纸面石膏板生产工艺技术石膏板干燥.docx
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纸面石膏板生产工艺技术石膏板干燥
第十八章
石膏板烘干
1.介绍
石膏板的制造与其他许多现代工业生产过程相比，成本较低，工艺简单。
因此，为了保持竞争优势，必须对工序进行高度控制，特别是对干燥等高耗能的单位。
不幸的是，对大多数人来说，石膏板干燥过程不过是一种“黑色艺术”，而干燥机本身被简单地看作是一条长长的通道，在通道的一端是湿板，另一端（希望如此）是干板。
我们往往会忘记，尽管干燥机永远无法提高石膏板的质量，但它却能（而且经常是这样）彻底摧毁原本可能是一种非常好的畅销产品。
干燥机可能会以多种方式损坏石膏板，包括:
∙物理损伤，如与干燥机结构（墙壁、链条、喷嘴、热电偶等）接触，或由于干燥机或进口辊上的堆积物造成粘结损失。
∙过烧，可能是整个板，也可能只是它的边缘或末端。
∙干燥不足，通常是在板材中部，尽管使用了边缘硬度混合器或涂层辊，但当板材的其余部分过度干燥时，边缘可能会变湿。
∙染色，通常是淀粉，但也可能是彩色添加剂通过纸张毛孔。
我们需要干燥机，因为我们的工艺要求我们用凝固石膏的浆液来填充纸袋，为了产生确保纸袋完全填满所必需的流动特性，我们必须使用比理论石膏需水量更多的水。
在我们的大多数工厂中，由于干燥机中的蒸发而减少的重量相当于最终干板重量的40-55%。
各种系统和添加剂可能用来减少蒸发的负载,如木质素磺酸或其他增塑剂的使用,使用不同的研磨和煅烧以及发泡剂的分散控制,在石膏板生产的最后阶段我们总是需要蒸发大量的水。
一年一度的干燥成本在每个工厂可能高达1000万。
2.相关术语
一些基本的术语可能是有价值的，然后我们继续讨论烘干和干燥机：
2.1干燥机区.这是干燥机的一部分，由进气管道和出气管道连接，相同的管通过管道相互连接，并在管道中包含一个再循环风扇和加热装置。
2.2直接火焰加热.当加热燃料在干燥器回路中燃烧时，热气体与燃烧产物一起在干燥器体内循环。
2.3间接火焰加热.这是当燃料和它的燃烧产物远离干燥机和第二介质，如蒸汽，空气或热流体是用来转移热量到干燥机里的板。
。
2.4显热.这是对一种物质施加的热量，使它的温度升高
2.5潜伏热.液体汽化的潜热是在相同的温度下使液体（在我们的例子中是水）变成蒸汽（蒸汽）所需要的热量。
2.6绝对湿度.这是用干空气的单位重量来衡量水的重量。
2.7露点温度.这是空气/水蒸气混合物中的水开始凝结的温度。
2.8湿球温度.这是一个水面达到的平衡温度，当蒸发所需要的所有热量通过水面和空气膜传导时，水蒸气通过空气膜扩散回空气中。
2.9蒸汽压力.这是在给定温度下，蒸汽与液体接触所产生的压力
2.10分压.分压是一种蒸气或一种气体在存在一种或多种其他蒸气或气体时所施加的压力。
3.烘干理论
“干燥”一词通常用于从湿物质中去除水分的过程。
这可能是通过机械手段，如过滤或离心，但为了目前的工作目的，我们将只考虑通过热手段实现的干燥。
当湿固体受到热干燥时，两个过程同时发生:
1.热的传递提高湿固体的温度并使水蒸发。
这包括提供感热和潜热。
2.将质量以内部水分的形式传递到固体表面，然后将其蒸发并传递到干燥介质（通常是空气）中。
干燥完成的速度取决于这两个过程进行的速度。
热转移是通过对流、传导或辐射（或通过这些手段的组合）将热量从干燥介质输送到湿固体表面并由此进入其内部而发生的。
一个例外是在电介质或射频干燥（如微波炉）中，固体内部产生的热量流向外部表面。
干燥过程中的物质转移取决于两种机理，一种是固体内部水分的流动，另一种是干燥过程中物质表面水蒸气的流动。
在干燥过程中，这两种机理中的任何一种都可能是干燥速率的限制因素，通常取决于干燥过程中所达到的阶段。
