食品用压力喷雾干燥塔的风温原理（下）

3.1 塔主进排风

      由基础的换热计算式可知，换热温差越大，换热效率/推动力越高，对于干燥塔而言，就是蒸发强度（单位空间蒸发的水分）越高。进风温度越高，排风温度越低，热能利用率就越高，干燥所需风量就越少，热逸失就越少，也就越节能，这是显而易见的。但任何一个有实操常识的人都会知道，现实中显然不是可以无限度的高或者低。

      因为在工程可行的干燥塔有效高度时，排风温度就决定了该种产品的最终含水率，如果排风温度过低，产品粉就无法达到所需的干燥终点，乃至粘塔挂壁。同时，排风温度还受天气/季节的影响。

      背后的原因，首先是在干燥塔这个虽然巨大但仍有限的换热空间/时间内，虽然恒速干燥蒸发掉了大部分水分，但最后那点水需要足够的温差/热推动力和时间才能干燥出去，如果未干燥的粉末和塔壁或排风管道接触，就会造成粘塔挂壁；其次是排风中的巨量的湿含量（进风带入水蒸气和蒸发出的水蒸气）和相对湿度会导致粉体的二次吸潮。那么结合水越难干燥的物料，就需要越高的塔内温度，就造成排风温度越高（虽然塔内温度才是“做功”的，但塔内风速低，温度变化大，文丘里涡流、附面流层等现象干扰测量，所以都是以风速稳定、快速、均匀的排风温度为控制反馈量，塔内温度仅作对照参考），单位质量风的热利用率就会降低，所需风量就会越大，干燥塔的产能就会下降。

      干燥塔的季节性产能/风量变化同样与进风中带入的水分量有关，比如水分蒸发量1000kg/h的奶粉干燥机组，哈尔滨和广州地区进风中含水量的巨大区别如图：

      如图，哈尔滨冬季实在太冷，进风中几乎无水（水蒸气早都冷凝成冰了），而广州机组在夏天干燥出1000kg/h水，进风中就要带入900kg/h水，在塔内和排风系统中实际将“流淌”着1900kg/h水！

解决的办法一个是进风除湿，但不论表冷除湿还是转轮除湿，能耗都是巨大的（实际相当于前置一个低效率的小干燥塔）；一个办法就是增大风量，降低相对湿度，“稀释”风中水蒸气，也就是降低热利用率，提高风量，表现在工艺上就是提高排风温度，降低进风温度。虽然后者的热能利用率降低，但相比除湿的潜热换热仍是非常节能的，或者就要将上述两个途径双管齐下来解决。

      当同一套机组在不同天气和季节生产时，如果没有前置除湿，尤其当产能接近机组全负荷时，为了塔内温度与湿球温度的温差恒定，也会在天气潮湿时略提高排风温度，同样会表现为风量略上升，产能略下降。

      在喷雾干燥的温度设计时，往往需要确定该物料的排风温度和可耐受的排风相对湿度上限，再接合当地气候条件，用计算式“倒推”出进风温度。由上可知，生产同样配方，气候干燥的北方干燥机组就可以用高进风温度和低排风温度，气候潮湿的南方干燥机组就不得不用低进风温度和高排风温度，前者热效率更高，后者生产才稳定可靠。当然，北方冬季加热又需要更多的热能消耗。

      如果不考虑这些问题，对于大多数产品而言，进风温度本身可以非常高，别说常见的160~170℃，180~200℃也无所谓，甚至250~350℃都可以，因为这些进风温度时，其湿球温度/物料表面温度并没有上升多少。当然，有些研究表明，过高的进风温度，会造成水分流出雾滴过快，可能会造成单颗粒/基础颗粒表面呈“火山状”，包埋类物料的芯材流失比较严重，但这需要具体物料进行试验验证，而不能抱残守缺的想当然。甚至同样有研究表明，更高的温度促使玻璃化/网格化更早形成，还有利于避免芯材流失呢~~请注意，这些研究都表明热风与物料的温差对于干燥/流出速率的影响，而不是对物料的热破坏。对物料的热破坏，实际将体现在恒速干燥段完成后，粉状物料受塔内和排风温度加热，温度持续升高的过程中，尤其是乱风内卷、粘塔挂壁、反复循环造成长时受热时。

     那么对于物料特性本身而言，所谓高温或低温“干燥工艺”其实应该指排风温度或物料表面温度；而对于“干燥热效率”而言，高温、低温干燥塔才指进风温度。也就是说，“高温（高进风温度）高热效率的低温（低排风温度）干燥工艺的干燥机组”貌似矛盾的说法其实是可以成立的。

      常见的165~172℃的额定进风温度，其实来自于当年的老锅炉，到干燥塔用汽点能保证稳定在9bar饱和蒸汽压力就不错了，此时蒸汽温度是179℃，传给风就是这个温度了167~170℃了。也即它是个“工程性”为主的数字，而非太“科学性”的结论。当然，其本身其实也隐藏着物料特性和排风温湿度的作用，但并非放之四海而皆准的公理定律。

