汽压之差)的关系向空气中汽化扩散,将使表面温度降低。但如果热空气传给物料表面的热量恰好等于表面水汽车所需的热量,则物料表面的温度将维持不变。物料表面温度既然一定,若外界的干燥条件又无变化,则当物料表面有充足的水分时(全部表面都有水分),汽化速度必然一定。表面水分蒸发后,如果内部的水分能够有足够的速度流向表面,及时补充汽化的水量,则表面依然可以保持湿润,故干燥速度不变。该阶段的特征是水分由物料表面汽化,物料内层的水分向其表面扩散的速度很迅速,物料表面始终保持湿润,干燥速度不变且具有最大值。
(3)降速阶段:由于物料内部水分流出的速度低于表面汽化的速度,则物料表面将有一部分呈干燥状态(特别是表面突出的部分),因此汽化的水量减小,也就是说:干燥速度要逐渐下降。此时,称为干燥的降速阶段。该阶段的特征与第二阶段相同,水分由物料表面汽化,而潮湿的表面逐步减小,干燥速度在均匀下降。
(4)物料达到平衡含水量或临界含水量阶段:随着干燥速度的降低,物料表面干的地方温度将不断上升,热量向内一部传递,使蒸发面移向内部,水分变成蒸汽后再向表面扩散流动。这样,物料中含水量愈来愈少,而水分流动遇到的阻力愈来愈大,干燥速度下降很快,最后,物料中所含水分与空气的湿度相平衡,即物料的含水量已达到了一定条件下的平衡含水量,这时干燥速度等于零,干燥过程就完全结束。由于物料干的外皮的形成而使潮湿的表面减小,起初仅限于凸出的部分并继续增加,逐渐盖满物料表面。当表面开始形成外皮时,物料的含水量称为第一临介含水量,如图4中的C点。当外皮完全形成时,物料的含水量称为第二临界含水量,如图4中的D点。通常所谓临界含水量,是指第一临界含水量而言。该阶段的特征是从物料内层蒸发水分。