干燥研究中使用的基本工具是热平衡，当样品在受控环境中干燥时，热平衡可以记录样品的失重速率。
从这些研究中可以得到如图1、2、3所示的干燥曲线，这些曲线在大多数物质的干燥过程中具有相似的形状。
Figure1
图1
图3
图2
将一块石膏板，它被放置在有一定的温度、湿度和风速恒定的热风流中，气流平行于石膏板的表面:
3.1升温周期A-B
随着石膏板温度的升高，石膏板表面自由水的蒸汽压升高，直到超过已经在气流中的水蒸气的分压为止。
此时，板芯中的液态水开始汽化，并通过护面纸进入气流带走。
热空气继续提供石膏板加热，板所需的显热和蒸发水所需的潜热，因此石膏板温度继续上升。
这反过来又增加了水面上的水汽压，导致水汽离开板的速度增加。
最终达到一个点（如上图所示），干燥空气提供的热量平衡了汽化潜热的要求。
此时干燥速率和板温与周围条件处于平衡状态。
在大多数石膏板干燥机中，预热阶段发生在第1区（或喷射干燥段）的前一、两个或三个小区间。
3.2恒速周期B-C
在此期间，蒸发发生在护面纸和板芯界面，只要该界面保持湿润，蒸发就不依赖于板芯内的内部机理。
干燥速率仅取决于水蒸气通过纸张内衬的速率以及外部条件，即空气温度、空气速度和湿度。
因此，在相似的干燥条件下，大多数材料单位面积的干燥速率是相似的。
在热风干燥机中，液体膜的温度和相邻板表面的温度将保持基本恒定，接近干燥空气的湿球温度。
在图3中可以清楚地看到，在温度等固定条件下，物料呈现出一段恒速干燥（B-C）时期。
然而，应该理解的是，相同的材料在不同的温度下干燥，在恒定的干燥速率期间，其干燥速率是不同的。
因此石膏板在热平衡中200C干燥速率通常高于100C时。
当板材通过我们的干燥机时，它会受到不同温度的影响。
因此，它将以不同的速度干燥，因为它通过干燥机，但只要界面保持完全湿润，干燥将是“恒定的速度”。
恒速期间的干燥速率取决于外部因素，其中最重要的因素将在后面讨论（见3.2.1）。
大多数固体在这一时期干燥的一般影响因素是:
dw/d=hcAt/
以上的
dw/d是干燥速率
hc为传热系数（在给定条件下为常数）。
A是被干燥物料的暴露表面积。
t是干燥空气与被干燥物料之间的温差。
是蒸发的液体汽化的潜热。
3.2.1影响石膏板干燥速率的因素有:
∙石膏板表面积
∙空气温度
∙相对湿度
∙空气速度
∙石膏板厚度
∙纸张类型,质量和特性
∙热传递类型
∙石膏和水的比率
3.2.1.1石膏板表面积
在石膏板干燥机中，这种效果在两个主要方面表现得很明显。
首先，薄板比厚板干得快，因为在石膏芯中每单位水的表面积更大。
其次，同样每单位水的表面积较大的石膏板的两端和边缘往往比石膏板的主体干得更快，这可能导致两端和边缘的燃烧。
锲形边石膏板的边缘更容易受到影响。
3.2.1.2空气温度
干燥的基本公式,dw/d=hcAt/表明,蒸发的驱动力是干燥材料之间的温差和干燥的介质有关。
因此，提高干燥空气的温度将导致干燥速率的增加。
3.2.1.3相对湿度
我们本能地认为，潮湿的空气比干燥的空气干燥石膏板的速度要慢，但这并不总是正确的。
研究表明，在干燥过程中，板芯温度与空气湿度有关，在湿度较低时板芯温较低。
如果在恒定速率期间湿度降低，则干燥速率增加的系数等于空气和板芯之间温差的增加。
然而，应该注意的是，蒸发背后的驱动力是温差，而不是湿度。
因此，我们的干燥机最好在实际湿度最大的情况下运行，以实现高热效率，同时在必要时提高控制温度，以实现温差。
有证据表明，在干燥机的预热高温度区，高湿度会导致高干燥速率；而在结束（出口）区可能存在的较低温度下，低湿度会导致较高的干燥速率。
3.2.1.4空气速度
在我们使用的强制对流干燥机中，影响干燥介质和湿固体之间的传热和传质速率的一个主要因素是热气流的速度。