      如果不考虑物料干燥特性，排风温度的下限则是露点，总不能让干燥机组内出浆糊吧？这个露点可不是24节气那个温度，而是排风温度和含水量（进风含水+蒸发量）产生的露点（见第一章的原理），要远高于“室温”，也就是排风在干燥机组出口最低温度也得比它高几度，而每经过一级除尘装置，温度往往会降低3~10℃，把它们加一块，就是排风温度的下限。当然，可以用特殊工艺折腾它升降，但那都会额外增加能耗，非特殊不考虑。

3.2 固定流化床进风

      固定流化床出现的比较晚，很多资料把“固定流化床”描述成“节能的二次干燥器”，它确实有这个作用，但如果生产的是高黏度粉，水分含量再高点（水分活度高），再让粉在90℃的固定床里多转几圈（粉体达到玻璃化温度），那就是“玩火自焚”（糊床板）了，就准备铲子锵吧~~其实就大家近些年的使用状况看，固定流化床主要起到的是“塔底保护风”的作用。

      塔内的空气比环境空气潮湿的多（增加了蒸发出的水蒸气），露点温度就要比环境空气高得多，而所有涉及气流折返的塔型（中排风和上排风塔，详见俺的《压力喷雾干燥机组的进化：从下排风到上排风》）都会造成潮气在下锥底部/粉出口沉积，湿含量和相对湿度就会更高，露点温度也会更高，粉体就极易在此处粘挂，底排风塔的粉则会全部进入排风管，本身就易粘挂到阻塞。那么安装在此处的固定床就可以提供干燥（固定床进风即使不除湿，也会比塔内空气干燥得多）的空气，稀释潮气，并形成干燥风垫层，避免粉体直接基础塔壁，避免粘塔挂壁，延长清洗间隔。

同时，当粉体出塔继续落向振动床时，也会裹挟在塔内潮湿空气里，如果振动床进风温度过低，就会造成局部微结露，就会形成比较松散的粉块。用固定床较为干燥的风“替换”塔内潮湿空气，也能有助于避免振动床产生“松散结块”问题。

      对于沿主排风会沿塔壁上卷的上排风塔型而言，固定床干燥风的加入，当然也就更有助于形成“塔壁干燥风幕”，显然有助于避免粘塔挂壁。

      那么，问题来了，固定床进风究竟用不用除湿？进风温度又该多少合适呢？

      从“整治正确”角度说，当然除湿更安全，如果粉在床内停留时间很短，进风温度达到塔内温度也会更安全，但显然也就带来了巨大的能耗。实际上，如果只是当作“保护风”使用的话，对于大多数粉而言，此处温度超过塔内空气露点和湿球温度再加裕量（比如五六十度）即可。虽然取风的相对湿度可能较高，但加热后的相对湿度会较大下降，如果是南方高温高湿天气生产易吸潮粉，只要具备一定温度，用表冷除湿至春秋季节的湿含量一般也已足够，具体粉体可以用培养箱做试验确定。

      当然，如果需要考虑二次干燥效果，首先需考虑粉体在床内有足够的停留时间（床板面积、粉体运动轨迹、先落先出等），温度可以按塔内温度控制。

      实际上，因为需考虑烘塔风温，固定床进风肯定是要达到较高温度的，如果运行温度和烘塔温度差别较大，可能造成自动控制难以调节稳定，烘塔时就要减少进风量。

3.3 振动流化床进风

      按老说法，振动床一般分为三段，第一段加热用于二次干燥，第二段过渡，第三段冷却。实际这是在奶粉“喷涂卵磷脂”年代的做法了。由于吸潮和玻璃化温度的影响和包装的需要，都希望将产品粉冷却至30℃左右甚至更低，振动流化床往往都被用作“冷却床”。

想要将粉体冷却至30℃，进风温度就需在20℃以下（当然，和粉量、床面积、床长度、风速等等有关），而20℃本身就意味着两个问题：一是低于塔内气流的露点，会造成粉体周边潮气微结露形成松散结块；二是外界空气温湿度较高的话，20℃的进风相对湿度也就会很高，这又会造成粉体吸潮。有人恐怕又会想到“万能的除湿”，但显然，除湿也只能解决第二个问题，而且，是否一定要用转轮除湿至5g水/kg干气呢？

      首先，振动床进风的温湿度应形成逐段递减的“梯度”，而不是试图“一下子降到位”，以逐渐降低粉外空气的露点。如果固定床风温不高（比如五六十度），振动床一段风温就可较低（比如三四十度）；如果固定床风温较高，或没有振动床，振动床一段风温就须参考上一节固定床风温（如五六十度）。另外，如果振动床一段空气温湿度较高，就要在一二段之间设置排风口，避免影响后续降温冷却。