这是因为表面蒸发需要水蒸气从石膏板表面扩散到干燥气流中，通过与石膏板表面接触的相对静止的空气膜。
这种被称为“边界层”的空气膜，除了表现出对蒸汽流动的阻力外，本身就是一种隔热材料。
随着干燥气流速度的增加，薄膜厚度迅速减小。
只要石膏板表面有自由的水份存在，与石膏板表面接触的空气的内膜就会被水蒸气保持饱和。
这引起了蒸汽压力梯度通过薄膜从湿润的表面到干燥的空气。
水分的扩散速率，也就是蒸发速率，与薄膜的厚度成反比，与薄膜内表面温度下的水汽压与干燥气流中水汽分压之差成正比。
从基本的干燥研究可以看出，气流平行于湿物料表面的强制对流干燥机的传热系数可以用加热介质的质量速度表示，即:
hc=0.0128G0.8
以上的
hc是对流换热系数
BTU/hr/ft2/degreeF
G是干燥空气的质量速度是
lbs/hr/ft2
石膏板干燥速率与干燥空气流速的关系为:
dw/dU0.8
以上是
dw/d是干燥速率
U是风速与干燥表面平行
3.2.1.5石膏板厚度
在恒速期间，石膏板表面持续湿润，石膏板厚度对干燥速率的影响不大。
然而，在研发过程中产生的数据相当有限，这些数据似乎表明，较厚的板材干燥速度较低。
在下降速率期间，有理论证据表明，干燥速率应随材料厚度的平方而变化，稍后将对此进行更详细的讨论。
3.2.1.6纸张类型,质量和特性
石膏板干燥过程中，透过纸张的水汽流动主要是透过扩散机理，即水分子透过纸张纤维流动，而非透过纸张孔隙的粘性流动。
因此，纸张材料（纸张克重）对蒸汽流动的阻力最大。
当较轻的克重护面纸被引入石膏板厂时，干燥变得更容易，生产速度可以提高或降低干燥温度。
3.3下降速率周期C-D
恒速期之后是一个称为降速期的时期，在此期间，干燥速率逐渐降低，从一个时期过渡到下一个时期发生在临界含水率点。
而在恒定速率期间，所有的板表面都是完全湿润的，在下降速率期间的变化，一些表面仍然是湿的，一些是干的。
从较不潮湿的表面蒸发的速率将低于从完全湿润的部分蒸发的速率，净结果是与恒定速率周期相比，干燥速率降低。
在下降速率的第一部分期间,在图3中的C~E部分,当石膏板表面仍部分润湿,石膏板的湿度含量与干燥速率成正比,并将影响前面讨论的恒速周期。
本节干燥速率为:
dw/d=mA（W-We）
以上是
m是个常数
A是表面积
W是水份含量
We是平衡含水量
一旦板的所有表面停止湿润，干燥速率将是一个水分速率的功能，水分或水蒸气可以通过扩散或毛细管作用从板的核心物理移动到干燥前沿。
这是下降速率周期的第二部分，如图2E-D段所示。
在石膏板干燥机中，最后区域的温度保持在较低的水平，因此石膏板保持在恒定速率的干燥状态（尽管是非常低的恒定速率）。
如果石膏板在干燥过程中进入下降速率期，则干燥主要向板芯部收缩，过烧危险明显增加。
4.干燥机
干燥的目的是从石膏板上除去再水化石膏所有不需要的游离水。
干燥机的设计是在干燥机的初始成本和干燥机建成后烘干石膏板的运行成本（电力和燃料）之间进行折衷。
因此，干燥机有多个区域。
第一个区域是最热的，最后一个区域是最冷的。
在石膏板接近干燥时，石膏板尾部较冷的区域有助于减少板材的过烧的倾向。
为了设计的目的，石膏板的干燥被认为是在两个基本阶段。
第一阶段（和主要阶段）称为“恒速比率周期”，而第二阶段称为“降速比率阶段”。
（如果不采用较低的温度，则为下降速率期。
）
在第一个考虑的恒速周期中，干燥速率是通过提高干燥机内空气的温度和速度来提高的。
由于实际的原因，有必要限制进入的空气温度，否则石膏芯分离的纸张被吹起同时可能会烧着板上的纸张，尤其是湿粘接不好的情况下。
干燥机内空气温度的上限取决于许多因素。
以前干燥机设计最高温度225C但随着纸张的特性、生产线速度、烘干区的长度、板芯结构的变化。
最大温度有大幅的上升，有些干燥机的温度超过300C。
由于干燥机的温度和空气流量是有限的，显然，在一个区域内可以完成的干燥量是有限的。
为了提高对干燥过程的控制程度，干燥机已经发展成多区域系统。
在干燥机的第一个区域，重要的是，通过排气烟囱从干燥机中抽出的空气要包含尽可能多的水，这是节约燃料。
然而，如果处理过度，淀粉污渍也会发生。
虽然湿度（测量空气中水蒸气的含量）确实会影响干燥速度，但这很容易通过提高空气温度来弥补。
干燥机的第一个区域应该调节，使废气中的湿度尽可能高。
当然，这种湿度在某些情况下可能会受到产品质量的限制，例如淀粉染色。
一般来说，0.4磅水/磅干空气被发现是这些因素之间的一个合理的平衡，尽管一些工厂已经成功地运行了0.6磅/磅干空气。
（453.59g）
在“下降速率周期”，石膏板更容易过烧，因此在这一阶段（通常与干燥器的后一阶段一致），空气的温度和速度较低;这有助于减少过烧的石膏板。
空气的速度通常约为1800英尺/分钟（9米/秒）。
为了降低板芯温度（从而降低板芯的煅烧率或过烧率），干燥机最后区域的空气湿度较低（一般在0.1磅/磅左右）。
现代干燥机已经发展成两到三个区域结构，通常有10层或12层平台，而旧的烘干机通常只有6层平台，通常有三个或更多的区域。
现代干燥机更少区的主要原因是,与直接燃烧系统每个区都需要自己的燃烧器,这样越少数量的区域，越小数量的燃烧器及辅助设备（主要包括排气扇,主风扇,进口和出口导管）,因此较低的资本成本的干燥机。
旧的干燥机往往是加热蒸汽后通过热交换器后在主管道和暖气管通到干燥室里的组合。
使用蒸汽限制了入口空气的温度，从而限制了最大的干燥速度，尽管使用暖气管确实将温度从区域的一端降到另一端的可能性降到最低。
通过这种方式，暖气管沿干燥室保持了一个相当均匀的干燥速度，但侵入式硬件是一个噩梦，空气和板材通过干燥机不间断流动。
也经常有人声称，使用暖气管可能会引起的板表面和其边缘过烧.
蒸汽加热干燥机的另一个缺点是热效率相对较低（通常比直接加热干燥机低15-30%）。
4.1干燥机设定
每台干燥机都有一套针对不同板材类型和速度的计算操作条件。
根据实际经验，这些条件可能略有改变，但应与计算的基本相同。
排气烟囱阀门/或排气风扇速度应设置为尽可能高的湿度，以保持干燥机的吞吐量和板的质量。
现代的三区域干燥机在前两个区域的湿度为0.35到0.5磅/磅，在最后一个区域的湿度为0.1到0.15磅/磅。
几年前当公司工程部门用来设计烘干机时,上限224c的空气温度以上这个温度的干燥速率,从而维持良好的石膏板质量（在更高的干燥速率容易发生过烧/或吹起纸张）。
有了现代的直接燃烧干燥机和最新的轻型石膏板护面纸，更高的干燥速度已经可以接受（特别是对于那些高纯度石膏的工厂），空气进口温度超过300摄氏度的情况现在并不少见。
许多最新的干燥机使用双燃料燃烧器（天然气和燃料油）加热，利用可中断天然气供应合同提供的价格优惠。
有了这些燃烧器，人们发现气体比石油燃烧得更干净，而且在火焰熄灭的情况下，气体燃烧器通常更容易重新点燃。
大多数现代干燥机在干燥机主体之前（使用从废气中回收的热量）使用预热空气作为末端密封或喷射干燥部分，但老式干燥机在末端密封部分使用冷空气。
有了这样的干燥机，密封段和干燥机之间的机械密封必须保持良好的状态，以防止冷空气从潮湿的空气中沉淀湿气，并污染板材。
干燥机内部干燥空气的分布通常使用进口管道上的阀门来调节。
这种调整的目的是使每层平台之间和每层平台之间的干燥均匀。
干燥不均匀可以通过各种方法显示，包括亨特硬度计，手持或连续湿度计和红外摄像机或在线扫描仪。
4.2端头和边缘过烧
端部和边缘过烧发生的原因是，板的端部和边缘比板的其余部分在单位体积内呈现出更大的表面积。