第二，振动床的进风是否需要除湿，需根据粉体的吸湿曲线和外界环境空气的湿含量确定。翘片管换热器制作的表冷式除湿器的工艺过程如下图：

      之所以要再升温，就是为了避免达到饱和湿含量的低温空气在风管道、下床体和筛板上结露。

      如果粉体在此空气条件下，在振动流化床的停留时间内，没有明显吸潮，那么显然，振动床的冷却段用表冷除湿器除湿即可。同时，如果外界环境空气虽然温度高，但湿含量很低（比如西部地区），表冷除湿器也只用作降温即可，那就无需再开启蒸汽补充加热；如果外界环境空气温湿度都不高（比如北方地区的冬春两季），那直接用环境空气吹就是了；如果取风温度过低（比如东北冬季），甚至需要加热升温，以避免跌破露点造成松散结块。

      对于某些极易吸潮的粉体，就需用到转轮除湿机：

      如上图，转轮除湿器其实也需要前置一个冰水降温的表冷除湿器，将湿含量除湿至7~8g水/kg干气，然后用转轮继续除湿至5g水/kg干气以下。其原理其实和干燥塔本质上是一样的，好比服务员不断的“端”来干燥剂吸潮，然后再“端”去烘干再“端”回来~~值得一提的是，因为“端回来”的干燥剂被烘干加热了，所以转轮出风是被加热了的，需要额外再配表冷换热器降温。和表冷的使用条件类似，如果到了东北地区的冬季，环境空气的湿含量甚至不足1g水/kg干气，那也毫无必要再启动转轮除湿机。

      当确定了塔内温度/固定流化床进风温度和流化床冷却段温度，就可以确定振动床一段/过渡段的进风条件了，其实温度无非是上述的平均值。如果固定床进风温度不高，北方非夏季用环境空气直吹也是可以的，湿度则仍需考虑粉体对温湿度的吸潮曲线，可以用培养箱简单做个试验来确定。鉴于中国夏季大部地区（尤其胡焕庸线以东）的温湿度都较高，那如果进风温度不高（相对湿度易较高），则建议上一台表冷除湿器。

      如果想利用流化床的二次干燥作用，其一段进风温度达到八九十度的话，其实相对湿度会非常低，粉体干燥速率远大于吸潮速率，当然也就不用任何除湿器了。

3.4 输送风/细粉附聚风

      干燥机组内的粉输送风是由罗茨风机吹至风粉分离器的卸粉关风器，裹挟粉输送到热风箱附聚或者流化床出料的风，属于正压稀相输送的范畴。该管道粘挂堵粉是个常见问题。

      作为输送风，就须考虑两个露点的问题，一是该压力下空气不能达到“压力露点”，二是不能使粉外潮湿空气降温至露点。

      压力露点是指空气压力下露点上升的现象，比如1标准大气压（101.3kPa）时，35℃ 80%，含湿量29.28g/kg，露点温度31.2℃，当罗茨风机风压按50kPa时，含湿量不变，则露点温度变为38.5℃，相对湿度119.47%，就是已经水蒸气结露析出了。显然，这种风是无法直接用于粉体输送的。

      前面始终在强调，塔内和排风系统的风远比环境空气要潮湿，即使关风器可以很大程度切断分离器和出料粉之间的空气，但粉外仍会裹挟潮湿空气，这些空气降温至露点（比如40℃左右），就会形成粉外微结露粘连成松散粉块，逐渐堆积阻塞管道。

      解决的办法主要是两条（当然，前提是风量（风粉比）风压肯定是够的），一是升温，一定要超过压力露点和粉外空气的温度，降低相对湿度；二是除湿，降低风中湿含量，自然也就降低了相对湿度。或者双管齐下的解决问题。值得提醒的是，和动辄2~5bar的压缩空气不同，输送风的压力毕竟只有几十kPa而已，还会有升温操作，所以也不必除湿太“狠”。

3.5 保护风

      插入干燥机组的轴端狭缝的压缩空气一般不考虑温度问题，但一定要按压缩空气压力进行除湿，本文不做详述。本文讲的保护风是指用于隔断主气流温度或流向的风，一般用于喷枪和细粉附聚管周边和热风进口周边，前者的作用是隔断进风温度向物料的导热，后者的作用是隔断进塔热气流对塔内气流的牵引流，避免其反复受热变性。此风也常被称为“冷风”，结构上就叫所谓“冷风夹套”，但它真的必须“冷”吗？

      在3.2说过固定床进风在很大程度上就是“保护风”，至少需高于塔内露点温度并有一定余量，可能还需除湿处理。而在喷枪、细粉和热风进口的保护风，不仅要考虑露点问题，否则在此处就结露粘挂了，这个现象在喷头前端、附聚管唇口、热风口周边都有可能发生；同时，还需考虑到风压风速，要略高于进塔的热风主气流，才能避免才此处局部形成负压区，造成粘挂乃至热变性问题。显然，此保护风的温度也不应低于物料的进料温度，虽然超过湿球温度后的物料温度对蒸发干燥的贡献不大，但毕竟可以降低粘度、雾化充分，当然不能再把它冷下来。那么如果进料温度是50~60℃，保护风温度增加10~15℃，如果进料温度是75~90℃（注意试验确定物料是否有高温反而粘度上升现象，不应达到此温度临界），保护风温度与其相当即可。