还有一种趋势是，板材的外边缘，即靠近干燥机壁的边缘，由于干燥机金属织物（链条、钢结构和门）的辐射热的影响而变得过干。
如果板的两端在通过烘干机时完全贴合在一起，则不会发生端部燃烧，但由于某些板压过了前面的板，所以几乎不可能在不引起烘干机堵塞的情况下达到这种理想的状态。
在所有的干燥机中，烧边的程度并不相同（实际上，在同一干燥机中，烧边的程度常常会因层间的不同而不同）。
石膏板内缘的过烧，即那些远离干燥机壁的内缘的过烧，可以通过缩小相邻板材边缘之间的间隙来达到最小化。
减少边缘过烧的其他方法包括安装防护板以减少散热器的影响，安装偏转器以阻挡边缘周围的气流，以及将冷却器或冷却空气引入暴露的边缘。
4.3干燥过程的影响
当石膏板进入干燥机时，理想情况下，石膏板应具有较强的湿键，这种湿键会随着纸内衬层被饱和石膏溶液浸湿而发展。
与凝结过程相关联的板芯吸力也将这些湿润层压在板芯上。
当石膏板通过干燥机时，水会被去除，板芯中的各种石膏晶体不再被水润滑，因此它们不能再相互移动。
石膏板变得更硬，更结实。
在这种情况下，湿键会消失，取而代之的是干键，干键的形成部分是由于淀粉在板芯和护面纸的粘结作用，部分是由于石膏晶体的粘结作用。
在干燥过程中，板芯温度随着空气温度的升高而升高，直到芯体温度达到90~95C，通常保持到超过临界湿度点，干燥主要退回板芯内部，温度升高。
如果板芯温度在100C以上任意一段时间内，都存在石膏在护面纸/板芯界面处煅烧（过烧）的危险，有时会削弱干键，导致干粘合完全失效。
在干燥过程中，板材的湿重大约减少了三分之一。
4.4淀粉的影响
当板芯内水温达到约70C时，淀粉凝胶开始迁移至石膏板表面（纸芯界面）。
它断裂形成直链淀粉和支链淀粉两种组分，可溶性的直链淀粉被认为是干键的粘结性的原因，而不可溶性的支链淀粉则保护了细小的石膏晶体不再次煅烧。
在干燥的石膏板中淀粉的存在（以及淀粉的成功迁移）可以通过将碘溶液滴到暴露的板芯来表现。
碘的存在会导致纸/芯界面出现深蓝色斑点。
少数关于淀粉对石膏板干燥影响的实验表明，淀粉可能通过阻碍水的释放来降低干燥速率。
4.5石膏板干燥机的设计
石膏板干燥机的设计是在干燥理论和实践经验的基础上进行的。
从干燥理论中我们知道，高温和高速会导致高干燥速率，但在石膏板干燥的设计阶段，我们的经验给我们带来了一定的限制。
适用的限制包括:
∙最后15%蒸发的水应在低温下去除，以避免过烧。
（临界含水率约为15%）。
∙进口区的空气流速应限制在10米/秒，最后区的空气流速应限制在9米/秒，否则板材容易在烘干机中“漂浮”。
特别是在进口附近。
∙最大干燥速率为28kg/100m2/min。
∙临界湿度点的最高温度应为121℃
∙临界湿度点后的最大干燥速率为7.2kg/100m2/min。
如果工厂使用现代轻质纸和高纯度石膏，后三项肯定会受到挑战。
事实上，许多工厂已经在以高得多的干燥速率运转。
近年来，许多工厂倾向于从大型制造商那里购买干燥机，它们使用计算机程序来设计干燥机。
下面是一个例子，如何设计2个区的烘干机。
4.5.1板重
干燥机设计如下:
-
∙湿重1172kg/100m2的9.5mm板
∙干重781kg/100m2的9.5mm板
∙蒸发量391kg/100m2的9.5mm板
4.5.2输出
工厂设计生产16.7Mm2/年9.5mm板，295天*22小时/天。
这表示在1200*9.5mm板上的生产线速度为39m/min。
4.5.3总热量的需求
总热量需求的组成:
-
∙石膏的热需求从21C~93C
∙水的热需求从21C~93C
∙蒸发水的热需求在93C
∙过热蒸汽的热需求
总的计算出热需求：
139.468kwh/分钟
4.5.4干燥机的横截面积
干燥机的净横截面积:
-
78.2sq.ft.（7.26m2）
4.5.5蒸发最后15%的水所需的热量
干燥机从结束区的出口端设计，蒸发速率降低，以减少燃烧（见下降速率周期说明）。
蒸发15%水所需的热=17.287kwh/minute
4.5.6在最后干燥区的温度
考虑从板上蒸发最后15%的水。
最终区域最大风速为9.1米/秒
15%水残留点的温度将限制在121℃，以将蒸发速率限制在6.7g/ft2/min。
假定损耗为板热量的15%
M*Cp（121-t2）=1.15*59,000
t2=2区末端的温度（本例中为99℃）
4.5.7最后15%水分蒸发的干燥机长度
从一般的干燥理论出发，利用多年来为石膏板干燥机建立的常数，推导出了一个公式，可以计算出当已知末端温度、层数和宽度时所需的干燥机长度。
使用该表达式，计算出从板上蒸发最后15%水所需的烘干机长度（本例中为94英尺）。
4.5.82区长度
区域2的空气入口温度在理论上应该是给定最大允许干燥速率的温度，但在实践中选择稍低的温度，否则区域2将变得不成比例地长。
在本例中，使用190℃的温度，并计算区域2的第一部分的长度。
这将达到128英尺，因此区域2的总长度为222英尺（94+128）。
4.5.91区长度
使用10米/秒的区域1中的气体速度和224℃的入口温度（代表26.1g/ft2/min的蒸发量），计算区域的出口温度和长度（分别为142℃和100ft）
4.5.10加热器
选择加热器时，通常假定烘干机热效率为72%，并允许燃烧器容量再增加10%，以允许燃烧器进行调节。
因此，大多数烘干机一旦投入使用，就能够超过其设计能力。
烘干机设计
zone1Zone2
224C
190C
142C
121C
99C
100ft128ft94ft
设计摘要
16.7Mm2/年...2区直接干燥器...8层
Zone1Zone2
AirflowCounterflowParallelflow
Heattoboards229,000BTU/min248,000BTU/min
Heateroutput19.1BTU/hr20.7BTU/hr
Nozzletemperature435F（224C）375F（190C）
Gasendtemperature289F（142C）210F（99C）
Gasvelocityatnozzle2000fpm1800fpm
Densityofmixtureatnozzle0.04522lb/ft30.0453lb/ft3
Massflowrate6600lb/min6380lb/min
Volumeflowrate156,000cfm141,000cfm
Lengthofzone102ft225ft
Totallengthofkiln
Zone1102ft
Zone2225ft
Nozzlebays48ft
Accessbays4ft
Sealingbays6ft
Total385ft
5.现代干燥机的布局
5.1气流
现代石膏板干燥机一般是三区、直燃、多层对流的通道干燥窑。
第一个区域在相对较高的温度和湿度下运行，并伴有逆流气流；第二个区域通常具有较高的温度和湿度以及顺流气流，而最后一个区域在较低的温度和湿度下运行，并具有顺流气流。
干燥气体通过喷嘴进入干燥器，喷嘴位于每层间的上方和下方，并沿着该区域移动，通过出口歧管离开。
顶部层上和底部层下的喷嘴通常比其他喷嘴小。
挡板通常放置在喷嘴之前的进气歧管中，以便气体可以在每层之间以及在每层上从一侧到另一侧进行适当分配。
一些干燥机，有一系列的导流板在每个层上正下游的进口喷嘴，这是用来分配整个层间上的干燥气体。
使用这些可以引导热空气远离内部板边缘。
偏转器的调整通常是通过一系列杆和杠杆，这些杆和杠
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